Astronomie

Gradient de température dans les étoiles

Gradient de température dans les étoiles

C'est un fait bien connu que dans les étoiles, il existe un gradient de température. La raison observationnelle est que nous avons perçu des raies spectrales dans le spectre autrement continu d'une étoile. Si ce n'était pas le cas, et donc si la température était uniforme, alors l'absorption et l'émission s'annuleraient et on observerait un effet net qui se traduirait par un spectre continu. Maintenant ma question est : quelle est l'explication physique de ce gradient de température ?


Vous parlez des gradients de température dans l'atmosphère d'une étoile, c'est de là que proviennent les raies d'émission et d'absorption. C'est une affaire beaucoup plus compliquée que l'étoile elle-même.

La température d'une étoile doit augmenter de sa surface vers le bas.
Ceci est un simple résultat du fait que la structure stellaire est donnée par des gradients de pression équilibrant la force de gravité. On peut exprimer cela par la loi de l'équilibre hydrostatique
$$frac{partial P}{partial r} = -g(r) ho $$ ce qui est une assez bonne approximation de la réalité dans la plupart des cas.

Le gradient de pression se traduit alors par un gradient de température, car la pression provient du mouvement thermique des particules, formalisé comme la loi des gaz parfaits
$$ P = frac{ ho k_B T}{mu} $$.

Ainsi, partout où il y a une gravité non nulle et aucune autre force dans un milieu gazeux, il y aura des gradients de température.

Dans une atmosphère, les choses dépendent de l'efficacité du refroidissement du gaz. Dans des milieux très minces, comme la Terre ou toute planète/étoile, le refroidissement de l'exosphère est suffisamment inefficace pour faire disparaître les gradients de température.


L'équilibre des forces vous indique seulement que le pression doit diminuer vers l'extérieur, la cause de la diminution Température est la nature du transport de chaleur et l'exigence qu'il augmente l'entropie. Par conséquent, la chaleur est toujours transportée de T supérieur à T inférieur, et une étoile doit transporter de la chaleur vers l'extérieur car sa surface perd de la chaleur au profit de la froideur de l'espace. Cela nécessite que la température baisse à mesure que vous sortez, tant que vous ne faites que passer la même chaleur d'une couche à l'autre et que la thermodynamique du transport de chaleur régit la situation.

Il a été souligné que les atmosphères à faible densité des étoiles peuvent voir leur température augmenter avec l'altitude, comme le fait également la stratosphère terrestre, mais le transport d'énergie net est toujours vers l'extérieur. Pour éviter la diminution de l'entropie, cela nécessite que plus de chaleur soit déposée dans les couches chaudes qu'il n'en est extrait des couches plus froides en dessous, de sorte que la chaleur déversée dans l'atmosphère doit provenir d'un autre endroit que les couches froides. C'est ce qui ne peut pas arriver au plus profond de l'étoile - la chaleur n'obtient pas de "Free ride" pour passer certaines couches, elle passe d'une couche à l'autre, la même chaleur. Mais lorsqu'il existe des moyens de déverser la chaleur dans les couches supérieures sans l'extraire des couches inférieures plus froides, la température peut augmenter. (Dans la stratosphère terrestre, la chaleur supplémentaire provient de la lumière solaire absorbée par l'ozone, et dans la chromosphère du Soleil, la chaleur supplémentaire provient des champs magnétiques et des mouvements du plasma, qui traversent les couches inférieures sans être absorbées.)


Qu'est-ce qu'un gradient de température ? (avec photo)

Un gradient de température est la variation graduelle de la température avec la distance. La pente du gradient est cohérente au sein d'un matériau. Un gradient est établi chaque fois que deux matériaux à des températures différentes sont en contact physique l'un avec l'autre. Les unités de mesure des gradients de température sont les degrés par unité de distance, tels que °F par pouce ou °C par mètre.

De nombreux gradients de température existent naturellement, tandis que d'autres sont créés. Le plus grand gradient de température sur Terre est la Terre elle-même. La température du noyau terrestre est estimée à environ 9 000 °F (5 000 °C), elle est de 6 650 °F (3 700 °C) à la frontière entre le noyau et le manteau, tandis que la température de la croûte est d'environ 200 °F (93 °C C). Chaque couche a un gradient de température d'une pente différente, en fonction de la conductivité thermique de la couche.

Aucun gradient de température n'existe entre la Terre et le Soleil car il n'y a pas d'atmosphère entre eux. La capacité calorifique est la capacité d'un matériau à retenir la chaleur. Un vide a une capacité calorifique nulle.

La convection détruit un gradient thermique. En chauffant une casserole de sauce, le liquide le plus proche du brûleur devient le plus chaud. Lorsqu'il est agité, le liquide chaud se mélange au liquide plus froid, la chaleur se répartit uniformément et le gradient de température est annulé.

S'il n'est pas agité, le transfert de chaleur par convection entraînera la montée du liquide chaud et la chute du froid, et une certaine circulation se produira, bien qu'elle ne soit pas aussi efficace que l'agitation active. Au fil du temps, les forces de conduction transférant la chaleur du fond établiront un équilibre avec les forces de convection faisant circuler l'eau. Si la source de chaleur est faible, la circulation sera lente, un fort gradient de température peut exister et la sauce peut être brûlée au fond. Si la chaleur est élevée, la sauce bouillira, le transfert de chaleur par convection sera élevé et le gradient de température sera proche de zéro.

L'isolation est utilisée pour retarder le transfert de chaleur en plaçant un matériau à faible conductivité thermique à côté de la source de chaleur. L'isolation permet de maintenir le gradient thermique entre l'objet isolé et les conditions ambiantes. Le café restera plus chaud dans une tasse en mousse que dans une tasse en aluminium car la mousse conduit moins facilement la chaleur. De même, le buveur de café peut se brûler quelques doigts en ramassant la tasse en aluminium car le gradient thermique est proche de zéro et la température de l'extérieur de la tasse est presque la même que celle de l'intérieur de la tasse.

