Pages

mardi 3 février 2015

La rotation asynchrone des exoplanètes telluriques et leur zone habitable

Les planètes situées dans la zone habitable d'une étoile de faible masse sont souvent considérées être en rotation synchrone autour de leur étoile, dû à un effet de marée important, car à relativement faible distance de leur étoile. Une rotation synchrone est la situation dans laquelle la rotation d'une planète sur elle-même est synchronisée sur sa rotation orbitale : elle fait un tour sur elle-même dans la même durée qu'elle fait une orbite autour de son étoile.


Atmosphère de Vénus, imagée en UV par
la sonde Pionner Venus Orbiter en 1979 (NASA)
Une rotation synchrone pour une planète pourrait affecter considérablement son habitabilité potentielle. Mais une nouvelle étude qui vient de paraître dans la revue américaine Science montre que la synchronisation n'est peut-être pas si fréquente, grâce aux effets atmosphériques des planètes.
On sait par exemple que Vénus possède une rotation rétrograde qui est provoquée par son atmosphère très dense, plus exactement par un effet de marée thermique. L'effet de marée thermique est un effet d'entrainement de la croûte planétaire par son atmosphère, qui est, elle, mise en mouvement par les variations de température produites par l'alternance jour/nuit.  De grandes masses atmosphériques ont un mouvement d'oscillation qui suit le cycle diurne, et ont un effet direct sur la rotation de la croûte par friction.
Mais, alors que les effets de marée classiques, qui ont également lieu à l'intérieur de la croûte de la planète, ont tendance à synchroniser la rotation de la planète sur elle-même avec sa rotation orbitale (comme ce que l'on voit tous les jours à une autre échelle entre la Lune et la Terre), l'effet de marée thermique, lui, produit une désynchronisation, car les mouvements atmosphériques sont légèrement décalés par rapport au passage jour/nuit du simple fait de l'inertie thermique qui existe dans l'atmosphère.

L'équipe menée par Jérémy Leconte au Canadian Institute for Theoretical Astrophysics, de l'Université de Toronto, montre, en utilisant un modèle climatique global, que même une atmosphère relativement mince peut éloigner la rotation d'une planète tellurique d'une rotation synchrone.
Grâce à leur modèle, les planétologues peuvent en déduire un modèle de marée beaucoup plus réaliste, qui prédit l'existence de quatre états d'équilibre rotationnel asynchrones, dont deux sont stables. Ces deux  états d'équilibre stables sont atteints quand l'amplitude des marées thermiques dépasse un certain seuil, qui est rencontré pour les planètes telluriques habitables possédant une pression atmosphérique de 1 bar et tournent autour d'une étoile plus massive que 0,7 masse solaire. 
Cette limite baisse même jusqu'à 0,3 masse solaire si la pression atmosphérique vaut 10 bar.

Ainsi, de nombreuses planètes semblables à la Terre récemment découvertes, peuvent avoir une rotation asynchrone sur leur orbite, même si elles ne possèdent qu'une très mince atmosphère. C'est particulièrement le cas à la frontière externe des zones habitables où les planètes sont le plus souvent pourvues d'atmosphères de CO2 de plusieurs bar de pression atmosphérique. Les conséquences de cette trouvaille sont multiples. Une rotation synchrone signifie qu'un hémisphère reste constamment dans la nuit, au froid. Mais si la plupart des planètes sont finalement asynchrones, cela implique qu'elles seraient plus habitables que ce que l'on pouvait penser, toute la surface pouvant être éclairée dans un cycle diurne/nocturne.

D'un autre côté, les planétologues pensaient que la zone habitable pouvait s'étendre assez près d'une étoile si la planète était synchrone, gardant alors un hémisphère pas trop chaud même à proximité de l'étoile (celui qui reste à l'ombre). Mais s'il s'avère qu'elles sont plutôt asynchrones, donc ayant une alternance jour/nuit sur toute leur surface, elles en deviennent alors moins habitables, puisque les deux hémisphères subissent alors de très fortes températures périodiquement. L'effet de marée thermique qui empêche les planètes ayant une atmosphère de devenir synchrones dans leur révolution orbitale a donc pour conséquence de modifier l'étendue de la zone habitable, celle-ci s'éloignant de l'étoile.

Jérémy Leconte et ses collègues concluent leur article en proposant d'inverser le phénomène étudié et d'utiliser l'observation de la rotation des exoplanètes pour en déduire la présence et les caractéristiques d'une éventuelle atmosphère... Un bel exemple de résultat de modélisation mis au service de futures méthodes d'observation avancées.


