Astronomie

L'attraction gravitationnelle est nécessaire pour maintenir un gaz dans l'atmosphère

L'attraction gravitationnelle est nécessaire pour maintenir un gaz dans l'atmosphère

Comment pouvez-vous déterminer la force gravitationnelle nécessaire pour maintenir un gaz particulier dans l'atmosphère d'une planète (par exemple, le dioxyde de carbone (CO2))?

Je suis tombé sur la formule suivante $left(frac{8RT}{πM} ight)^{0.5}$

ici : http://www.tau.ac.il/~roichman/CVI/hw1/hw1.pdf

$M$ = Masse moléculaire

$R$ = Constante de gaz

$T$ = Température

Cette formule s'appliquerait-elle ?


Oui, la formule que vous citez s'applique dans une certaine mesure.

Il peut également être écrit en termes de constante de Boltzmann $k_mathrm{B}$ comme $$v_mathrm{rms} = sqrt{frac{3k_mathrm{B}T}{m_mathrm{m}} },$$ avec $m_mathrm{m}$ la masse de la molécule en question, donne la vitesse moyenne ("root-mean-square") des molécules de gaz en fonction de la température $T$. En comparant cela à la vitesse d'échappement $$v_mathrm{esc}=sqrt{frac{2GM_mathrm{p}}{R_mathrm{p}}},$$ où $M_mathrm{p}$ et $R_mathrm{p}$ sont la masse et le rayon de la planète, respectivement, donne une estimation de l'ordre de grandeur de la capacité ou non de la planète à maintenir son atmosphère.

Cependant, si les deux vitesses sont égales, cela signifierait toujours que la moitié de l'atmosphère s'est évaporée instantanément, et qu'avec le temps, une grande partie disparaîtrait, bien que l'échelle de temps pour que cela se produise puisse être très longue. Pour que la planète maintienne vraiment son atmosphère, $v_mathrm{esc}$ doit être environ 6 fois plus grand que $v_mathrm{rms}$.

Cependant, la gravité n'est pas le seul facteur déterminant la stabilité de l'atmosphère. La pression de rayonnement de l'étoile ("vent solaire") peut facilement arracher une planète de son atmosphère. En revanche, si la planète dispose d'un champ magnétique efficace, celui-ci la protégera du vent.

D'autres facteurs interviennent également. Mais vous avez raison, à tout le moins, la planète a besoin d'un certain champ gravitationnel pour maintenir son atmosphère.


Repérer une faible atmosphère qui s'échappe

Par : AAS Nova 29 mars 2021 0

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Les exoplanètes de faible densité en orbite près de leurs étoiles hôtes ont tendance à perdre leur atmosphère. Désormais, les astronomes peuvent mesurer à quelle vitesse il disparaît.

Illustration d'artiste de WASP-107b, la première planète pour laquelle les scientifiques ont découvert de l'hélium s'échappant de son atmosphère.
ESA / Hubble / NASA / M. Kornmesser

Les planètes à faible densité ont du mal à conserver leur atmosphère lorsqu'elles sont explosées par le rayonnement à haute énergie d'une étoile hôte proche. De nouvelles observations ont permis de voir l'une de ces atmosphères s'échapper à l'aide d'un puissant traceur : l'hélium.


L'attraction gravitationnelle est nécessaire pour maintenir un gaz dans l'atmosphère - Astronomie

Vous êtes très perspicace en réalisant la difficulté majeure de terraformer la Lune pour lui donner une atmosphère semblable à la Terre : sa gravité est trop faible pour contenir une grande atmosphère pendant une longue période.

Toutes les planètes avec une atmosphère perdent du gaz en raison d'un processus appelé fuite thermique. Les molécules dans un gaz ont une distribution aléatoire des vitesses. Il y aura toujours des molécules dans l'atmosphère qui auront des vitesses supérieures à la vitesse de fuite de la planète. Cela signifie que s'ils commencent à s'éloigner de la planète à cette vitesse, la gravité ne sera jamais assez forte pour les ramener. Dans les parties supérieures très minces de l'atmosphère (l'« exosphère »), le libre parcours moyen (la distance parcourue par les molécules d'air avant de heurter une autre molécule) est suffisamment grand pour que les molécules à grande vitesse s'échappent sans rien heurter. Une fois qu'ils sont partis, la lumière du soleil réchauffe l'atmosphère pour produire plus de molécules à grande vitesse, qui continuent de s'envoler, finissant par saigner toute l'atmosphère.

Pour la Terre, la gravité est suffisamment forte pour que le temps nécessaire pour ce faire soit de plusieurs milliards d'années (plus long que la vie de la Terre), et le volcanisme et d'autres processus aident à reconstituer l'approvisionnement en gaz. Pour la Lune, c'est beaucoup plus court : peut-être dizaines de millions d'années. C'est pourquoi la Lune n'a pas d'atmosphère aujourd'hui.