Pour être stable, un gradient thermique doit avoir une source de chaleur constante et un puits de chaleur disponible. Le maintien de gradients constants est rarement important, sauf lors de la conduite de réactions chimiques. De nombreux processus industriels nécessitent un contrôle minutieux de la chaleur. La cellule vivante doit également maintenir des contrôles de chaleur minutieux pour des performances optimales. Alors que les scientifiques comprennent comment le corps humain dans son ensemble maintient un gradient de température entre son noyau et le monde extérieur, les options disponibles pour les cellules individuelles sont moins claires.


2 réponses 2

Pour une planète qui a un gradient de température, chaude au centre et plus froide en surface, pourquoi voit-on des raies d'absorption ?

Le centre chaud envoie des photons dans le spectre du corps noir avec des énergies appropriées pour exciter les atomes froids de surface, de sorte que la courbe du corps noir aura des trous, où l'énergie des photons a été absorbée dans des molécules de surface excitantes.

De même, pourquoi voyons-nous des raies d'émission si la planète est chaude en surface et devient plus froide lorsque vous vous déplacez vers le centre ?

Le spectre du corps noir est un spectre continu d'excitations thermiques. Il existe cependant une probabilité qu'à partir de la queue à haute énergie du spectre d'énergie du corps noir, les électrons des atomes à la surface soient amenés à un niveau d'énergie plus élevé, puis se détendent à l'état fondamental en émettant la raie spécifique de cet atome.


J'essaie de comprendre pourquoi la convection est un mode efficace de transport d'énergie dans les couches externes de l'intérieur solaire.

Quelqu'un pourrait-il me donner un peu de connaissances?

Les détails dépendent de l'opacité, mais le phénomène de base peut être compris sans référence à ce qui se passe avec l'opacité (comme expliqué, par exemple, dans Kippenhahn et Wiegert, Stellar Structure and Evolution, p. 75). L'essentiel est, si l'on considère la structure intérieure, qu'elle supporte un taux de diffusion radiative qui détermine une luminosité que l'enveloppe de l'étoile devra simplement gérer d'une manière ou d'une autre. Une étoile de la séquence principale n'a rien de radicalement inhabituel dans son enveloppe, vous ne pouvez donc pas vraiment modifier beaucoup le rayon stellaire. Compte tenu de la luminosité et du rayon, la température de surface est plus ou moins transmise à l'enveloppe par la loi de Stefan-Boltzmann, donc l'enveloppe doit simplement gérer cela d'une manière ou d'une autre. Lorsque la température de surface remise à l'enveloppe est grande, il n'y a pas de problème, mais lorsqu'elle est plus faible, il y a un problème comme nous le verrons.

Maintenant, si vous supposez que l'enveloppe stellaire transporte la chaleur principalement par diffusion radiative, la structure de température imposée ne rencontre aucune difficulté particulière si la température de surface est autorisée à être assez élevée (disons au-dessus d'environ 10 000 K lorsque vous mettez dans les détails de l'opacité). Au-dessus de cette température, il s'avère que la structure de l'enveloppe est assez insensible à cette température, et l'enveloppe diffuse joyeusement la luminosité requise car l'énergie radiative se diffuse facilement lorsque la température est élevée. (C'est une conséquence du fait que la densité d'énergie reste élevée si la température reste élevée, vous n'avez donc pas besoin de beaucoup de vitesse de diffusion pour sortir la luminosité.) Cependant, si votre exigence est que la surface température bien inférieure à 10 000 K, alors vous avez un sérieux problème, car à ces basses températures, l'énergie radiative ne se diffuse pas facilement - elle nécessite une vitesse de diffusion élevée car la densité d'énergie, qui s'échelonne comme T^4, est si faible. En fait, vous avez besoin d'un gradient de température plus important que celui stable à la convection afin d'obtenir la luminosité. Ainsi, l'étoile trouve un mode différent pour transporter la chaleur, elle devient instable par convection et déplace les colis chauds de gaz vers le haut au lieu de diffuser le rayonnement. Cela réduit également le gradient de température à quelque chose qui empêche la température d'atteindre zéro avant d'atteindre la surface de l'étoile (un problème que pose la diffusion radiative lorsqu'elle devient inefficace à T inférieure).


Convection vs rayonnement au stade géant des étoiles

L'affirmation est trompeuse car la logique est essentiellement rétrograde - elle semble prétendre que les géantes rouges sont plus lumineuses que les naines parce qu'elles sont convectives, mais en fait elles sont convectives parce qu'elles sont plus lumineuses. Ainsi, la convection ne détermine pas la luminosité d'une géante rouge, mais les géantes rouges sont convectives car leur luminosité a été déterminée comme étant si élevée que la diffusion radiative ne peut pas la transporter, elle doit être transportée par convection. De plus, la convection n'a pas une efficacité particulière pour transporter la chaleur, elle peut transporter de la chaleur avec une large gamme d'efficacités possibles, quoi qu'elle ait à faire compte tenu de l'autre physique qui règle réellement la luminosité. Il y a une efficacité maximale possible, c'est-à-dire lorsque le gaz convection à la vitesse du son, mais peu d'étoiles ont besoin d'être aussi convectives sur tout leur intérieur, elles ne sont tout simplement pas aussi lumineuses. Le rayonnement, d'un autre côté, est limité par la vitesse à laquelle la lumière peut diffuser, ce que vous pourriez penser serait très rapide compte tenu de la vitesse de la lumière, mais la vitesse de diffusion prend la vitesse de la lumière et la divise par l'optique profondeur, donc lorsque la profondeur optique est énorme, la diffusion peut prendre beaucoup de temps.