Source : 
Asynchronous rotation of Earth-mass planets in the habitable zone of lower mass stars
J. Leconte et al.
Science Express (15 january 2015)

2 commentaires:

  1. MISSION SPATIALE SUR VENUS - CALCUL DE L'ACCELERATION DU VAISSEAU SPATIAL
    La NASA projette d’installer des ballons dirigeables sur Vénus, dans un futur à moyen terme, il faudra construire un Vaisseau Spatial pour transporter les hommes et les ballons.
    Considérons que le trajet supposé rectiligne entre la Terre et Vénus se décompose en 2 demi trajets de 21.250.000 km. Durant le premier le Vaisseau Spatial sera en Accélération Constante et durant le second en Décélération Constante.
    GAMMA(A) est l’Accélération du Vaisseau Spatial
    GAMMA(D) est la Décélération du Vaisseau Spatial
    D = 21.250.000.000 m
    Calcul de l’Accélération GAMMA(A) :
    GAMMA(A) = (Delta V)/(Delta T) c’est l’Accélération du Vaisseau Spatial
    Delta V = V(1) – V(0) avec V(0) = 30 km/s la vitesse initiale et V(1) = 500 000 km/h soit 5 fois la Vitesse Initiale V(0).
    V(1) – V(0) = (500.000.000 – 108.000.000)/3600 m/s soit 108888 m/s
    Delta T = T(1) – T(0) avec T(0) = 0 donc T(1) = 3 X 31 X 24 X 3600 secondes, on prend comme hypothèse : les 42.500.000 km sont parcourus en 6 mois.
    GAMMA(A) = 108888/(3 X 31 X 24 X 3600) = 0,0136 m/s² ce qui est trop faible, remplaçons les 3 mois par 1 mois et on obtient :
    GAMMA(A) = 108888/(1 X 31 X 24 X 3600) = 0,0407 m/s² pour rappel G l’accélération de la pesanteur terrestre = 9,81 m/s²
    Si on remplace les 1 mois par 15 jours alors GAMMA(A) = 0.0813m/s², soit 1/120ème de l’Accélération de la Pesanteur Terrestre..
    En phase Décélération GAMMA(D) = - GAMMA(A)
    Calcul du trajet le plus économique du point de vue du carburant, ça sera indéniablement le plus long du point de vue du temps (T) : Si V(1) = V(0) = 30 km/s = Constante tout le long du trajet, dans ce cas précis le consommation du carburant sera nulle en dehors du carburant nécessaire pour assurer la poussée des réacteurs pour échapper à l’Attraction Terrestre et pour assurer la poussée des rétrofusées pour décélérer le Vaisseau Spatial pour qu’il soit en orbite géostationnaire autour de Vénus à une distance à calculer par les Scientifiques et les Ingénieurs responsables du Projet.
    Pourquoi la Vitesse Initiale V(0) est égale à 30 km/s ? (Vitesse Orbitale)
    V(0) est engendrée par la rotation de la Terre autour du Soleil, cad V(0) est la Vitesse Tangentielle du Centre de Gravité de la Terre par rapport au Centre d’Inertie du Soleil. Pour effectuer les calculs avec un maximum de précision, ceux-ci seront fait dans un REPERE HELIOCENTRIQUE ayant pour point d’origine le Centre d’Inertie ou de Gravité du Soleil et ses 3 axes orthogonaux dirigés vers 3 étoiles fixes de l’Univers (étoiles situées dans des galaxies très éloignées de la VOIE LACTEE).
    Ce sont l'Accélération et la Décélération du Vaisseau Spatial qui génèrent la consommation en carburant, des Réacteurs Nucléaires à Fusion seront nécessaires pour équiper le Vaisseau Spatial et assurer la liaison Terre - Vénus en un minimum de temps Delta(T).
    Selon l'Accélération du Vaisseau Spatial choisie (0 ou 0.0136 ou 0.0407 ou 0.0813 m/s²), la Trajectoire sera différente et la distance parcourue entre la Terre et Mars sera différente de 42.500.000 km, il y aura lieu de recalculer le temps T(C) (temps corrigé) par rapport à l'Accélération retenue , Ainsi Delta(T) sera égale à T(C)..