Ainsi, toute tentative de donner une atmosphère à la Lune sera temporaire. Cependant, dix millions d'années est une période suffisamment longue pour que la plupart des humains ne s'en soucient pas.

D'où peut-on tirer l'atmosphère ? Une possibilité est de chauffer les roches lunaires au point où elles libèrent l'oxygène qu'elles contiennent. Cela nécessite des quantités absolument énormes d'énergie. L'énergie nécessaire pourrait être fournie au mieux par des explosions nucléaires souterraines. Cependant, vous auriez besoin de 10^10 (dix milliards) d'armes nucléaires d'une mégatonne pour le faire, à un coût de dizaines de milliers de fois le produit national brut mondial actuel. Cependant, il pourrait être possible de le rendre beaucoup moins cher. Si les explosions se produisent près de la surface, vous finirez par réduire toute la surface de la Lune à une profondeur de 100 mètres.

Une autre possibilité est d'utiliser les gaz gelés dans les comètes et les satellites glacés du système solaire externe ("iceteroïdes"). Des schémas astucieux pour modifier leurs orbites en les poussant avec des armes nucléaires et en utilisant l'effet gravitationnel de "fronde" ont été proposés : on pourrait en théorie s'arranger pour que ces corps frappent la Lune, vaporisant instantanément les gaz gelés et fournissant à la Lune une atmosphère.

Cette tactique pourrait également aider avec le deuxième problème que vous avez mentionné : la lenteur de la rotation de la Lune. En frappant la Lune d'un coup d'œil avec les iceteroïdes entrants, on pourrait faire tourner la Lune plus rapidement.

Cependant, encore une fois un parcelle d'effort et de matériel est nécessaire (10^18 kg de gaz sont nécessaires). Un seul satellite glacé de 500 km de diamètre, comme le satellite Encelade de Saturne, fournirait suffisamment de gaz atmosphérique et donnerait à la Lune un taux de rotation de 10 jours. Il y a des avantages à le couper en morceaux d'abord. Mais l'ensemble du système solaire compte moins d'une douzaine de corps de cette taille : il y a des questions éthiques auxquelles répondre avant de détruire un corps céleste unique pour modifier temporairement la Lune à notre convenance. Si nous choisissions plutôt de dévier les comètes sur la trajectoire de la Lune, nous aurions besoin d'utiliser chaque nouvelle comète entrant dans le système solaire interne pendant 10 000 à 100 000 ans. Une alternative consiste à sortir dans le nuage d'Oort (où vivent les comètes) et à dévier leurs orbites vers le système solaire interne.

Comme vous pouvez le voir, c'est un problème difficile, mais j'espère que cela vous a donné quelques idées. La plupart des informations contenues dans cette réponse proviennent du livre de Martyn Fogg Terraforming: Engineering Planetary Environments (ISBN 1-56091-609-5: j'ai obtenu ma copie d'Amazon Books). C'est à ce jour le seul livre technique sur la terraformation imprimé, et Fogg a fait un travail remarquable en décrivant les idées remarquables des personnes intéressées par le domaine. Je le recommande fortement.


Question : Si jamais nous essayons de rendre Mars habitable à l'extérieur, l'air ne continuera-t-il pas à s'envoler dans l'espace à cause de la faible gravité ?

Oui, mais très, très lentement, si lentement, que cela n'aurait pas d'importance pour les terraformeurs.

N'oubliez pas que Mars avait une atmosphère assez importante dans le passé ! Les preuves de l'eau courante et des océans sont accablantes. Bien sûr, Mars a suffisamment de gravité pour contenir une atmosphère respirable.

Cependant, le champ magnétique de Mars a maintenant disparu, donc l'atmosphère s'est échappée très, très lentement en raison de l'interaction avec le vent solaire.

C'est pourquoi il y a plusieurs questions dans ce site sur la "réactivation" du champ magnétique de Mars, ou l'ajout d'un déflecteur magnétique au point Soleil-Mars L1 pour réduire le flux du vent solaire. Les réponses indiquent qu'elles sont inutiles car la durée de vie d'une atmosphère terraformée serait suffisamment longue pour la rendre utile. La science n'est pas suffisamment développée pour dire exactement combien de temps, mais ce sera quelque chose comme un million d'années, plutôt que cent ans.

Extrait de l'article de Wikipédia sur l'atmosphère de Mars :

  • Erosion progressive de l'atmosphère par le vent solaire. Le 5 novembre 2015, la NASA a annoncé que les données de MAVEN montrent que l'érosion de l'atmosphère de Mars augmente considérablement lors des tempêtes solaires. Ce changement a eu lieu il y a environ 4,2 à 3,7 milliards d'années, car l'effet de protection du champ magnétique mondial a été perdu lorsque la dynamo interne de la planète s'est refroidie.