Mais la convection a un problème - elle ne se produit que lorsque le gradient de température est suffisamment élevé pour que la flottabilité puisse produire un "effet de retournement" instable, l'effet "d'ébullition roulante" que vous voyez dans le gaz de convection. Si le gradient de température n'est pas assez raide, la convection ne se produira pas et le rayonnement portera la luminosité de l'étoile. C'est là que la température de surface un peu au-dessus de 2500 K entre en jeu - quand vous avez cela, vous obtenez un type spécial d'opacité où l'hydrogène neutre capte un deuxième électron lié, ce qui crée l'ion "H moins", qui est assez bon pour absorber la lumière ( l'électron supplémentaire est très faiblement lié et facile à éliminer de l'ion par capture de photons). Cette opacité "gonfle" le rayonnement et aide à imposer un gradient de température suffisamment raide où vous obtiendrez la convection. Des températures de surface inférieures pour un gaz parfait seraient instables - des augmentations de T créeraient plus d'opacité moins H, ce qui absorberait plus de lumière et augmenterait la température. (Vous pouvez obtenir des températures de surface plus basses dans les matériaux dégénérés, comme les naines brunes et les planètes.)

Maintenant, bien que la convection ait une limite supérieure plus élevée sur la quantité de luminosité qu'elle peut transporter, elle ne définit jamais la luminosité de l'étoile, elle transporte simplement la luminosité qu'un autre processus dans l'étoile lui dit de transporter. Cet "autre processus" peut être de deux types : extérieur-intérieur, où les couches superficielles de l'étoile déterminent la luminosité et l'intérieur fournit simplement cette luminosité (par convection), ou intérieur-extérieur, où un moteur interne détermine la luminosité et la convection transporte cela, et la surface doit juste faire face à quoi que ce soit. Le cas extérieur-intérieur est celui où vous avez une protoétoile qui se forme pour la première fois, qui a une histoire qui détermine son rayon. Comme mentionné, la température de surface sera toujours supérieure à 2500 K, généralement plus à environ 4000 K en fait, donc si nous prenons la température de surface comme connue, nous pouvons déterminer la luminosité à partir du rayon de la protoétoile. Le rayon est défini par l'historique du stade de contraction dans lequel se trouve actuellement l'étoile, c'est donc la luminosité "extérieur-intérieur".

Mais vous parlez des géantes rouges, dont la luminosité est déterminée d'une manière complètement différente, elles sont "à l'envers". Leur luminosité est déterminée par le fait qu'elles contiennent en leur centre une boule de gaz dégénéré, ce qui ressemble beaucoup à une petite naine blanche vivant à l'intérieur d'une boule géante de gaz parfait lié gravitationnellement. C'est une structure très spéciale, et cela donne à l'étoile essentiellement trois pièces différentes - la naine blanche au centre a une masse qui est contrôlée par l'histoire de l'ajout de "quotash" brûlés nucléaires à la naine blanche, et qui augmente avec le temps. Son rayon est défini par la physique de la dégénérescence. Ensuite, vous avez une couche au-dessus de cette naine blanche qui est un gaz idéal, mais sa température est définie par la gravité de la naine blanche (via ce qu'on appelle le théorème du viriel). Cette température devient très élevée à mesure que la masse de la naine blanche augmente, et en effet elle est suffisamment élevée pour avoir une fusion. Le taux de fusion dans cette couche est le moteur interne qui définit la luminosité de la géante rouge, et il augmente avec le temps simplement parce que la masse de la naine blanche augmente avec le temps, donc la température augmente - et la fusion aime les températures élevées.

Puis nous arrivons enfin à l'enveloppe convective, le troisième morceau de la géante rouge. C'est un lecteur plutôt passif, il porte juste la luminosité définie par ce moteur interne sans avoir essentiellement aucun effet sur ce moteur. Elle doit beaucoup gonfler pour descendre aux températures fraîches nécessaires pour avoir H moins l'opacité, et c'est pourquoi l'étoile est une "géante" (et rappelez-vous que la luminosité doit être portée à la surface par la température de surface à la quatrième puissance fois la puissance rayon au carré, donc si la température de surface doit être basse pour obtenir l'instabilité convective, le rayon doit être énorme). Nous devrions donc dire que le rayonnement est trop lent pour transporter l'énorme luminosité générée par le moteur central, et la convection apparaîtra et peut transporter presque n'importe quelle luminosité dont elle a besoin, mais cette convection ne contraint que la température de surface - la luminosité est définie par le physique de la fusion (contrairement aux étoiles de la séquence principale, dont la luminosité est fixée par diffusion radiative), mais c'est une autre histoire). Ensuite, la luminosité et la surface T se réunissent pour déterminer le rayon, et il sort très grand - d'où une géante rouge.


Disséquer les mauvais modèles - Paradoxe du gradient de température solaire par Michael Gmirkin

Au fil du temps, les théories ont tendance à cesser d'être considérées comme théorique et commencent à être considérés comme inattaquables, incontestables fait. Cependant, des fondements incontestables hypothèses sera un jour la chute de la science.

L'une de ces théories (qui s'est solidifiée en un « fait » rarement remis en question) est le modèle thermonucléaire du soleil. Dans ce modèle, une étoile est une boule de gaz si massive qu'elle s'écrase sous son propre poids et commence à subir des réactions de fusion dans son noyau.

Ce modèle remonte en grande partie à Sir Arthur Eddington, un éminent astrophysicien britannique du début du 20 e siècle.

Un critique méfiant pourrait souligner que, selon Karl Popper, il suffit de une « objection fatale » fondée à falsifier un modèle.

Est le observable profil de température du soleil en contradiction avec le théoriquement attendu profil de température ? Si oui, cela constitue-t-il une contradiction directe et donc une falsification de la théorie stellaire existante ?