    Alain Mocchetti
    Ingénieur en Construction Mécanique & en Automatismes
    Diplômé Bac + 5 Universitaire (1985)
    UFR Sciences de Metz
    alainmocchetti@sfr.fr
    alainmocchetti@gmail.com
    @AlainMocchetti

    RépondreSupprimer
  2. MISSION SPATIALE SUR VENUS - CALCUL DE LA POUSSEE DES REACTEURS
    1. Si les Réacteurs sont du type conventionnel et fonctionnent avec du carburant classique, qui est utilisé entre autre pour les fusées Ariane 5 et Ariane 6 à partir de 2020 pour cette dernière, les Réacteurs possèderont une Tuyère de Laval dont le profil sera calculé grâce aux 2 Principes de la Thermodynamique, le mélange Air Carburant sera assimilé à un Gaz Parfait Compressible, donc nous pouvons écrire les équations suivantes :
    - Pv = rT (1) avec P la pression du mélange qui est variable selon le point où nous nous plaçons le long de l’axe de la tuyère, v le volume massique du mélange air carburant, r la Constante Massique du Gaz Parfait utilisé pour la combustion du mélange, et T la Température du mélange exprimée en degrés Kelvin, soient T(K) et T(C), cette dernière étant exprimée en degrés Celcius, nous pouvons écrire la seconde équation ;
    - T(C) = T(K) - 273 (2)
    Premier Principe de la Thermodynamique :
    - dE + dK = &We + &Qe (3)
    E : Energie Interne
    K : Energie Cinétique
    &We : Travail échangé avec le Milieu Extérieur
    &Qe : Quantité de Chaleur échangée avec le Milieu Extérieur
    Deuxième Principe de la Thermodynamique :
    - &Qe + &We = TdS (4)
    S est l’Entropie du volume considéré de gaz (mélange) brûlé
    Autre hypothèse : l’évolution des gaz dans la tuyère est assimilée à une ISENTROPIQUE REVERSIBLE (pas de frottement et pas d’échange de chaleur dans la tuyère avec le milieu extérieur car la vitesse des gaz dans la tuyère est élevée).
    Calcul de la poussée du Réacteur Conventionnel :
    - P = QM X V avec QM = pSV (5)
    P est la poussée d’un Réacteur en Newtons,
    QM est le Débit Massique du mélange brulé à la sortie de la tuyère,
    V est la Vitesse du mélange brulé à la sortie de la Tuyère du Réacteur. La poussée du Réacteur sera maximale quand les gaz atteindront mach 1 au Col de la Tuyère,
    - P = pSV^2 (6) donc plus V est grande plus P est importante.
    Théorème de la Résultante Dynamique :
    - M(T) GAMMA(A) = P (7) avec GAMMA(A) l’Accélération Absolue du Vaisseau Spatial calculée dans un REPERE HELIOCENTRIQUE qui est un REPERE GALILEEN,
    - M(T) = M(VS) + M(C) + M(P) (8)
    M(T) : masse totale du Vaisseau Spatial carburant, personnels et voyageurs compris,
    M(VS) : masse du Vaisseau Spatial vide, cad sans carburant et sans personnel ni voyageur,
    M(P) : masse du personnel et des voyageurs,
    M(C) : masse du carburant dans la soute,
    Remarque : M(C) est variable par rapport au temps, à accélération constante le débit de carburant sera variable, car M(C) diminue avec le nombre kilomètres parcourus et a donc un impact direct sur la Poussée du Réacteur P, il faut asservir la Poussée P et la Vitesse V pour maintenir GAMMA(A) constante.
    La Trajectoire Rectiligne de la Terre jusqu’à Vénus est la Trajectoire Absolue du Vaisseau Spatial, La Trajectoire Relative ne nous intéresse pas.
    Le Vaisseau Spatial sera équipé de 4 Réacteurs de taille acceptable assurant chacun comme poussée P/4, un seul Réacteur aurait une trop grande taille.
    2. Si les Réacteurs sont du type à Fusion Nucléaire, alors les soutes à carburant permettront d’assurer le voyage aller et le voyage retour. Le principe de fonctionnement des Réacteurs à Fusion Nucléaire diffère complètement de celui des Réacteurs du type conventionnel, je rédigerai un pavé de texte spécial pour expliquer le Fonctionnement des Réacteurs à Fusion Nucléaire.

    Alain Mocchetti
    Ingénieur en Construction Mécanique & en Automatismes
    Diplômé Bac + 5 Universitaire (1985)
    UFR Sciences de Metz
    alainmocchetti@sfr.fr
    alainmocchetti@gmail.com
    @AlainMocchetti




    RépondreSupprimer

Merci !