Le soleil : résumé.
Les chiffres suivants suffisent à montrer que le soleil est un facteur primordial pour expliquer la température d'une planète : on y voit que, à pression atmosphérique égale, c'est-à-dire à MASSE atmosphérique égale,
la température décroit avec l'éloignement au soleil.
la température décroit avec l'éloignement au soleil.
L'importance du soleil : développement.
Même si l'apport de chaleur solaire ne fait pas partie intégrante des mécanismes de rétention de la chaleur sur une planète, ignorer la première source d'énergie d'un système solaire serait malvenu. De plus, et comme vous le constaterez par vous-même, l'apport et la rétention de la chaleur sont liés.
Démonstration par l'absurde : si le soleil n'existait pas, ou bien si le soleil était tellement éloigné qu'il en serait insignifiant, les planètes ne recevraient plus d'énergie, donc de chaleur, et seraient alors, en l'absence de géothermie, froides. Ainsi la distance au soleil est bien le facteur premier et primordial à prendre en compte pour expliquer la température de l'atmosphère d'une planète.
On voit bien sur le tableau ci-dessous que, plus la puissance solaire (en W/m2) décroit, plus la température diminue, à pression atmosphérique égale, et quelque que soit cette pression.
On constate également que l'effet de la distance, c'est-à-dire de la puissance solaire disponible au niveau de l'orbite planétaire moyenne (W/m2), l'emporte sur le disque d'interception planétaire, c'est-à-dire sur la puissance solaire totale disponible pour la planète. Ainsi Jupiter, qui de par sa grande taille et malgré son éloignement, est la planète qui reçoit le plus d'énergie du soleil, n'est pourtant pas la plus chaude (à pression atmosphérique égale). Non seulement la taille de la planète semble ne pas être importante, mais elle semble ne pas intervenir du tout, puisque les températures de Jupiter s'inscrivent parfaitement dans la décroissance en fonction simplement de l'éloignement.
On s'aperçoit enfin que plus la pression atmosphérique est faible, c'est-à-dire plus on monte dans une atmosphère, plus l'impact du soleil sur la température est important.
A partir de ces 3 analyses élémentaires, on peut conclure que le soleil est le facteur essentiel pour expliquer la température sur une planète, surtout dans la partie supérieure de l'atmosphère, et donc à fortiori lorsque celle-ci est inexistante.
Point complémentaire : la surface exposée au soleil.
A égale distance du soleil, plus une planète est grande, et plus grande est la quantité de chaleur pouvant être absorbée. Mais puisque la température est à l'équilibre, la quantité de chaleur émise équivaut à la quantité de chaleur reçue. Donc la taille de la planète, à première vue, n'interviendrait pas. Ceci dit, une notion supplémentaire joue ici un rôle important : l'inertie thermique. Imaginons deux planètes (de composition et de structure identiques), à la même distance du soleil, mais dont l'une est plus grande, donc plus massive. Cette dernière a donc la possibilité d'accumuler une plus grande quantité de chaleur. A ce stade-ci du raisonnement, elles ont toujours la même température, mais, si l'absorption et l'émission sont fortement décalées dans le temps, la masse jouera le rôle très important d'accumulateur de chaleur. Donc, durant le temps qui s'écoule entre l'absorption et l'émission de chaleur, c'est-à-dire durant le moment où la température est plus basse, la planète la plus massive verra sa température diminuer plus faiblement que la planète la moins massive. Concrètement, plus la rotation d'une planète est lente, c'est-à-dire plus le jour et la nuit sont longs, plus une planète dont la masse est élevée conservera une température élevée, et plus sa température moyenne sera donc élevée.
Le critère de la distance au soleil peut donc s'affiner en tenant compte de l’interaction entre : cette distance, la masse, et la rotation planétaire. Chose qui ne sera pas développée ici.
N.B.: Ce n'est un secret pour personne : un poêle de 50 kg chauffé à 30°C ne pourra pas amener et garder une maison à une température aussi élevée qu'un poêle de 2000 kg chauffé à la même température. Imaginons que ce poêle soit la maison elle-même, avec une égale possibilité d'absorption et d'émission de chaleur. Le poêle est à l'équilibre thermique, la planète est à l'équilibre thermique, si un courant d'air froid arrive, lorsqu'on se situe sur la face non éclairée, le poêle le plus massif maintiendra une température plus haute, la planète dont l'atmosphère est la plus massive maintiendra une température plus élevée sur sa face non éclairée, et donc la moyenne le sera tout autant.