En termes simples, le modèle thermonucléaire des étoiles proposé par Eddington, et al nécessite une fusion nucléaire au cœur de l'étoile. Cette fusion libère de l'énergie, génère des températures extraordinairement élevées et équilibre ainsi thermiquement les gaz d'une étoile contre l'effondrement dû à l'auto-gravitation, en théorie.

Ainsi, les astrophysiciens attendent actuellement du Soleil :

Mais fais du monde réel simple observations sauvegarder le grandiose théories en vogue actuellement ?

Ils ne pas.

Laissant de côté tous les modèles spécifiques d'autrefois, laissez-nous objectivement observer ce que nous pouvons du profil de température de l'atmosphère solaire.

Les taches solaires sont produites lorsque de vastes champs magnétiques traversent la surface du soleil, repoussant la couche supérieure du corps solaire (la photosphère), exposant l'intérieur solaire plus froid (donc plus sombre).

(« Plus froid » est un terme impropre, rien sur le soleil ne peut être qualifié de « refroidisseur ». Mais par rapport à la température photophérique d'environ 6 000 Kelvin, un intérieur de tache solaire peut être aussi bas que 3 000 Kelvin.)

Pourquoi les taches solaires devraient révéler un intérieur du soleil plus sombre et "plus frais", alors que l'intérieur du soleil est censé être plus chaud que la surface (à cause du four thermonucléaire générant des températures extrêmes qui devraient diffuser vers l'extérieur), est un mystère.

Si les taches solaires ouvrent un trou vers un niveau plus profond du soleil et que les niveaux plus profonds sont censés être plus chauds, les taches solaires ne devraient-elles pas être plus lumineuses et plus chaudes que la photosphère environnante ?

Le fait que les taches solaires exposent un intérieur plus sombre et plus frais semble démentir le soleil thermonucléaire.

Franchement, le observable températures de l'atmosphère solaire inverser le profil de température théoriquement attendu du soleil. Alors que le modèle thermonucléaire du soleil s'attend à une fusion dans le noyau (extrêmement chaud) et à un gradient de température fortement décroissant s'étendant vers l'extérieur, les observations montrent précisément le contraire ! le couche la plus externe du soleil (directement observable) est le le plus chaud, tandis que le Couche la plus interne du soleil (là encore, directement observable) est le le plus cool.

On se demande si Sir Arthur Eddington aurait spéculé sur le modèle thermonucléaire des étoiles si des observations modernes des températures dans l'atmosphère solaire avaient été disponibles à son époque.

le observable profil de température, juxtaposé au théorique querelles du modèle thermonucléaire du Soleil et des étoiles conduit à un paradoxe des proportions thermodynamiques !

C'est-à-dire que les observations du monde réel montrent que l'atmosphère solaire est la plus chaude à l'extérieur et la plus froide à l'intérieur. Le soleil thermonucléaire devrait être le plus chaud à l'intérieur et le plus frais à l'extérieur, en théorie. Si les deux modèles se superposent, on arrive à un état contradictoire avec un cœur chaud et une couronne chaude et un minimum de température au niveau de la photosphère (ou éventuellement juste en dessous). Cela semble être précisément la situation difficile dans laquelle les astrophysiciens se trouvent embourbés.

Comment maintenir un tel minimum de température entre deux régions extraordinairement chaudes ? La chaleur ne devrait-elle pas diffuser des deux régions chaudes adjacentes dans la région froide, la réchauffant ainsi jusqu'à ce qu'elle disparaisse complètement ?

C'est précisément cette question qui a été soulevée par l'ingénieur électricien Ralph Juergens en 1972 :

À ce jour, il ne semble pas y avoir de bonne réponse quant à la raison pour laquelle un minimum de température aussi contradictoire devrait exister, et encore moins persister, sous un modèle thermonucléaire du soleil. Son existence même semblerait être une donnée falsifiante pour le modèle thermonucléaire qui l'a engendré.

Revenant à Sir Arthur Eddington, il a une fois encadré le débat sur la constitution des étoiles ainsi :

Sir Arthur Eddington a choisi la première voie, estimant que les étoiles abritent en interne la grande majorité de l'énergie qu'elles dépensent au cours de leur vie. Il a rejeté, apparemment sans préjugé ni réflexion approfondie, l'alternative.

Comme pour répondre à Eddington, la citation de Ralph Juergens (ci-dessus) se poursuit ainsi :

Peut-être qu'Eddington a emprunté le chemin du jardin en conjecturant le four thermonucléaire interne comme celui qui fait briller les étoiles. Est-il possible que &ldquosome un rayonnement subtil traversant l'espace, que les étoiles captent», soit responsable de les maintenir allumées à la place ?

Repenser la source d'énergie pour le soleil et les étoiles peut finir par avoir des implications de grande envergure pour l'astronomie et la cosmologie. Il est peut-être temps de repenser certaines hypothèses fondamentales sous-jacentes aux théories astrophysiques modernes et de voir ce qui se dégage à la lumière des observations actuelles.


Gradient de température dans les étoiles - Astronomie

  1. radiation---les photons (paquets d'énergie) s'échappent en dispersant des particules de gaz. La nature préfère ainsi.
  2. conduction---les atomes en mouvement rapide entrent en collision avec d'autres atomes leur conférant une partie de leur mouvement. Ceci est utilisé par des métaux comme le cuivre ou l'aluminium pour transférer la chaleur (par exemple, de l'élément de votre cuisinière à la nourriture), mais il n'est pas utilisé par un gaz car les molécules de gaz sont si éloignées les unes des autres. Le processus de conduction est trop inefficace dans un gaz pour qu'on s'en soucie. (C'est pourquoi vous pouvez mettre votre main dans votre four pendant que quelque chose cuit et ne pas vous brûler immédiatement la main si elle ne touche rien, en particulier les côtés et la grille en métal.)
  3. convection--- de gros morceaux du cycle de l'atmosphère entre les régions froides et les régions chaudes. L'air chaud en dessous se dilate et sa densité diminue donc il monte. L'air plus frais et plus dense tombe et déplace l'air chaud. Lorsqu'une bulle chaude monte, elle se refroidit en cédant son énergie thermique à l'environnement frais. Le gaz va alors tomber et se réchauffer lorsqu'il entre en contact avec la surface ou l'intérieur chaud.

