SAF Planetologie Forget 9 Avr 2011



Mise à jour le 20 Avril 2011


CONFÉRENCE de François FORGET
Chargé de recherche CNRS Institut PSL Paris VI
"CLIMAT, EAU, VIE
LA TERRE EST-ELLE UNE EXCEPTION DANS L’UNIVERS ?"
Organisée par la SAF
Dans ses locaux, 3 rue Beethoven, Paris XVI

Le Samedi 9 AVRIL à 15H00 à l'occasion de la réunion de la Commission de Planétologie.

Photos : JPM pour l'ambiance. (les photos avec plus de résolution peuvent m'être demandées directement)
Les photos des slides sont de la présentation de l'auteur. Voir les crédits des autres photos si nécessaire
(François Forget a eu la gentillesse de nous donner sa présentation complète (en ppt) elle est disponible sur le site de la SAF et également disponible sur ma liaison ftp au téléchargement et s'appelle. forget-SAF-2011.pdf. elle est dans le dossier PLANETOLOGIE SAF de la saison 2010-2011, ).
Ceux qui n'ont pas les mots de passe doivent me contacter avant.




BREF COMPTE RENDU
CR succinct étant donné que la présentation de l’auteur est disponible en ligne.








François Forget est chargé de recherche du CNRS attaché à l'Institut Pierre Simon Laplace travaillant en coopération avec diverses Universités parisiennes.
Il est au LMD : laboratoire de météorologie dynamique.

Il est spécialisé dans les modèles climatiques martiens et est responsable du Mars Climate Data Base de l'ESA.


François Forget est un des auteurs de l'excellent ouvrage sur Mars , histoire d'un autre monde chez Belin avec ses compères F Costard et Ph Lognonné.


Aujourd’hui il nous parle d’un autre sujet que Mars, son thème de prédilection, un sujet beaucoup plus général sur le climat et la vie.





Notre Terre est une planète au climat stable et qui a possédé de l’eau liquide pendant presque toute son existence.
En effet, on a prouvé la présence d’eau liquide jusqu’à 4,2 milliards d’années (la Terre est vieille de 4,5 milliards d’années).
Elle a été propice à la vie et à son évolution.

La question se pose de savoir si il y a d’autres Terres ailleurs, d’autres planètes au climat propice à la vie , et où a-t-on le plus de chances d’en trouver ?

Il faut d’abord définir la vie.

À priori, notre définition, de la vie est la chimie du Carbone en solution dans de l’eau liquide, car l’eau est un excellent solvant.



Quels éléments doivent être réunis pour obtenir de l’eau liquide (voir courbe ci-contre et programme de classe de seconde !).

C’est déterminé par le diagramme de phase de l’eau.

Rappelons que :
Le point triple, c’est le point où les 3 phases existent en même temps. (0,006 atm 0,01°C)
Le point critique, c’est le point au-delà duquel, l’eau ne présente plus qu’une seule phase fluide. (218 atm 374°C)

Pour avoir de l’eau liquide, il faut être
· au dessus de ces 6mbar et
· au dessus de 0°C mais < 374°C






Pour détecter de la vie extraterrestre, il faut déjà être situé dans ce que l’on appelle la zone habitable, l’endroit du système stellaire où l’eau liquide peut exister à la surface de planètes.


En effet en fonction de la distance à l’étoile, la température chute et l’on passe d’une zone où l’eau est sous forme de vapeur, puis liquide puis uniquement sous forme de glace.








À partir de quelle distance d’une étoile, une planète est-elle entièrement gelée ?

Plus on s’éloigne de l’étoile, plus la température descend plus et il se forme de glace à la surface, mais cette glace augmente l’albédo de la planète, il se produit alors un emballement, la glaciation devient globale si on s’éloigne encore seulement d’une très faible distance.
Par exemple en ce qui concerne notre planète, la Terre, il suffirait qu’elle s’éloigne de 1 à 10% de son orbite actuelle, pour que la glaciation devienne globale à sa surface !

Mais au début de son histoire, la Terre, il y a 3,5 milliards d’années, était illuminée par notre jeune Soleil, qui était 25% plus faible qu’aujourd’hui ; c’était comme si la Terre était 16% plus éloignée que maintenant. Elle aurait dû être complètement glacée, et pourtant on sait qu’il existait à cette époque de l’eau liquide. Pourquoi ? par quel miracle ?