  • Collision catastrophique par un corps assez gros pour emporter un pourcentage important de l'atmosphère

  • La faible gravité de Mars permettant à l'atmosphère de "s'envoler" dans l'espace par l'évasion de Jeans.

Le dernier élément est un facteur contributif, mais l'échelle de temps serait de centaines de millions d'années, ce qui n'est pas vraiment pertinent pour une question sur la terraformation


Ensemble de cartes mémoire partagées

Quelle est l'étoile la plus proche de la Terre après le Soleil et à combien d'années-lumière se trouve-t-elle ?

(un processus par lequel deux ou plusieurs noyaux se combinent et libèrent de l'énergie)

Comment s'appelle-t-on lorsque nous mesurons la quantité d'énergie solaire reçue par mètre carré de chaque seconde sur la terre ?

1400 watts par mètre carré

Comment s'appelle-t-on quand on calcule la quantité totale d'énergie rayonnée dans toutes les directions depuis le soleil ?

Observatoire solaire et héliosphérique

Quel est le nom du point où SOHO est stationné et pourquoi y est-il stationné ?

C'est à ce point que l'attraction gravitationnelle de la terre et du soleil est la même

La surface visible du soleil est tachetée de régions de gaz brillant et sombre connues sous le nom de _______ ?

À quelle distance se trouvent chacun d'eux ?

(La granulation directe de la surface solaire est une réflexion directe du mouvement dans la zone de convection)

Ils font environ 1000 km de diamètre

Le centre sombre d'une tache solaire.

La partie externe grisâtre appelée pénombre.

Quelles sont les causes de l'étirement, de la torsion et du pliage constants des lignes de champ magnétique ?

Qu'est-ce qu'une éjection de masse coronale ?

Pourquoi les trous coronaux manquent-ils de matière ?

Force à courte portée plus faible que l'électromagnétisme et la force forte mais beaucoup plus forte que la gravité.


Le royaume d'Enutrof

Lorsque des corps planétaires se forment, il n'y a généralement pas beaucoup de solides. Ainsi, les éléments les plus denses "s'enfoncent" vers son noyau (la plupart se solidifient généralement avec le temps) tandis que les moins denses s'accrochent au bord - pour ainsi dire - toujours maintenus ensemble par gravité.

La gravité ne fait pas que tirer tous les gaz à la surface, car la chaleur aide à maintenir la flottabilité de l'atmosphère.

Notre atmosphère reste en place parce que la force de flottabilité équilibre la force de gravité. Toutes les molécules de gaz sont en mouvement aléatoire constant. La température de n'importe quel gaz est une mesure directe de ce mouvement. Plus le gaz est chaud, plus les molécules se déplacent rapidement. Le mouvement rapide des molécules chauffées crée une pression qui tend à s'opposer à la force de gravité, empêchant notre atmosphère de s'effondrer sous son poids.

Cependant, comme vous l'avez peut-être deviné, ces forces ne font pas un travail parfait pour maintenir notre environnement ensemble. Oui, l'atmosphère s'échappe à des rythmes différents selon les corps. Le taux de perte dépend de plusieurs facteurs et l'un des principaux est la force de l'attraction gravitationnelle du corps.

Les atmosphères sont généralement constituées de plusieurs éléments/composés. La terre, par exemple, a principalement de l'azote dans son atmosphère, suivi "pas de près" par l'oxygène. Il contient également de petites quantités d'hélium et d'autres gaz. Ce sont des gaz plus légers comme l'hélium qui s'échappent de l'atmosphère terrestre. La présence d'une grande proportion d'oxygène libre est ce qui rend notre atmosphère spéciale dans le système solaire - qui est, bien sûr, une conséquence de la vie sur Terre.

Nous vendrons cependant l'expérience atmosphérique à découvert si nous restreignons nos discussions à la terre. Ainsi, dans la suite de cet article, nous jetterons un coup d'œil sur les atmosphères des principaux corps planétaires de notre système solaire. Allons-y!

Mercure – le messager des dieux

Mercure n'a pas beaucoup d'atmosphères. Cela est dû à sa température de surface élevée et à sa faible masse (moins de 5 fois la masse de la Lune). Cela ne veut pas dire qu'il n'a jamais eu d'atmosphère, juste qu'il l'a perdu rapidement.

Vénus - la déesse de la beauté

Vénus a une atmosphère massive composée principalement de dioxyde de carbone et d'azote. Il fait chaud ici ? Oui. Les écologistes reconnaîtraient les tendances au réchauffement d'une telle combinaison. La température de surface de Vénus est d'environ 730K avec une pression équivalente à une profondeur sous-marine terrestre de 1 km. Il est également intéressant de noter que son atmosphère s'étend plus loin de sa surface que celle de la terre.