En plus de transporter l'énergie vers l'espace, la convection distribue également la chaleur de l'autre côté la planète, des régions équatoriales chaudes éclairées par le jour aux latitudes plus froides plus proches des pôles et du côté nocturne de la planète. L'air chaud des régions équatoriales s'élève et l'air plus frais provenant d'autres parties de la planète traverse la surface vers l'équateur pour remplacer l'air ascendant. Tous les vents dans l'atmosphère d'une planète sont dus à des processus convectifs. Si la planète tourne assez rapidement, le mouvement de l'air peut être dévié latéralement par le effet de Coriolis (voir aussi la section Galileo dans le chapitre historique).

Si une poche d'air du pôle se déplace vers l'équateur sans changer de direction, la Terre tournera en dessous. Le paquet d'air a un mouvement latéral égal à la vitesse de rotation au pôle, mais les parties de la surface de la Terre les plus proches de l'équateur ont une vitesse de rotation plus élevée car elles sont plus éloignées de l'axe de rotation. Pour un observateur au sol, le chemin semble dévié vers l'ouest. L'effet Coriolis sur un corps sphérique est en fait un peu plus compliqué que la simple déviation est ou ouest décrite ci-dessus, mais un traitement plus complet de l'effet Coriolis nécessite une physique de niveau supérieur au-delà de la portée de ce manuel. Pour nos besoins, il suffit de dire que les objets seront déviés vers la droite dans l'hémisphère nord et vers la gauche dans l'hémisphère sud, même pour les objets voyageant plein est ou plein ouest. Les déviations de Coriolis produisent les motifs en spirale des tempêtes cycloniques (les vents tournent vers l'intérieur dans le sens antihoraire dans l'hémisphère nord et dans le sens horaire dans l'hémisphère sud) et le flux d'air s'éloignant des régions de haute pression (les vents tournent dans le sens horaire dans l'hémisphère nord et l'hémisphère sud).

Quelques belles animations de la circulation de l'air autour des régions de basse et haute pression sont disponibles sur le site de la Terre visible de la NASA : animation de circulation à basse pression -- animation de circulation à haute pression.

La rotation rapide d'une planète compliquera également le flux convectif d'énergie de l'équateur chaud vers les pôles froids. Sur une planète avec peu ou pas de rotation (Vénus, par exemple), la circulation de l'air est très simple : l'air chaud monte le long de l'équateur, s'écoule à haute altitude vers les pôles, et près de la surface revient vers l'équateur. Sur une planète à rotation rapide (la Terre ou les planètes joviennes par exemple), les vents de surface des pôles sont déviés en tourbillons à grande échelle avec des ceintures de vent et de calme. À haute altitude, des bandes étroites de vents à grande vitesse appelées courants-jets se forment et ils jouent un rôle important sur la météo de surface. Les masses terrestres qui s'élèvent dans le flux d'air perturbent la circulation en spirale et offrent aux tempêtes un endroit pour dépenser leur énergie.

Les planètes joviennes en rotation rapide ont des effets de Coriolis beaucoup plus importants. Les jets puissants et étroits dévient les nuages ​​en ceintures se déplaçant parallèlement aux équateurs de la planète. Les vents dans une ceinture se déplacent dans la direction opposée de la ceinture voisine. De gros tourbillons peuvent se former à cause de l'interaction des courroies. Un grand vortex peut durer des décennies, voire des siècles ou plus, car les planètes joviennes n'ont pas de surface solide pour que les tempêtes dépensent leur énergie. La grande tache rouge de Jupiter est un exemple de grand vortex. Deux fois plus grande que la Terre, elle a au moins 400 ans.


Image du vaisseau spatial Voyager avec l'aimable autorisation de la NASA

Pour la plupart des planètes, le Soleil fournit l'énergie nécessaire pour maintenir la température (et la température de surface pour les planètes telluriques) et pour entraîner les mouvements convectifs de l'atmosphère. Mais Jupiter, Saturne et Neptune génèrent plus de deux fois plus de chaleur qu'ils n'en reçoivent du Soleil. La majeure partie de cette énergie est la chaleur résiduelle de la formation des planètes il y a 4,6 milliards d'années. En tant que matériau collecté sur les planètes en formation, il s'est réchauffé lorsque de l'énergie a été libérée par le matériau tombant dans le champ de gravité de la planète. Toutes les planètes étaient suffisamment chaudes pour être liquides. Les matériaux plus lourds et plus denses (comme le fer et le nickel) se sont séparés des matériaux plus légers (comme le silicium, l'hydrogène et l'hélium) et sont tombés vers les noyaux de la planète. Le processus appelé différenciation libéré plus d'énergie gravitationnelle et réchauffé davantage les planètes. En raison de leur grande taille, les planètes joviennes conservent encore une grande partie de leur chaleur de formation initiale et cette énergie est responsable des motifs spectaculaires des nuages. Dans le cas de Saturne, le processus de différenciation peut encore se poursuivre car l'hélium à l'intérieur se sépare de l'hydrogène et coule vers le noyau, une "pluie d'hélium". La pluie d'hélium est probablement la raison pour laquelle il y a un plus petit pourcentage d'hélium dans l'atmosphère de Saturne que dans l'atmosphère de Jupiter.