En fait, le climat s’est ajusté à la diminution du flux solaire. (erreur sur la diapo, lire diminution au lieu d’augmentation)., grâce au bénéfique effet de serre. C’est ce que l’on appelle le paradoxe du Soleil faible (en anglais : Early Faint Sun Paradox).
En effet, le Soleil émettant moins de lumière, la Terre devrait être couverte de glace. Mais on pense que les gaz à effet de serre (CO2) dus à la grande chaleur de la Terre primitive, ont compensé cette diminution d’intensité solaire.

On pense qu’il y a eu stabilisation du climat par le cycle carbonate silicate comme on le voit représenté sur cette diapo.
Le CO2 se dissout bien dans l’eau (devient carbonate), les carbonates se déposent au fond des océans. La tectonique des plaques fait passer ces carbonates sous les continents et ressortent recyclés par les volcans. Le cycle recommence.



Mais cette théorie possède peut être ses limites ; en effet, il semblerait qu’il y ait eu moins de CO2 et plus d’autres gaz à effet de serre comme le méthane. Le rôle des nuages semble aussi important. Bref on continue à améliorer ce modèle.



On peut se poser aussi la question de la limite extérieure de la zone habitable, en fait, la limite de l’effet de serre du CO2.

Les calculs basés sur la physique des gaz, donne le chiffre de 1,67UA.

Ceci nous conduit à étudier Mars.

Manifestement, Mars était propice à la vie il y a 4 milliards d’années (le flux solaire correspondant à 1,7UA) ; les photos récentes des dernières sondes martiennes sont sans ambiguïté.



Mars se trouvait donc à la limite extérieure de la zone de vie habitable. Un ajustement du climat comme pour la Terre aurait nécessité une tectonique des plaques; or celle-ci n’existe pas sur Mars. Ou plutôt, si l’on veut, il n’y aurait qu’une seule grosse plaque, sans fracture. Alors ?

Pourquoi la Terre et pourquoi pas Mars ?

C’est l‘énigme du climat martien primitif.

La Terre aurait peut être la bonne taille ? la tectonique des plaques ne serait pas possible sur des petites planètes (Mars est deux fois plus petite que la Terre).








Qu’est devenue l’atmosphère de Mars ?


Mars a perdu son atmosphère, par l’action d’un ensemble de facteurs (voir diapo), mais la cause principale c’est sa faible gravité due à sa masse insuffisante.










Mais alors Vénus ? Elle a la même taille que nous et n’a pas de tectonique de plaques !

Le manteau de Vénus est plus sec (pas d’eau à sa surface), sa viscosité est plus élevée et la lithosphère plus épaisse, donc probablement beaucoup plus difficile pour avoir une tectonique des plaques.


Et la limite intérieure de la zone habitable ?

Jusqu’où peut-on s’approcher d’une étoile comme le Soleil et rester dans la zone de vie ?

Il se produit là aussi un phénomène d’emballement : plus on s’approche, plus le flux augmente, plus T augmente plus il y a d’évaporation et plus il y a des gaz à effet de serre dans l’atmosphère et plus la température augmente etc….

Les océans vont bouillir si on s’approche de plus de 16% du Soleil !
Si on s’approche de seulement 5%, la haute atmosphère chauffe, l’eau liquide s’évapore dans l’espace en quelques centaines de milliers d’années.


Revenons à l’évolution de Vénus :

Le Soleil devient de plus en plus lumineux au cours du temps, il y a évaporation des éventuels océans dans l’espace, le cycle de l’eau ne s’effectue plus, le CO2 s’accumule dans l’atmosphère, pour arriver aujourd’hui à une pression de 90 bars au sol et plus de 400°C.

Ceci est bien arrivé sur notre sœur il y a quelques 800 millions d’années, date de la surface de cette planète.

La limite empirique à la zone habitable inférieure est approx. 0,75UA.



De tous ces commentaires on en déduit la zone de vie typique autour d’une étoile similaire au Soleil.


Mais il ne faut pas oublier les habitabilités autour de satellites des planètes géantes, ce qui nous conduit à définir 4 types d’habitabilité, comme on le voit sur la slide suivante.









Si les classes I et II sont assez évidentes, on peut rajouter dans la classe III, le satellite de Saturne, Encelade avec ses geysers d’eau glacée en provenance de son Pôle Sud.


Quant à Titan, le plus gros satellite de Saturne, on ne sait pas comment le classer.












D’après tout ce qui vient d’être dit, il semble que, pour la maintien dans le temps des conditions propices à la vie, il faille :
· Une tectonique des plaques
· Un champ magnétique
· Une Lune pour la stabilité du climat, comme sur Terre.