Le critère de la distance au soleil peut donc s'affiner en tenant compte de l’interaction entre : cette distance, la masse, et la rotation planétaire. Chose qui ne sera pas développée ici.
N.B.: Ce n'est un secret pour personne : un poêle de 50 kg chauffé à 30°C ne pourra pas amener et garder une maison à une température aussi élevée qu'un poêle de 2000 kg chauffé à la même température. Imaginons que ce poêle soit la maison elle-même, avec une égale possibilité d'absorption et d'émission de chaleur. Le poêle est à l'équilibre thermique, la planète est à l'équilibre thermique, si un courant d'air froid arrive, lorsqu'on se situe sur la face non éclairée, le poêle le plus massif maintiendra une température plus haute, la planète dont l'atmosphère est la plus massive maintiendra une température plus élevée sur sa face non éclairée, et donc la moyenne le sera tout autant.
Annexe : calcul des puissances.
Les chiffres de puissance indiqués aux lignes 2 et 3 du tableau ci-dessus sont obtenus à partir de la constante solaire qui se mesure au sommet de l'atmosphère terrestre et qui vaut à peu près 1366 W/m2. Donc, lorsque l'activité solaire varie, tous les chiffres varient dans la même proportion. Ceci ne remet donc pas en question la comparaison entre les planètes, qui est l'objectif du tableau 1.
Calcul de la puissance du Soleil :
Le soleil émet 1366 watts sur chaque m2 à la distance Soleil-Terre de 149 597 870 km. La puissance totale du Soleil sera donc donnée par l'ensemble des watts de tous les m2 présents sur la sphère correspondant à l'orbite moyenne de la Terre. Par la formule du calcul de la superficie sphérique S=4 ¶ r^2, il vient 4 x 3.1416 x 149 597 870 000 ^ 2 = 2.812 10e23 m2.
La puissance totale du Soleil est donc de 1366 x 2.812 10e23 = 3.8416 10e26 watts.
Il suffit maintenant de reporter cette puissance en fonction de l'éloignement au soleil, au niveau de l'orbite moyenne de chaque planète pour obtenir la constante solaire de chaque planète et donc la puissance totale reçue du Soleil pour chaque planète. Cette dernière correspond au disque d'interception planétaire et donne la puissance brute disponible au sommet de chaque atmosphère planétaire.
NB: les calculs doivent se faire avec les unités du Système International c'est-à-dire le mètre et le watt.
Mercure :
A la distance de 57 900 000 km du Soleil, la superficie de la sphère vaut 4 x 3.1416 x 57 900 000 000^2 = 4.2128 10e22 m2.
Puisque les 3.8416 10e26 watts se répartissent sur 4.2128 10e22 m2, chaque m2 au niveau de Mercure reçoit 3.8416 10e26 / 4.2128 10e22 = 9119 watts.
Pour obtenir la puissance totale disponible pour l'ensemble de la planète il suffit de multiplier 9119 par la superficie qui intercepte les rayons du Soleil. Cette dernière est donnée par la formule du cercle S = ¶ r^2.
Le rayon de Mercure valant 2439 km, c'est-à-dire 2439000 m, la superficie exposée au Soleil vaut donc 3.1416 x 2439000^2 = 18.688 10e12 m2.
La puissance totale disponible vaut donc 18.688 10e12 x 9919 = 1.70 10e17 watts, ou 170 10e15 W pour pouvoir comparer plus facilement les chiffres de chaque planète.
Source : http://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/mercuryfact.html
Vénus :
Distance au Soleil = 108 200 000 km ==> superficie sphérique = 1.4712.10e23 m2
==> constante solaire vénusienne = 3.8416 10e26 / 1.4712.10e23 = 2611 W/m2.
Rayon de Vénus = 6050 km ==> superficie exposée au Soleil = 3.1416 x 6050000^2 = 114.99 10e12 m2
==> Puissance totale disponible = 114.99 10e12 x 2611 = 3.00 10e17 W = 300 10e15 W.
Source : http://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/venusfact.html
Terre :
Rayon de la Terre = 6371 km ==> superficie exposée au Soleil = 127.51 10e12 m2
==> Puissance totale disponible = 127.51 10e12 x 1366 = 1.74 10e17 W = 174 10e15w.
Si l'on ajoute 2 x 8 km d'atmosphère, la puissance passe à 1.75 10e17 W.