L'atmosphère beaucoup plus fade d'Uranus est le résultat de sa plus faible émission de chaleur. La majeure partie de la chaleur à l'intérieur de la Terre et de Vénus, beaucoup plus petite, est produite à partir de la radioactivité dans le matériau rocheux (en fait, le chauffage radioactif plus élevé il y a longtemps a peut-être été nécessaire pour que les planètes terrestres subissent une différenciation). Cependant, la chaleur de l'intérieur de Vénus et de la Terre a peu ou pas d'effet sur leur atmosphère car la croûte est un si mauvais conducteur de chaleur (bien que la convection à l'intérieur soit responsable des processus géologiques observés à leur surface). L'énergie solaire est ce qui détermine leurs températures de surface et leur climat.

Les atmosphères modèrent la chaleur perdue dans l'espace la nuit et protègent la surface de la planète des rayonnements énergétiques tels que les ultraviolets solaires et les rayons X et les particules chargées à grande vitesse du vent solaire et de la plupart des rayons cosmiques (particules de très haute énergie provenant de l'espace, principalement des protons). La planète Mercure n'a quasiment pas d'atmosphère et il y a donc une différence de plusieurs centaines de degrés entre les endroits à l'ombre et les zones ensoleillées ! La planète Mars a une atmosphère très mince, elle subit donc une chute de température de plus de 100 degrés à la tombée de la nuit. Les humains atterrissant sur la surface martienne devront faire face au froid extrême de la nuit et devront se protéger du rayonnement solaire nocif pendant la journée. L'atmosphère terrestre est suffisamment épaisse pour que la différence de température entre la nuit et le jour soit au plus de quelques dizaines de degrés. Notre atmosphère bloque également la lumière à haute énergie comme les rayons UV et X et les particules du vent solaire. Certaines particules de rayons cosmiques ont une énergie suffisamment élevée pour pénétrer dans l'atmosphère et même sur plusieurs mètres de roche ! Si un rayon cosmique frappe l'ADN dans les cellules, la structure de l'ADN peut être altérée. Les rayons cosmiques sont responsables de certaines des mutations génétiques de la vie.


Acoustique, Dr William Robertson

Aperçu: Simulations et expériences informatiques sur la bande interdite acoustique et les métamatériaux acoustiques.

Activités: Mesures acoustiques expérimentales utilisant la technique de réponse impulsionnelle. Les expériences explorent généralement des systèmes en réseau de résonateurs conçus pour manipuler les propriétés de propagation des ondes sonores, notamment une transmission acoustique extraordinaire, une lentille acoustique et la réalisation de vitesses de groupe acoustiques rapides et lentes. Les expériences sont conçues et interprétées à l'aide de simulations informatiques dans MATLAB et COMSOL.

Niveau minimum d'étudiant : Inscrit en physique moderne. Expérience en programmation un plus.


Modèle II

Dans ce modèle, il y a création de chaleur dans la matière stellaire. Il existe un équilibre entre les forces dues à la gravitation et au gradient de pression et la loi des gaz parfaits est supposée s'appliquer comme dans le modèle I mais la température n'est pas uniforme. Les conditions d'état stable nécessitent que la chaleur créée à l'intérieur de l'étoile soit transférée à la surface, ce qui nécessite un gradient de température radial.

L'énergie thermique traversant une surface est proportionnelle à la surface multipliée par le gradient de température. Le facteur de proportionnalité est négatif car la chaleur est transférée dans le sens où la température diminue. Le débit net sortant d'un volume infinitésimal est donc proportionnel à la divergence du gradient de température. Mais pour des conditions de régime permanent, ce débit net doit être égal à la chaleur générée dans le volume infinitésimal. Ainsi

C&rho - D&nabla 2 T = 0

où c est le taux de production de chaleur par unité de masse et D est le coefficient de conduction thermique. Comme dans le modèle I, &rho et T représentent la masse volumique et la température du matériau de l'étoile. Cette équation est de la forme d'une équation de Poisson. Le laplacien de T, &nabla 2 T, pour les coordonnées sphériques lorsqu'il y a symétrie sphérique est :

&nabla 2 T = (1/r 2 )&part(r 2 &partT/&partr)/&partr).

La version complète du modèle II est :

GM(r)/r 2 = (1/&rho)&partp/&partr M(r) = &int0 r 4&pi&rho(s)s 2 ds p = &rhorRT (1/r 2 )&part(r 2 &partT/&partr)/&partr) = (c/D)&rho

Cette dernière équation peut être mise sous la forme

&part(r 2 &partT/&partr)/&partr) = (c/4&piD)&rho4&pir 2

qui lors de l'intégration par rapport à la variable de rayon donne

R 2 (&partT/&partr) = (c/4&piD)&int0 r &rho4&pis 2 ds = (c/4&piD)M(r)

M(r)/r 2 = (c/4&piD)(&partT/&partr) ET M(r)/r 2 = (1/G)(1/&rho)(&partp/&partr) donc (Gc/(4&piD))&partT/&partr = (1/&rho)(&partp/&partr)

Depuis l'équation des gaz parfaits

&partp/&partr = RT&part&rho/&partr + R&rho&partT/&partr et donc (1/&rho)(&partp/&partr) = RT(1/&rho)(&part&rho/&partr) + R&partT/&partr il s'ensuit que &gamma&partT/&partr = RT(1/&rho)(&part&rho/&partr) + R(&partT/&partr) Et ainsi (&gamma-1)(1/T)&partT/&partr = (1/&rho)&part&rho/&partr

This last equation above implies that

&rho/&rho0 = (T/T0) &gamma-1

where &rho0 et T0 represents a standardized density and temperature.

Because from the ideal gas equation

(p/p0) = (&rho/&rho0)(T/T0) it follows that (p/p0) = (T/T0) &gamma

The temperature profile is determined thus from the Poisson equation

&nabla 2 T = CT &gamma


Temperature gradient in stars - Astronomy

Mirages: Can Mirages Explain UFO Reports?