Mars - le dieu de la guerre

L'option la plus populaire pour la planète B. L'atmosphère martienne se compose principalement de dioxyde de carbone. Il contient également des éléments tels que l'azote, l'argon, l'oxygène, etc. Non, il ne fait pas aussi chaud que Vénus, même si je comprends pourquoi vous pouvez le penser - similitudes et tout - cependant, ils avaient des histoires atmosphériques très différentes. La température moyenne à la surface de Mars est environ 70K plus froide que sur Terre.

Jupiter - le dieu du ciel et du tonnerre

Jupiter est grand et possède une série de bandes de nuages ​​atmosphériques en constante évolution. Ces bandes affichent de nombreuses couleurs : jaunes pâles, bleus clairs, rouges vifs, etc. Son atmosphère se compose principalement d'hélium et d'hydrogène. Il contient également du méthane, de l'ammoniac et d'autres éléments/composés. Ces gaz, cependant, ne rendent pas compte des couleurs de Jupiter. Ce qui est responsable, c'est son atmosphère turbulente que nous ne comprenons pas complètement. La Grande Tache Rouge est une caractéristique de l'atmosphère de Jupiter qui mérite d'être signalée. Cet endroit fait deux fois la taille de la Terre et semble être un ouragan qui persiste depuis des siècles.

Saturne - le titan du temps

L'atmosphère de Saturne se compose principalement d'hydrogène. La plupart de ce qui reste est de l'hélium, ce qui le rend très similaire à Jupiter. Cependant, la proportion d'hélium est ici assez faible. Les astronomes ont émis l'hypothèse qu'à un moment donné dans le passé de la planète, l'hélium s'est liquéfié et a coulé vers le centre, réduisant son abondance dans la couche externe. Les couches nuageuses de Saturne sont environ 3 fois plus épaisses que celles de Jupiter, la raison en étant la gravité plus faible de Saturne.

Uranus - le dieu du ciel et premier souverain

L'atmosphère d'Uranus est très similaire en composition à celle de Jupiter. Ici, le gaz le plus abondant est l'hydrogène suivi de l'hélium et du méthane. Il n'y a pas d'ammoniac dans l'atmosphère d'Uranus car, à sa température atmosphérique, l'ammoniac existe sous forme de cristaux de glace.

Neptune - le dieu de la mer

Comme Uranus, Neptune est très similaire en composition atmosphérique à Jupiter. Il a cependant une proportion plus élevée de méthane. Sa couleur bleue est due à la proportion relativement élevée de méthane dans son atmosphère. Le méthane absorbe assez efficacement la lumière rouge, de sorte que la lumière du soleil réfléchie par Neptune est déficiente en photons rouges et jaunes. Cela fait apparaître Neptune en bleu tandis qu'Uranus avec une proportion moindre de méthane apparaît en bleu-vert.

Pluton - dieu des morts et des enfers

Pluton est NE PAS une planète. Cela dit, Hadès a toujours semblé être exclu de toutes les bonnes choses de la mythologie, j'ai donc décidé de ne pas continuer la tendance.

Pluton a une atmosphère mince qui se dilate et s'effondre en fonction de sa distance au Soleil. Il contient principalement de l'azote bien que des traces de méthane et de monoxyde de carbone aient été trouvées. Son atmosphère s'étend également bien plus que celle de la Terre en altitude en raison de sa faible gravité.

J'espère que vous avez trouvé cela instructif et divertissant. Adios. jusqu'à la prochaine fois.


Réponses et réponses

L'idée derrière la vitesse d'échappement est que si vous avez un objet voyageant directement vers le haut (loin de la surface) avec une vitesse supérieure à celle de la vitesse d'échappement, alors il s'échappera de l'atmosphère et s'envolera dans le système solaire. Étant donné que dans le mouvement thermique, toutes les directions sont uniformément préférées, une partie des molécules de gaz volera à un moment donné vers le haut et si elles sont près du sommet de l'atmosphère, elles peuvent s'échapper. Si la vitesse de votre particule est inférieure à la vitesse d'échappement, l'attraction gravitationnelle l'empêchera de s'échapper complètement. Maintenant, dans le mouvement thermique, il existe essentiellement une plage de vitesses centrée sur la vitesse moyenne, donc si votre vitesse moyenne est juste en dessous de la vitesse d'échappement, un nombre substantiel de particules se déplaceront en fait plus vite que la vitesse d'échappement, et finiront donc par s'échapper. Ainsi, les gens ont tendance à choisir un facteur (quelque peu arbitraire) en dessous de la vitesse d'échappement pour placer la vitesse moyenne à laquelle maintenir une atmosphère, car vous voulez que peu de particules soient au-dessus de la limite de vitesse d'échappement. Je dis que c'est quelque peu arbitraire parce que, plus ou moins, il y aura toujours des particules au-dessus de ce seuil. Moins il y en a, plus il faut de temps pour que l'atmosphère disparaisse. Donc, avec la vitesse thermique moyenne fixée à 1/5 de la vitesse d'échappement, par rapport à, disons, 1/10, vous obtiendrez une durée de vie plus faible pour l'atmosphère, pour ainsi dire - mais les deux seront toujours de très longues quantités de temps.

