mise à jour : 30 mars 2019
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Application - Modèle de climat 1D

Auteur: Martin TURBET

Mini-Projet Habitabilité

Le but de ce projet est d'explorer les différents concepts de l'habitabilité présentés dans ce cours, en utilisant un modèle de climat interactif qui permet de simuler l'évolution accélérée du climat de planètes telluriques.

Le simulateur utilisé est une version 1-D du Modèle Global de Climat générique du Laboratoire de Météorologie Dynamique. Ce modèle est construit autour de nombreux processus physiques (radiatifs,thermodynamiques,hydrodynamiques, ...) qui permettent de représenter avec une bonne fidélité l'évolution du climat de planètes et exoplanètes. Ce simulateur 1-D assimile l'ensemble de la planète à une unique colonne atmosphérique composée de 25 niveaux s'étalant de 0 à 60km d'altitude. Il permet d'étudier des atmosphères de planètes composées d'un mélange variable de N_2,CO_2 et H_2O.

Lien vers le simulateur : Modèle 1D

Guide du simulateur

  1. Commencez d'abord par choisir les caractéristiques intrinsèques initiales de la planète que vous souhaitez construire : sa gravité, sa pression atmosphérique, et la quantité d'eau (épaisseur moyenne équivalente) souhaitée à la surface de la planète.
  2. Choisissez les paramètres "modifiables" de votre planète : le flux stellaire reçu à 1 Unité Astronomique (UA), la distance qui sépare votre planète de son étoile (en UA), l'excentricité de l'orbite, la période de l'orbite, la quantité de CO_2 dans l'atmosphère, et enfin le type spectral de l'étoile hôte.
  3. "Démarrer" pour débuter la simulation. Les paramètres dits "modifiables" peuvent être changés en cours de simulation, de manière interactive.
  4. En cas de pépin, vous pouvez simplement "Recommencer" une simulation.

Plusieurs outils de visualisation de l'évolution de l'atmosphère simulée vous sont proposés :

  • la température de surface (en degrés Kelvins).
  • le profil vertical des températures atmosphériques (en degrés Kelvins).
  • le profil vertical de vapeur d'eau (kg/kg d'air).
  • le flux solaire absorbé / le flux thermique émis vers l'espace par l'atmosphère.
  • le suivi de l'orbite de la planète.

Questions

Essai sur des planètes du Système Solaire

  1. Construisez une planète aux caractéristiques les plus similaires possibles à la Terre, puis estimez la température de surface moyenne obtenue avec le modèle.
  2. Même question pour Mars. (on pourra s'aider d'Internet pour chercher ses caractéristiques)
  3. Comparez ces valeurs avec les températures réellement mesurées sur ces deux planètes. Discutez.
  4. Comment s'assurer que le climat des planètes modélisées est bien équilibré ?

Limite intérieure de la Zone Habitable

  1. Multipliez par 4 le flux reçu par la Terre. Que se passe-t-il ?
  2. Qu'en est-il du profil de vapeur d'eau ? Discutez.
  3. Augmentez d'avantage encore le flux solaire reçu par la planète. Comment varient le flux solaire absorbé/le flux thermique émis vers l'espace à mesure que le flux solaire augmente ? Discutez.
  4. Trouvez la distance minimale jusqu'à laquelle une planète (orbitant autour d'une étoile solaire, Flux à 1UA égal à 1362 W/m2, et pour une gravité terrestre) peut garder de l'eau liquide à sa surface. Vous pouvez faire varier tous les paramètres à votre convenance, faites marcher votre imagination ! Une seule règle : le climat de la planète doit être équilibré.
  5. Comment varie cette distance autour d'étoiles moins massives. On pourra utiliser une étoile type M4 à 3000 Kelvins.
  6. Les planètes orbitant autour d'étoiles M (en particulier les plus proches) ont de forte chance d'être en rotation synchrone. Le modèle utilisé dans ce projet est-il adapté pour simuler de telles planètes ?

Limite extérieure de la Zone Habitable

Première expérience

  1. Coupez subitement le flux solaire reçu par la Terre. Que se passe-t-il ?
  2. Répétez l'experience, mais cette fois-ci, au bout de 200 jours, remettez le flux solaire initialement reçu par la Terre. Discutez.

Deuxième expérience

  1. Fabriquez à nouveau une planète Terre à l'aide du simulateur en remplaçant cette fois-ci le Soleil par une étoile moins massive de 3000 Kelvins. Quelle est la température de surface à l'équilibre ? Discutez.
  2. Trouvez la distance à laquelle la température de surface de cette planète est égale à celle de la Terre aujourd'hui, soit 288 Kelvins (15°C).
  3. Reprenez cette planète à la distance calculée ci-dessus, puis coupez subitement le flux stellaire reçu. Après 200 jours, remettez le flux stellaire comme il l'était initialement. Quelle différence y-a-t-il avec l'expérience précédente ? Discutez.

Troisième expérience

  1. Prenez une nouvelle fois la Terre. Trouvez la pression de surface et la composition atmosphérique qui maximisent la température de surface d'une telle planète. Discutez.
  2. Sur Terre, l'eau bout à 100°C au niveau de la mer. Jusqu'à quelle température l'eau liquide peut-elle être stable à la surface de la planète fabriquée ci-dessus ?
  3. Trouvez maintenant la distance maximale jusqu'à laquelle une planète tellurique orbitant autour d'une étoile solaire peut être habitable de classe I.
  4. Même question autour d'une étoile M de 3000 Kelvins. Discutez des différences.

Pour aller encore plus loin

  1. Etudiez l'impact de la gravité sur les bornes de la Zone Habitable que vous avez calculé dans les exercices précédents. Discutez.
  2. Placez maintenant la quantité d'eau liquide initiale à 0. Quelles sont les conséquences pour la Zone Habitable ? Faites l'expérience puis discutez.
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