La recherche autour d’autres étoiles.



Diagramme représentant :

· En ordonnées : la masse de l ‘étoile par rapport à celle de notre Soleil.
· En abscisses : la distance d’éventuelles planètes en UA.
· En jaune la zone habitable dépendant des différentes catégories d’étoiles (A F G K M ….).
· La courbe en pointillé représentant la distance à laquelle les planètes sont synchronisées (comme par exemple la Lune par rapport à la Terre) par rapport à leurs étoiles. (action des forces de marée).

On remarquera que les étoiles de type M (les plus nombreuses et les plus petites) doivent avoir des planètes très près de leurs soleils si on veut qu’elles soient habitables et ce seront principalement des planètes synchronisées.






Depuis 1995, la recherche d’exoplanètes a fait un bond formidable. À ce jour plus de 500 d’entre elles ont été découvertes.

Que peut-on en déduire ?

Quelle fraction d’étoiles dotées de planètes ?
· Des planètes géantes ont été détectées autour de 5 à 10 % des étoiles de type solaire observées
· Mais de nombreuses étoiles se révèlent difficiles à observer des planètes géantes détectées autour de ~25% des étoiles
· Méthode peu sensible ! Rien n’interdit de penser que toutes les étoiles ont des planètes.

Les méthodes de détections actuelles favorisent la découverte de planètes géantes, pas trop loin de leur étoile
· Malgré cela les « petites » planètes géantes semblent plus nombreuses : de multiples planètes telluriques ??

Les orbites sont souvent très excentriques

On trouve beaucoup de planètes très près de leur soleil

Notre système solaire n'est donc pas "typique" de ce que l’on découvre!



Il semble aussi qu’il y ait eu migration des planètes géantes vers l’intérieur, et ceci dû aux interactions avec le disque planétaire.
C’est le modèle de Nice expliqué par A. Morbidelli par exemple.

Quelle seraient les conséquences d’une telle migration :
· Formation de planètes telluriques dans la zone habitable ?
· Migration de planètes riches en glace vers l’intérieur du système.
· Présence de planètes géantes dans la zone habitable. Satellites habitables ?

Un exemple avec Gliese 581.
En avril 2007, on découvre peut être une planète habitable dans le système de Gliese 581.



Le système solaire de Gliese 581 possède au moins trois planètes, et en concordance avec la numérotation actuelle, elles sont baptisées Gliese b,c et d, l’indice a étant réservé à l’étoile elle-même. Gliese 581 : naine brune type M froide.
Caractéristiques de 581 c :
5 Masses terrestres, orbite 13 j à 0,073UA
Caractéristiques de 581 d :
7 Masses terrestres, orbite 67 j à 0,25UA

Au début on a pensé que c’était Gliese 581 c (point rouge) qui était habitable ; mais en refaisant les calculs les astronomes pensent que c’est peut être la planète d (point gris) qui serait la plus habitable ; elle a une orbite excentrique (0,38) qui frôle la zone habitable et elle est probablement synchronisée.



Les modèles climatiques actuels permettent de penser que l’on pourrait rendre habitable 581 d.


Voir la présentation de F Forget pour plus de détails, étant donné que nous n’avons pas pu développer ce sujet longuement (nous approchions de la fin de la réunion).

En conclusion : les conditions climatiques propices à la vie sont-elles probables ailleurs ??

Deux façons de conclure :

· • Optimisme : Forte probabilité de planètes dans la « zone de vie »
· • Pessimisme : la Terre est peut-être exceptionnelle !
– Soleil stable, système solaire stable et assez atypique , etc...
– « Tectonique » des plaques (stabilité du climat et conservation de l’atmosphère)
– Présence de la Lune (stabilité)
· • Problème : Comment généraliser nos connaissances à tout l’univers ?

Progrès à venir en modélisation et observations, grâce à de nouvelles sondes spatiales comme ECHO ou TPF/Darwin.




POUR ALLER PLUS LOIN.

Variation globale du Climat, cours de Jussieu.

Le dossier exoplanètes sur votre site préféré.

Mars et son histoire : CR de la conférence de F Forget à la SAF.

Mars histoire d’un autre monde : CR de la conférence de F Forget aux RCE 2006.

La Terre une planète habitable et habitée.

Cours d’exobiologie par S Chaty du CEA.



Bon ciel à tous

Jean Pierre Martin SAF Commission de Planétologie
www.planetastronomy.com
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