C'est une question un peu subtile. Les particules sont plus susceptibles de s'échapper de la haute atmosphère, en raison de la température plus élevée (et donc de la vitesse moyenne plus élevée) et de la densité plus faible (et donc du libre parcours moyen plus long entre les collisions de molécules). Notez que cela n'est pas lié au fait qu'ils sont plus proches de l'espace sauf si la hauteur de l'atmosphère est significative par rapport au rayon de la lune, cette différence ne comptera pas pour beaucoup (voir réponse à la partie b). D'autre part, car de la densité inférieure, vous ne ferez pas disparaître une fraction significative de l'atmosphère en vous débarrassant uniquement de la partie supérieure de l'atmosphère. Vous voulez donc utiliser la température moyenne de l'atmosphère, ou peut-être même la température de surface, pour obtenir une meilleure estimation de la capacité de la lune à retenir le gaz.

Merci pour la réponse Steely Dan,
en fait, je comprends la physique de base du processus,
Ce dont j'ai réellement besoin, ce sont des formules ou des idées sur la façon de calculer la durée de vie (appelons-la Lt) de l'atmosphère en fonction de Vair/Ve (qui est maintenant de 1/5).

une. Quelle température T dois-je utiliser dans l'équation, La température maximale dans la haute atmosphère de la lune (380K) ? ou la température moyenne de l'atm supérieur (220K) ? Peut-être la surface moyenne tmp qui sera au final ?

C'est une question un peu subtile. Les particules sont plus susceptibles de s'échapper de la haute atmosphère, en raison de la température plus élevée (et donc de la vitesse moyenne plus élevée) et de la densité plus faible (et donc du libre parcours moyen plus long entre les collisions de molécules). Notez que cela n'est pas lié au fait qu'ils sont plus proches de l'espace sauf si la hauteur de l'atmosphère est significative par rapport au rayon de la lune, cette différence ne comptera pas pour beaucoup (voir réponse à la partie b). D'autre part, car de la densité inférieure, vous ne ferez pas disparaître une fraction significative de l'atmosphère en vous débarrassant uniquement de la partie supérieure de l'atmosphère. Vous voulez donc utiliser la température moyenne de l'atmosphère, ou peut-être même la température de surface, pour obtenir une meilleure estimation de la capacité de la lune à retenir le gaz.

b. Qu'est-ce que j'utilise pour r : est-ce le sommet de la thermosphère ou de l'exosphère ou peut-être autre chose ?
(bien sûr, je pourrais supposer que r est Rmoon, mais je veux juste comprendre la physique ici.)

Une façon de penser à la vitesse d'échappement est en termes d'énergie : si l'énergie cinétique d'une particule est dirigée vers le haut (pour abuser du sens d'une quantité scalaire) et est plus grande que l'énergie potentielle gravitationnelle de la particule, alors la particule sera capable de convertir suffisamment de son énergie cinétique pour se retirer du potentiel gravitationnel de la lune, et il en restera encore pour s'envoler. Ainsi, l'équation de comparaison de vitesse définit essentiellement l'énergie cinétique multipliée par un facteur arbitraire (5 ou 10, comme je l'ai expliqué ci-dessus) égale à l'énergie potentielle gravitationnelle à un endroit donné. Donc, si vous parlez de la probabilité que des particules dans la haute atmosphère s'échappent, vous utiliseriez l'énergie potentielle gravitationnelle dans la haute atmosphère, qui est essentiellement le rayon de la lune plus la hauteur de l'atmosphère. D'un autre côté, si vous voulez obtenir une estimation de la durée de vie de l'atmosphère totale, vous utiliseriez le rayon de la lune, car comme je l'ai mentionné dans la réponse à la partie a, vous devez éliminer la quantité importante de gaz qui se trouve en surface pour éliminer l'atmosphère.

Considérant que le temps est important pour moi, je ne peux pas utiliser T de la surface (ce qui n'est correct que pour lim(t→∞)), je ne peux pas non plus utiliser Rmoon (car encore une fois c'est pour lim (t→∞) )
C'est pourquoi j'ai besoin de savoir exactement quels T et r utiliser là-bas, ils devraient être les mêmes T et r que ceux utilisés (ou implicites) dans le calcul de la durée de vie.
Au fait, je comprends que pour obtenir une réponse parfaite ici, je devrai prendre une intégrale sur Vair et Ve en fonction de la hauteur h (où r<h<r+∞), et aussi en fonction de la température.
Eh bien, ce serait un dépassement, donc je veux juste obtenir une hypothèse de proximité maximale ici sur la base de certains faits (empiriques ou statistiques).