From (http://www.bufora.org.uk/archive/mirages.htm) on April 29, 2002.

What are mirages and how do they appear?

A mirage is usually defined as a phenomenon where light is reflected from a shallow layer of very hot air in contact with the ground, the appearance being that of pools of water in which inverted images of more distant objects are seen. This is the inferior mirage, which occurs where a very hot plane surface, such as a desert or a roadway, heats a layer of air very close to it. The temperature gradient in the thermocline (the region of rapidly changing temperature) between this hot layer and cooler air above it is so steep as to constitute a discontinuity. This discontinuity acts as a mirror (or caustic) for light striking it above a critical (large) angle to the normal. In this way one can see distant objects such as the sky or vehicles reflected in the surface.

How can this explain UFO reports? It is not well known that these discontinuities can form in the upper air as the result of a temperature inversion - that is where a layer of warm air lies over cold air. Temperature inversions form almost every clear night when the ground cools by radiation more rapidly than the air above. Strong inversions are more likely to form a discontinuity and lead to mirages. These are called superior mirages, that is a mirage seen above the source or object being reflected (see Figure 1). In this way an inverted image of some bright but distant source may be seen in the sky. The definition of a superior mirage needs to be extended to cover one or more displaced images of a very distant but bright light source, usually distorted and brightened. Naturally this must be considered a major alternative to the ETH and a strong contender for explaining UFO reports. Figure 1: How the rays from a source (S) are reflected by the caustic in the thermocline of a temperature inversion if they strike it at or above the critical angle (c). Ray 4 enters at below the critical angle and so penetrates the caustic and undergoes normal gradual refraction.

Where the source is already in the sky, for example, an astronomical object, the image may be elevated, considerably so where the thermocline is curved. Non?horizontal thermoclines may displace the image laterally, and moving thermoclines may produce a moving image. Because an inversion forms in a fluid (air), the image can take various shapes and alter its shape with time. Consequently superior mirages can be unusual and protean.

Not all mirages are reflections some are caused by abnormal refraction. If a temperature inversion forms over a very wide area, say over a cold ocean or ice field, and the temperature gradient is strong enough, light can be ducted around the curvature of the Earth, so allowing one to see an image of an astronomical object that is actually below the horizon. This is the 'Novaya Zemlya' mirage. The light in such a mirage can be ducted for hundreds of kilometres and the image may be distorted. It may also change shape and/or colour and be very bright. Light striking the discontinuity below a critical (large) angle to the normal, will not be reflected, but will pass through it and be refracted (Figure 1). An observer above the thermocline may then see a bright source elevated above its normal position.

Mirage images can consist of double images, with an upright image above the inverted one. This may be due to light penetrating the thermocline and being bent back down towards the observer (as shown in Figure 1). Where the thermocline is low over the source, the separation of the two images will be large. However, as the height of the thermocline increases, the two images can merge, making it difficult to recognize the image (see Figure 2). There is some reason to believe that each mirage image can split in the plane of the inversion, creating two separate images if this occurs when there are already two images, the result will be four images of the same object!

Figure 2: One means by which the twin images of a mirage can be formed. Image Y1 is formed by reflection from the discontinuity in the thermocline (T) of the inversion. At P reflection ceases because the critical angle is not exceeded and the observer sees a refracted (upright) image (Y2). It can be seen that, as the height between the object (X) and the inversion increases, the two images will merge, eventually disappearing. Conversely, as the height decreases, Y1 and Y2 separate. If T is very shallow, Y2 will not appear. Drawn with exaggerated vertical scale for clarity.

Mirage images can be greatly enlarged and/or distorted by atmospheric lens effects: the more distant the object, the greater the magnification (because of the greater size of the atmospheric lens). Sources outside the atmosphere may be subject to the greatest magnification among these, the commonest are astronomical sources. It may be expected therefore that the largest and most common mirages will be those of astronomical objects at low altitude. Magnification also increases as the source aligns with the thermocline. This means that, as the disc of an astronomical object approaches the thermocline, the two images enlarge and merge until they form a classic 'flying saucer' shape (see Figure 3). The two images may not always be the same size. Figure 3: A diagram showing how the two images of an astronomical body in a mirage can appear with different separation. As the images merge and enlarge, they form a classic 'flying saucer'.

Some mirage images of astronomical objects may display clusters of lights, perhaps multiple images of the object, and it is common for mirage images to shimmer. The enlargement of an astronomical object in a mirage will make its intrinsic colour more apparent, although differential refraction may produce several different colours at once, spatially separated. In a statement submitted to a symposium on UFOs organized by a committee of the US House of Representatives in 1968, astronomer Donald Menzel explained how strange an astronomical mirage could appear: "Sometimes a layer of warm air, sandwiched between two layers of cold air, can act as a lens, projecting a pulsating, spinning, vividly colored, saucer?like image of a planet. Pilots, thinking they were dealing with a nearby flying object, have often tried to intercept the image, which evades all attempts to cut it off. The distances may seem to change rapidly, as the star fades or increases in brightness. Actual 'dog fights' have been recorded between confused military pilots and a planet. I myself have observed this phenomenon of star mirage. It is both realistic and frightening." This is a reference to Menzel's own observation of a 'flying saucer' when he was flying over Alaska on a military mission in 1955. The object, which appeared to be flying alongside his aircraft, was complete with flashing red and green lights, a 'lighted propeller' on top and with a silvery metallic sheen. Later he identified it as a mirage of the bright star Sirius although it appears that it was actually a mirage of the planet Saturn.