Mars :
Distance au Soleil = 227 900 000 km ==> superficie sphérique = 6.5268 10e23 m2
==> constante solaire martienne = 3.8416 10e26 x 6.5268 10e23 = 588.6 W/m2.
Rayon de Mars = 3397 km ==> superficie exposée au Soleil = 36.25 10e12 m2
==> Puissance totale disponible = 36.25 10e12 x 588.6 = 2.13 10e16 W = 21.3 10e15 W.
Source : http://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/marsfact.html
Jupiter :
Distance au Soleil = 778 300 000 km ==> superficie sphérique = 7.6121 10e24 m2
==> constante solaire jovienne = 3.8416 10e26 / 7.6121 10e24 = 50.47 W/m2.
Rayon de Jupiter = 71 398 km ==> superficie exposée au Soleil = 1.60 10e16 m2
==> Puissance totale disponible = 1.60 10e16 x 50.47 = 8.08 10e17 W = 808 10e15 W.
Source : http://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/jupiterfact.html
Saturne :
Distance au Soleil = 1 427 000 000 km ==> superficie sphérique = 2.5589 10e25 m2
==> constante solaire saturnienne = 3.8416 10e26 / 2.5589 10e25 = 15.01 W/m2.
Rayon de Saturne = 60 000 km ==> superficie exposée au Soleil = 1.13 10e16 m2
==> Puissance totale disponible = 1.13 10e16 x 15.01 = 1.70 10e17 W = 170 10e15 W.
Source : http://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/saturnfact.html
Uranus :
Distance au Soleil = 2 869 600 000 km ==> superficie sphérique = 1.0348 10e26 m2
==> constante solaire uranienne = 3.8416 10e26 / 1.0348 10e26 = 3.712 W/m2.
Rayon d'Uranus = 26 145 km ==> superficie exposée au Soleil = 2.15 10e15 m2
==> Puissance totale disponible = 2.15 10e15 x 3.712 = 7.97 10e15 W.
Source : http://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/uranusfact.html
Neptune :
Distance au Soleil = 4 496 600 000 km ==> superficie sphérique = 2.5408 10e26 m2
==> constante solaire neptunienne = 3.8416 10e26 / 2.5408 10e26 = 1.512 W/m2.
Rayon de Neptune = 24 300 km ==> superficie exposée au Soleil = 1.85 10e15 m2
==> Puissance totale disponible = 1.85 10e15 x 1.512 = 2.80 10e15 W.
Source : http://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/neptunefact.html
Pluton :
Distance au Soleil = 5 910 000 km ==> superficie sphérique = 4.3838 10e26 m2
==> constante solaire plutonienne = 3.8416 10e26 / 4.3838 10e26 = 0.876 W/m2.
Rayon de Pluton = 1145 km ==> superficie exposée au Soleil = 4.12 10e12 m2
==> Puissance totale disponible = 4.12 10e12 x 0.876 = 3.61 10e12 W = 0.0036 10e15 W.
Source : http://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/plutofact.html
Calcul de la puissance du Soleil :
Le soleil émet 1366 watts sur chaque m2 à la distance Soleil-Terre de 149 597 870 km. La puissance totale du Soleil sera donc donnée par l'ensemble des watts de tous les m2 présents sur la sphère correspondant à l'orbite moyenne de la Terre. Par la formule du calcul de la superficie sphérique S=4 ¶ r^2, il vient 4 x 3.1416 x 149 597 870 000 ^ 2 = 2.812 10e23 m2.
La puissance totale du Soleil est donc de 1366 x 2.812 10e23 = 3.8416 10e26 watts.
Il suffit maintenant de reporter cette puissance en fonction de l'éloignement au soleil, au niveau de l'orbite moyenne de chaque planète pour obtenir la constante solaire de chaque planète et donc la puissance totale reçue du Soleil pour chaque planète. Cette dernière correspond au disque d'interception planétaire et donne la puissance brute disponible au sommet de chaque atmosphère planétaire.
NB: les calculs doivent se faire avec les unités du Système International c'est-à-dire le mètre et le watt.
Mercure :
A la distance de 57 900 000 km du Soleil, la superficie de la sphère vaut 4 x 3.1416 x 57 900 000 000^2 = 4.2128 10e22 m2.
Puisque les 3.8416 10e26 watts se répartissent sur 4.2128 10e22 m2, chaque m2 au niveau de Mercure reçoit 3.8416 10e26 / 4.2128 10e22 = 9119 watts.