9 jalons de l'astronomie en 2009

Cette année a fourni de nombreuses révélations cosmiques pour les astronomes et les astronomes occasionnels. Les planètes voisines telles que Mercure et Jupiter ont été relookées au sens scientifique et littéral. La découverte de l'eau sur la Lune et sur Mars a fourni des indices sur le passé, sans parler des indices pour l'avenir de l'exploration spatiale. Une classe de planètes "Super-Terre" nouvellement détectées autour d'étoiles extraterrestres pourrait finalement s'avérer plus habitable que la Terre. Et une flotte croissante de télescopes spatiaux existants, nouveaux et relancés promet une autre année stellaire à venir.

Voici les histoires qui ont marqué :

9. Objets étranges

La Terre était aux premières loges d'une multitude d'objets spatiaux en 2009, avec de superbes pluies de météores, des roches spatiales capricieuses bourdonnant la planète et des lumières étranges dans le ciel et à la fois naturelles et artificielles.

Les spectacles de lumière annuels tels que la pluie de météores Leonid ont continué à éblouir, mais certaines roches spatiales se sont rapprochées un peu trop près pour plus de confort. Un astéroïde a explosé au-dessus de l'Indonésie avec la force de plusieurs bombes d'Hiroshima le 8 octobre 2009, et est devenu le plus gros rocher spatial à viser la Terre depuis plus d'une décennie.

Des lumières artificielles étranges et merveilleuses ont également rejoint les expositions de lumière naturelle cette année. La NASA a lancé une fusée expérimentale qui a brièvement recréé des nuages ​​​​étranges brillants la nuit en septembre. Mais l'affichage le plus étrange de tous est venu d'une forme en spirale qui est apparue au-dessus de la Norvège en décembre et a déclenché une spéculation massive sur les extraterrestres ou les météores voyous et ndash avant que le ministère russe de la Défense ne confirme qu'un lancement raté avait envoyé un missile hors de contrôle.

8. Mercure, démasqué

La planète Mercure a subi une transformation scientifique majeure en 2009, lorsque la sonde MESSENGER de la NASA a effectué un troisième et dernier survol en septembre 2009 qui devrait aider à guider le vaisseau spatial sur une orbite de Mercure en 2011.

Une troisième rencontre avec Mercure a non seulement permis de cartographier jusqu'à 98 % de la surface de la planète, mais a également montré que la surface contient de grandes quantités de métaux lourds tels que le fer et le titane. La surprise a contraint les scientifiques à repenser l'évolution de la petite planète.

Le dernier gros plan a également révélé les changements de saison sur la planète la plus proche du soleil. De tels changements saisonniers prennent la forme de compositions chimiques variables dans la mince atmosphère de Mercure.

7. Le trou noir le plus massif

Il y a le grand, et puis il y a le grand galactique. Un trou noir supermassif est devenu le champion des poids lourds en titre cette année avec 6,4 milliards de fois la masse du soleil, après que les astrophysiciens aient révisé deux ou trois fois les estimations antérieures de la taille du monstre grâce à la modélisation informatique et aux observations au télescope.

Le mastodonte se trouve au cœur de la galaxie géante M87, un peu comme le trou noir massif au centre de notre propre galaxie de la Voie lactée. D'autres trous noirs dans les grandes galaxies voisines peuvent désormais également faire l'objet d'un second regard, alors n'excluez pas un nouveau challenger de trous noirs dans les années à venir.

6. Année du télescope spatial

Une nouvelle génération de télescopes spatiaux lancée en 2009, visant à rechercher de nouveaux mondes ou à percer les mystères de longue date du cosmos. Peut-être qu'aucun n'a attiré plus d'attention que le vaisseau spatial Kepler de chasse aux planètes de la NASA, qui peut détecter des mondes lointains en fonction de la baisse de la lumière créée par une planète lorsqu'elle passe devant la vue de la Terre sur l'étoile mère.

Parmi les autres nouveaux arrivants notables, citons les observatoires spatiaux européens Herschel et Planck, qui ont eu leur premier aperçu de l'univers cette année. Herschel représente le télescope spatial infrarouge le plus puissant jamais lancé dans l'espace, tandis que Planck cherche à sonder la "première lumière" de l'univers qui a émergé peu de temps après le Big Bang.

Enfin, le vaisseau spatial WISE de la NASA a été lancé en décembre dans le but de balayer le ciel infrarouge 1-1/2 fois au cours de sa durée de vie de mission.

Ces télescopes de nouvelle génération rejoignent une foule plus âgée qui comprend les observatoires à rayons X Chandra de la NASA et XMM Newton d'Europe, qui ont tous deux célébré leur 10e anniversaire cette année.

5. Glace d'eau sur Mars

L'argument en faveur d'un Mars autrefois mouillé n'a jamais été aussi beau qu'en 2009. Les roches spatiales ont aidé la science en creusant des cratères dans la surface martienne qui ont révélé près de 99% de glace d'eau pure près de la surface et des restes possibles de glace enfouie des feuilles qui peuvent couvrir près de la moitié de la planète.