UFO reports explained by mirages Surprisingly, and significantly, the very first 'flying saucer' report, that by Kenneth Arnold in 1947, can be explained in this way. He reported seeing a chain of nine peculiar 'aircraft' flying near Mount Ranier in Washington state (USA). They all moved together and occasionally flashed very brightly. However analysis shows that the apparent movement was entirely due to his own, just as a low moon will appear to follow you across a stationary landscape. All very distant objects at low altitude will appear to move because their direction does not change as that of a nearer object would. In this case, the source was nine snow-capped peaks in the Cascade Range over 100 kilometres away. In the bright sunlight, mirages of them were formed by temperature inversions over two deep river valleys between Arnold and the mountains. Where the inversions were strong, the mirages of the peaks flashed brightly. It appears that Arnold was not familiar with mirages, but this is true of almost all pilots.

In the right circumstances, any bright surface object can produce a mirage. On 17 November 1986, a Japanese freighter aircraft had crossed the North Pole and was heading SW toward its next stop, Anchorage in Alaska. Suddenly the crew were confronted by clusters of lights just ahead of them. They assumed that the lights were the exhausts of some unidentified aircraft and tried in vain to evade them. Gradually the mysterious lights shifted to port and the captain was sure he could make out the shape of a huge UFO alongside them. The incident was reported to the (US) Federal Aviation Administration (FAA), who issued a report on the incident, but without any explanation.

Because the object's direction appeared to move aft with time, it was obvious that the source lay on the ground only a few hundred kilometres away, and because the crew gave good descriptions and bearings to the lights at various times on their route, it was possible to locate its source. This turned out to be the US Army airfield at Delta Junction. The crew's description of the lights exactly matched that of typical runway lights and the FAA reported that a temperature inversion had existed over the area at the time. The 'UFO' was a mirage of the runway lights.

Aircraft headlights are a typical source of mirages. In May 1996, BBC Scotland showed me a video of mysterious lights seen over Inverness a few months earlier. It turned out that they were multiple mirages of the lights of a Nimrod aircraft which regularly trains from RAF Kinloss on the Moray Firth. This phenomenon explains the lights filmed in 1950 over Great Falls (Montana) two jet aircraft were flying about the area at the time but no one seems to have asked if they had their lights on. It also explains the many lights filmed over Tremonton (Utah) in 1952. In that case, there is evidence of several inversions, one on top of the other. A mirage of aircraft lights also explains a report investigated by physicist Bruce Maccabee in 1975: two bright objects 'like bright stars' were seen to the NE of Cheverly (Maryland), just east of Washington DC. They were seen in the general direction of Baltimore?Washington Airport about 34 kilometres away where a Boeing 707 was due to take off about the time of the sighting. Maccabee never considered mirages as an explanation and so failed to explain the report. Given that distant bright objects are often the source of mirages, astronomical objects at low altitude must be strong candidates.

Although the moon has sometimes been responsible, Venus, the brightest planet is the commonest source of such mirages. Indeed it was the object filmed as a UFO by a film crew in an aircraft off New Zealand in December 1978. In the new year, the film was shown on TV all over the world. Although Venus itself was below the horizon, its mirage image was visible via a Novaya Zemlya effect in which the light was ducted several hundred kilometres around the earth due to a temperature inversion over the cold Southern Ocean. It was also the object seen in daylight by forester Robert Taylor at Livingston (Scotland) in November 1979, a case I investigated on the ground. Mirages of Venus explain very many strange UFO reports, including the 1952 Nash/Fortenberry report (USA), the egg-shaped object seen over Anglesey (Wales) in September 1978 and the object seen and report in Todmorden (England) by policeman Alan Godfrey.

Other bright planets at low altitude have also been the source of UFO reports. The most sensational was the mirage of Jupiter reported and photographed by Almiro Barauna from a Brazilian research ship at Ilha da Trindade in the south Atlantic Ocean in January 1958. These are unique photographs, clearly showing the double image which results from the merging of two mirage images (see photo). A mirage of Jupiter was also the object which Capt. Thomas Mantell followed to his death over Kentucky (USA) in January 1948 and which Lt George Gorman tried to catch over Fargo (N. Dakota) in October the same year.

Two enlargements of the mirage of Jupiter photographed by Almiro Barauna at Ilha da Trindade (APRO). A mirage of Saturn was the object which scared young Ronald Johnson at his parents' farm near Delphos (Kansas) in November 1971. Mirages of Mars and Mercury have also produced strange UFO reports. Sometimes several planets together have been involved, as in the 1959 Gill case from Papua-New Guinea. Bright stars at low altitude can also stimulate mirages, but not necessarily only at night.

Sirius, the brightest star, is often responsible, as at Kirtland AFB in New Mexico in November 1957, when it was thought to be an object trying to land at the base. But it is the second-brightest star, Canopus, which has caused more reports. A mirage of Canopus was the object reported by police patrolman Lonnie Zamora over Socorro (New Mexico) in April 1964. This appears to have been caused by an inversion over the Rio Grande valley, south of the town. Astronomer Allen Hynek frequently challenged sceptics to explain this report, which he regarded as the epitome of the UFO phenomenon, apparently unaware that it had an astronomical explanation. A mirage of Canopus was also responsible for the sensational Cash/Landrum report from Huffman (Texas) in December 1980. The witnesses were convinced that a UFO had landed on the road ahead of them. A mirage of Canopus appears to have been the object which led to the death of pilot Frederick Valentich over the Bass Strait in October 1978. Disorientated by the mirage and convinced that it was on top of him, he seems to have crashed into the sea. There are 20 first magnitude stars, almost all of which at various times and in various places either directly or via mirage have been responsible for UFO reports.

In Conclusion Not only are mirages an 'alternative to the ETH', they explain reports which are otherwise inexplicable, especially the core reports which remain when all other reports have found an explanation. The result is that no UFO report remains unexplained and there is no mysterious phenomenon behind the reports. Furthermore UFO reports have nothing to do with extraterrestrial intelligence.

Steuart Campbell, 2000 References The UFO Mystery Solved Campbell, S. Explicit Books, 1994