Pour obtenir la puissance totale disponible pour l'ensemble de la planète il suffit de multiplier 9119 par la superficie qui intercepte les rayons du Soleil. Cette dernière est donnée par la formule du cercle S = ¶ r^2.
Le rayon de Mercure valant 2439 km, c'est-à-dire 2439000 m, la superficie exposée au Soleil vaut donc 3.1416 x 2439000^2 = 18.688 10e12 m2.
La puissance totale disponible vaut donc 18.688 10e12 x 9919 = 1.70 10e17 watts, ou 170 10e15 W pour pouvoir comparer plus facilement les chiffres de chaque planète.
Source : http://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/mercuryfact.html
Vénus :
Distance au Soleil = 108 200 000 km ==> superficie sphérique = 1.4712.10e23 m2
==> constante solaire vénusienne = 3.8416 10e26 / 1.4712.10e23 = 2611 W/m2.
Rayon de Vénus = 6050 km ==> superficie exposée au Soleil = 3.1416 x 6050000^2 = 114.99 10e12 m2
==> Puissance totale disponible = 114.99 10e12 x 2611 = 3.00 10e17 W = 300 10e15 W.
Source : http://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/venusfact.html
Terre :
Rayon de la Terre = 6371 km ==> superficie exposée au Soleil = 127.51 10e12 m2
==> Puissance totale disponible = 127.51 10e12 x 1366 = 1.74 10e17 W = 174 10e15w.
Si l'on ajoute 2 x 8 km d'atmosphère, la puissance passe à 1.75 10e17 W.
Mars :
Distance au Soleil = 227 900 000 km ==> superficie sphérique = 6.5268 10e23 m2
==> constante solaire martienne = 3.8416 10e26 x 6.5268 10e23 = 588.6 W/m2.
Rayon de Mars = 3397 km ==> superficie exposée au Soleil = 36.25 10e12 m2
==> Puissance totale disponible = 36.25 10e12 x 588.6 = 2.13 10e16 W = 21.3 10e15 W.
Source : http://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/marsfact.html
Jupiter :
Distance au Soleil = 778 300 000 km ==> superficie sphérique = 7.6121 10e24 m2
==> constante solaire jovienne = 3.8416 10e26 / 7.6121 10e24 = 50.47 W/m2.
Rayon de Jupiter = 71 398 km ==> superficie exposée au Soleil = 1.60 10e16 m2
==> Puissance totale disponible = 1.60 10e16 x 50.47 = 8.08 10e17 W = 808 10e15 W.
Source : http://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/jupiterfact.html
Saturne :
Distance au Soleil = 1 427 000 000 km ==> superficie sphérique = 2.5589 10e25 m2
==> constante solaire saturnienne = 3.8416 10e26 / 2.5589 10e25 = 15.01 W/m2.
Rayon de Saturne = 60 000 km ==> superficie exposée au Soleil = 1.13 10e16 m2
==> Puissance totale disponible = 1.13 10e16 x 15.01 = 1.70 10e17 W = 170 10e15 W.
Source : http://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/saturnfact.html
Uranus :
Distance au Soleil = 2 869 600 000 km ==> superficie sphérique = 1.0348 10e26 m2
==> constante solaire uranienne = 3.8416 10e26 / 1.0348 10e26 = 3.712 W/m2.
Rayon d'Uranus = 26 145 km ==> superficie exposée au Soleil = 2.15 10e15 m2
==> Puissance totale disponible = 2.15 10e15 x 3.712 = 7.97 10e15 W.
Source : http://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/uranusfact.html
Neptune :
Distance au Soleil = 4 496 600 000 km ==> superficie sphérique = 2.5408 10e26 m2
==> constante solaire neptunienne = 3.8416 10e26 / 2.5408 10e26 = 1.512 W/m2.
Rayon de Neptune = 24 300 km ==> superficie exposée au Soleil = 1.85 10e15 m2
==> Puissance totale disponible = 1.85 10e15 x 1.512 = 2.80 10e15 W.
Source : http://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/neptunefact.html
Pluton :
Distance au Soleil = 5 910 000 km ==> superficie sphérique = 4.3838 10e26 m2
==> constante solaire plutonienne = 3.8416 10e26 / 4.3838 10e26 = 0.876 W/m2.
Rayon de Pluton = 1145 km ==> superficie exposée au Soleil = 4.12 10e12 m2
==> Puissance totale disponible = 4.12 10e12 x 0.876 = 3.61 10e12 W = 0.0036 10e15 W.
Source : http://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/plutofact.html