Une vaste carte des vallées qui sillonnent la planète rouge indique un océan possible dans le passé de la planète, selon les scientifiques. L'intrépide rover Opportunity de la NASA a également continué à fournir une vue rapprochée des preuves que l'eau peut avoir contribué à façonner la surface martienne.

L'une des plus grandes questions en suspens pour 2010 est de savoir si de l'eau liquide peut encore exister sur la surface martienne. Une chaîne de globules attachés aux jambes du Phoenix Mars Lander de la NASA représente une preuve possible mais controversée de l'eau martienne liquide, selon les scientifiques de la NASA qui ont examiné le séjour de cinq mois de la mission depuis l'année dernière.

4. Première planète rocheuse autour d'une étoile extraterrestre

Deux des plus grandes découvertes d'exoplanètes à ce jour ont eu lieu en 2009, alors que les chasseurs de planètes faisaient leurs premiers pas vers la recherche de planètes semblables à la Terre en dehors de notre système solaire. Les deux cas impliquaient de repérer des mondes lointains passant devant leurs étoiles mères, plutôt que de simplement déduire l'existence de planètes sur la base de l'oscillation gravitationnelle qu'elles provoquent dans les étoiles mères.

Tout d'abord, les astronomes ont confirmé le premier monde rocheux repéré en orbite autour d'une autre étoile. Appelée CoRoT-7b, la planète représente la première exoplanète connue avec une densité similaire à celle de la Terre, même si la surface de la planète semble moins semblable à la Terre avec des températures caniculaires dépassant les 2 000 degrés Fahrenheit (1 000 degrés Celsius).

Un deuxième monde rocheux et riche en eau, nommé GJ 1214b, est également devenu la première "Super-Terre" à avoir une atmosphère confirmée.

La poignée croissante de Super-Terres, ou planètes dont la masse se situe entre celle de la Terre et de Neptune, se démarque désormais parmi les centaines de géantes gazeuses de type Jupiter détectées en orbite autour d'autres étoiles. Certains scientifiques pensent que de telles Super-Terres pourraient finalement s'avérer meilleures que la Terre pour favoriser l'existence de la vie.

3. Le télescope Hubble regarde plus profondément dans l'univers

Le télescope spatial Hubble bien-aimé de la NASA a survécu à la chirurgie dans l'espace lointain et a émergé en meilleure forme que jamais en 2009. Le télescope de 19 ans a ensuite célébré sa renaissance en repérant ce qui pourrait être les galaxies les plus anciennes et les plus lointaines jamais découvertes.

La nouvelle caméra à champ large 3 de Hubble a scruté les longueurs d'onde infrarouges et environ deux fois plus longues et "plus rouges" que la lumière visible et a repéré les galaxies qui se sont formées 600 millions d'années après le Big Bang théorique, soit il y a environ 13,1 milliards d'années. Si elle est confirmée, la découverte pourrait remplacer les détenteurs actuels du titre des premières galaxies connues et de l'objet le plus éloigné de l'univers.

Mis à part les dossiers, Hubble a également trouvé le temps d'évaluer un impact inattendu sur Jupiter.

2. Jupiter sous le feu

Ce qu'un astronome amateur a signalé pour la première fois comme une nouvelle tache sombre sur Jupiter s'est avéré être une énorme ecchymose planétaire de la taille de l'océan Pacifique, laissée par un astéroïde ou une comète capricieux à l'été 2009. L'impact cosmique massif a facilement rivalisé avec un autre du 15 il y a des années, lorsque la comète Shoemaker-Levy 9 a frappé le roi des planètes.

Les astronomes ont estimé que le coupable de l'impact ne mesurait pas plus d'un demi-kilomètre (0,3 mille). Pourtant, un tel objet cosmique aurait contenu des milliers de fois l'énergie de l'impact de la Tunguska sur Terre, qui a explosé au-dessus de la Sibérie en 1908 et aplati une zone aussi grande qu'une ville.

Un impact de taille similaire sur Terre se serait probablement avéré catastrophique. Mais les observateurs de la Terre peuvent compter leurs étoiles chanceuses cette année et chaque année pour Jupiter, qui attire des roches spatiales dangereuses avec sa taille massive et son attraction gravitationnelle.

1. De l'eau sur la Lune

Peut-être qu'aucune autre révélation de la science spatiale cette année ne s'est avérée aussi importante que la découverte de l'eau sur la lune. Une lune longtemps décrite comme un environnement aride et sec fait maintenant miroiter la possibilité alléchante de colonies lunaires, sans parler d'un point de lancement pour une exploration spatiale plus lointaine.

Les scientifiques ont d'abord confirmé les traces d'eau dans les couches supérieures de la surface lunaire, sur la base de détections d'eau ou d'un groupe hydroxyle (oxygène et hydrogène liés chimiquement) par Chandrayaan-1 de l'Inde, le vaisseau spatial Cassini de la NASA et la sonde Deep Impact de la NASA. Mais leurs conclusions, détaillées dans un article paru dans le numéro du 25 septembre du journal La science, venait juste d'effleurer la surface.

