Température d'équilibre

Définition

La température d'équilibre d'une planète est la température théorique de sa surface (si on suppose cette température uniforme) en l'absence d'atmosphère. C'est une grandeur théorique qui n'a pas vocation à être mesurée, contrairement à la température effective.

Bilan de rayonnement

La température d'équilibre se détermine à partir d'un simple bilan de rayonnement (visible et thermique). Cela revient à négliger les autres sources d'énergie que le rayonnement de l'étoile hôte (le Soleil pour la Terre par exemple) : géothermie, réactions chimiques ou nucléaires, transitions de phase, etc. Sont pris en compte :

• Rayonnement reçu Il s'agit du rayonnement en provenance de l'étoile hôte. Il n'arrive que sur la face éclairée de la planète (côté jour), avec une inclinaison variable.
• Rayonnement réfléchi C'est la part du rayonnement reçu par la planète qui est renvoyé vers l'espace. Le rapport entre la puissance reçue et la puissance réfléchie porte le nom d'albédo bolométrique.
• Rayonnement thermique Il est émis par la totalité de la surface planétaire (côtés jour et nuit) qui se comporte en excellente approximation comme un corps noir dans l'infrarouge thermique. Ce rayonnement dépend donc de la température de surface.

La température de surface influe ici sur le rayonnement thermique. Elle est égale à la température d'équilibre lorsque le bilan est équilibré, à savoir : Puissance lumineuse reçue = Puissance lumineuse réfléchie + Puissance rayonnée thermiquement, ce qui est équivalent à Puissance lumineuse absorbée = Puissance rayonnée thermiquement.

Détermination de la température d'équilibre

Bilan de puissance pour une planète sans atmosphère : le flux reçu de l'étoile équilibre la somme du flux réfléchi par la planète et du flux rayonné thermiquement (en rouge), qui dépend fortement de la température de la planète. Ce bilan peut donc servir à déterminer cette température, appelée température d'équilibre.

Crédit : Emmanuel Marcq

Influence des différents paramètres

• Taille de la planète Elle n'influe pas sur la température d'équilibre : les puissances reçues, réfléchies et rayonnées thermiquement varient toutes de façon proportionnelle à la surface de la planète, qui n'a donc pas d'influence sur la température d'équilibre.
• Puissance rayonnée par l'étoile Toutes choses égales par ailleurs, la température d'équilibre croît avec la puissance totale rayonnée par l'étoile (l'étoile pouvant être considérée comme un corps noir, cette puissance totale dépend de la température à la surface de l'étoile et du rayon de l'étoile).
• Distance entre l'étoile et la planète À puissance rayonnée par l'étoile donnée, une planète capte une proportion plus importante de ce rayonnement si elle se trouve à proximité de l'étoile, comme on pouvait s'y attendre.
• Albédo de la planète Un albédo élevé signifie que la planète absorbe une plus faible partie du rayonnement stellaire incident, ce qui tend à diminuer la température d'équilibre. Ainsi, la température d'équilibre de la Terre est plus élevée que celle de Vénus bien qu'elle reçoive environ deux fois moins de puissance solaire, car l'albédo de Vénus très élevé résulte en une puissance solaire absorbée moindre pour Vénus.