La mécanique des atmosphères

La révolution des exoplanètes, depuis leur découverte en 1995, a connu ses rebondissements. Face à la diversité des systèmes rencontrés, notre propre système solaire nous apparaît désormais comme un cas spécifique. Pourtant il est aujourd’hui possible de conclure que la plupart des étoiles sont entourées de planètes rocheuses et qu’elles reçoivent potentiellement suffisamment d’irradiation pour garder de l’eau liquide en surface. Il faut désormais regarder de plus près.

C’est pourquoi les nouvelles missions spatiales s’attaquant à l’étude des exoplanètes ne s’arrêtent plus à leur simple détection. L’étape décisive dans la quête des mondes habitables se dessine dans la caractérisation des atmosphères. Observateurs et modélisateurs travaillent de concert pour comprendre les processus physiques qui régissent les atmosphères et pour reconstituer l’histoire de leurs climats.

L’horloge et le temps

Les planètes rocheuses comme la Terre sont abondantes dans l’Univers. Les relevés de la mission Kepler, indiquent même que les planètes similaires à la Terre et à Neptunes sont prépondérantes dans notre galaxie. Pourtant, elles présentent sans doute des climats très différents du nôtre. Dans ce vaste bestiaire, combien offrent des conditions favorables à l’émergence puis au maintient de la vie ? Les étoiles évoluent, et donc leur zone habitable, impactant les conditions climatiques à la surface de leur planètes. De même, connaître la composition des planètes et donc, l’atmosphère qu’elles pourraient posséder, est capital pour questionner leur habitabilité au long terme. En tout cas, sur une durée compatible avec le développement de la vie.

Sur Terre, l’eau liquide, élément essentiel au développement de vie carbonée, telle que nous la connaissons, est présente depuis un temps records, presque 4 milliards d’années. « En ce sens, la Terre est une planète qui est exceptionnelle, déjà au sein du système solaire, où des planètes similaires au départ, comme Vénus ou Mars n’ont pas développé une atmosphère propice au maintient de l’eau liquide. Mais c’est l’étude des atmosphères des planètes extrasolaires qui nous révèlera davantage si ce statut se maintien », explique le climatologue François Forget. En effet, une manière simpliste mais physique, de délimiter la zone habitable d’un système exoplanétaire, c’est à dire dans lesquelles on peut trouver la vie, c’est de regarder des paramètres physiques telle que la quantité d’énergie dont on dispose suivant la distance l’étoile et de connaître les trajectoires des planètes et leur masse. Mais cette notion est très tempérée par les atmosphères. Le seul cas du trio de planètes telluriques en zone habitable du Soleil, Mars, Terre et Vénus l’illustre bien. Vénus possède une atmosphère très dense en gaz à effet de serre, sa température au sol avoisine les 450°C. Au contraire, l’atmosphère martienne est très ténue en gaz carbonique. On y observe des températures de 20°C le jour et -140°C la nuit.

Seule la Terre a pu maintenir une atmosphère qui la protège de variations climatiques à l’échelle du million d’années. Et ce qui semble se détacher dans le fonctionnement du système atmosphérique terrestre, c’est sa stabilisation avec des rétroactions géophysiques comme la tectonique des plaques pour le cycle du carbone, et celles liées au vivant (voir vidéo). Pour le climatologue Gilles Ramstein, la Terre est un objet extrêmement particulier à modéliser, d’une richesse incroyable. À ses yeux de modélisateur, elle constitue un système très complexe à décrire spatialement et temporellement : « Si l’on regarde la réponse à la journée, la composante dominante est l’atmosphère, à la centaine d’années, c’est l’atmosphère et la surface notamment avec la végétation, au millier d’années, c’est l’atmosphère et les océans et si l’on regarde encore plus loin, c’est la tectonique des plaques. A cela s’ajoute deux éléments clés : la trajectoire quasi circulaire de la Terre lui permettant de garder une distance quasi-constante au Soleil, et la présence de son satellite naturel, la Lune qui rigidifie son obliquité et stabilise son climat.»

L’étude des atmosphères des exoplanètes pose donc une question fondamentale : quelles sont les chances qu’un climat propice à la vie se maintienne dans le temps ?

Un modèle du tout pour comprendre le particulier

En astrophysique, obtenir une observation d’un système exoplanétaire pourrait s’apparenter à en faire la photographie. Elle le décrit à un instant précis et ne fournit pas d’elle-même d’indications sur les processus qui l’y ont mené, ni vers quoi il va tendre. L’observation obtenue de l’atmosphère d’une exoplanète, objet très lointain, est en fait un spectre lumineux. « Il fournit une moyenne de l’atmosphère complète que l’on considère comme uniformément répartie autour de la planète. Les différentes modélisations du climat rejouent des scenarii pour mieux appréhender et identifier les phénomènes physiques en jeu et qui reproduisent bien les observations. C’est un travail complexe car de nombreux paramètres physiques et chimiques évoluent ensemble dans un fluide qui est dynamique », détaille l’astrophysicien Pascal Tremblin. Modéliser le climat d’une planète s’apparente à comprendre les rouages, dessiner le mouvement d’une vieille horloge.

L’équipe de recherche du Laboratoire de Modélisation Dynamique s’est attelée à développer un modèle générique (LMDG) qui tend à prendre en compte tous les processus physiques qui façonnent une atmosphère en 3 dimensions. « C’est un projet très ambitieux. Nous essayons de créer une planète virtuelle. L’idée est d’être en capacité de réaliser des simulations numériques de n’importe quelle planète autour de n’importe quel type d’étoile. Nous avons cherché quels étaient les différents environnements possibles sur les planètes extrasolaires. Ce modèle nous a également permis d’étudier la Terre primitive », commente François Forget. Cette modélisation généraliste permet également de généraliser les concepts développés à partir de l’étude du climat terrestre et de défaire certaines idées reçues, comprendre les vrais moteurs en place dans les dynamiques atmosphériques. Par exemple certains effets atmosphériques subtils sur Terre peuvent s’avérer extrêmes sur d’autres planètes. La forte chaleur des sols martiens entraînant des mouvements de convection a permis d’expliquer la particularité du mécanisme de la mousson en Inde.

Cela permet aussi de donner des nouvelles idées. L’étude des tempêtes de poussière à la surface de Mars, entraînant une forte chute des températures a permis d’imaginer le scénario de l’hiver nucléaire sur Terre à la suite d’une explosion de bombe atomique. Le phénomène de trou dans la couche d’Ozone, c’est à dire l’implication du chlore dans sa dégradation, a été expliqué par des spécialistes de la chimie de l’atmosphère (André et Berger) qui étudiaient initialement le climat de Vénus. « Les exoplanètes servent de crash test pour les modèles climatiques terrestres. On peut tester les modèles développer pour la Terre, ailleurs et ainsi évaluer leur robustesse », analyse Pascal Tremblin.

par Alice Mounissamy

Cet article est issu d’un entretien avec les trois chercheurs suivants :

• François Forget, modélisateur du climat au laboratoire LMD de l’Institut Pierre Simon Laplace (Université Paris 6).
• Pascal Tremblin, chercheur en modélisation atmosphérique à la maison de la simulation, CEA.
• Gilles Ramstein, climatologue modélisateur au Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement, CEA.