Puis la sonde LCROSS de la NASA a percuté le pôle sud lunaire en octobre, et tout a encore changé. Le panache de débris projeté par l'impact de la sonde a révélé de la glace d'eau, en grande quantité. Une telle glace pourrait soit devenir de l'eau potable pour les futurs astronautes et colons, soit fournir de l'hydrogène pour le carburant des fusées.

Savoir que l'eau attend les humains sur la lune fournit une sorte de validation pour l'objectif de la NASA de remettre les bottes sur la surface lunaire. Et cela pourrait également donner un coup de pouce bien nécessaire aux nouvelles générations de scientifiques et d'explorateurs de l'espace pour continuer à avancer vers l'inconnu pour 2010 et au-delà.


5. Résumé et conclusion

[15] L'accélération gravitationnelle a été définie différemment dans différents MCG. Dans de nombreux modèles de circulation générale (MCG), tels que TIEGCM et CTIP, l'accélération gravitationnelle est constante dans le calcul et la variation altitudinale de l'accélération gravitationnelle est prise en compte dans le post-traitement. Certains modèles thermosphériques non hydrostatiques utilisant une variable sont également disponibles dans la communauté [ Chang et Saint-Maurice, 1991 Maman et Schunk, 1995 Demars et Schunk, 2007 ]. Cependant, il s'agit soit d'un modèle 2D [ Chang et Saint-Maurice, 1991 ], ou sans ionosphère auto-cohérente [ Maman et Schunk, 1995 Demars et Schunk, 2007 ]. Afin d'estimer l'influence de la variation d'altitude de l'accélération gravitationnelle sur la température et la densité de la thermosphère, deux essais ont été effectués dans des conditions de maximum solaire en utilisant le modèle non hydrostatique Global Ionosphere Thermosphere (GITM) sous les coordonnées d'altitude, qui permettent une quantification de la rétroaction non linéaire qui se produit lorsque la gravité varie avec l'altitude au lieu d'une constante.

[16] Ces essais incluent un cas de gravitation constante (g = 8,7 m/s 2 ) et un cas gravitationnel dépendant de l'altitude (g change de manière réaliste avec l'altitude). During a geomagnetic quiet time, the constant gravity simulation overestimates the globally averaged neutral density by 30% around 120 km altitude with a spread in the errors of close to 5%. The temperature decreases when a constant gravitational acceleration is used, resulting in a 10% difference around 120 km altitude. In most GCMs using the pressure coordinates, while a constant has been used in calculation, the altitude variation of the gravitational acceleration has been taken into account during post-processing, when inferring the altitudes of the pressure levels. We have done a similar post-processing to the constant gravity case by shifting the heights of the altitude grids according to the altitude-dependent gravitational acceleration. After this shifting, the density difference has been reduced significantly and is only 10% at 120 km altitude during a geomagnetic quiet time. The temperature difference (3% above 200 km altitude) caused by the altitudinal variation of also changes the density profile through varying the scale height. However, the shifting and the feedback of the temperature variation do not totally remove the density difference, which implies that there are some other effects of the altitudinal variation of on density and temperature profiles. During the geomagnetic active time studied, the deviation amplitude of the percentage difference increases significantly, which means that the density and temperature differences caused by the gravitational acceleration have more spatial structure in active time. The magnitude of the temperature percentage difference is smaller during geomagnetic active time than the geomagnetic quiet time, due to the magnitude of the temperature being larger during geomagnetic active time.

[17] The altitude variation of directly shifts the atmosphere vertically and also changes the density profile by varying the temperature. In order to separate these two effects, three simple tests have been done in a one-dimensional semi-realistic atmosphere. The results show that shifting and temperature variation cause 20% and 25% of the density percentage differences between the constant case and altitude-dependent case, respectively. Therefore both of them are important to the neutral density profiles. While the pressure level shift is a normal procedure, there is probably no simple way to include the feedback of the temperature variation in the models using a constant and pressure level shift as a post-processing. Certain amount of the density deviation due to the temperature feedback can be unavoidable for these models. However, the value (25%) is dependent on the geomagnetic conditions and the coordinates used.

[18] When GCMs use a constant gravity, the outputs have to be post-processed to include the effect of altitude-dependent gravitation. If the pressure levels are properly shifted during a post-processing step and the feedback of the temperature variation to the density has also been taken into account, using a constant gravity term to model Earth's thermosphere and ionosphere will cause an approximately 10% error in the global average mass density. Locally the errors can grow to approximately 20% during storm periods. However, this is just a preliminary research. The quantitative results will be dependent on geomagnetic activity, solar cycle, season, etc. More detailed analysis will be meaningful and necessary, which will be investigated in a follow-up paper.