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Exoplanets' climate: It takes nothing to switch from habitable to hell, say researchers

Climat des exoplanètes : il suffit de rien pour passer du statut d'habitable à celui d'enfer, selon des chercheurs

par l'Université de Genève

L’effet de serre incontrôlable peut transformer une planète habitable tempérée avec un océan d’eau liquide en surface en une planète dominée par la vapeur chaude et hostile à toute vie. Crédit : Thibaut Roger / UNIGE

La Terre est un merveilleux point bleu et vert recouvert d’océans et de vie, tandis que Vénus est une sphère jaunâtre et stérile, non seulement inhospitalière mais également stérile. Cependant, la différence de température entre les deux n’est que de quelques degrés. Une équipe d'astronomes de l'Université de Genève (UNIGE), avec le soutien des laboratoires du CNRS de Paris et de Bordeaux, a réalisé une première mondiale en parvenant à simuler l'intégralité du processus d'effet de serre incontrôlable qui peut transformer le climat d'une planète de idyllique et parfait pour la vie, dans un endroit plus que dur et hostile.

Les scientifiques ont également démontré que dès les premières étapes du processus, la structure atmosphérique et la couverture nuageuse subissent des changements importants, conduisant à un effet de serre incontrôlable et très difficile à inverser. Sur Terre, une augmentation de la température moyenne globale de quelques dizaines de degrés seulement, consécutive à une légère augmentation de la luminosité du soleil, suffirait à initier ce phénomène et à rendre notre planète inhabitable. Ces résultats sont publiés dans Astronomy & Astrophysics.

L’idée d’un emballement de l’effet de serre n’est pas nouvelle. Dans ce scénario, une planète peut évoluer d’un état tempéré comme sur Terre à un véritable enfer, avec des températures de surface supérieures à 1 000°C. La cause? La vapeur d'eau, un gaz à effet de serre naturel. La vapeur d'eau empêche le rayonnement solaire absorbé par la Terre d'être réémis vers le vide de l'espace, sous forme de rayonnement thermique. Il retient la chaleur un peu comme une couverture de sauvetage. Un soupçon d’effet de serre est utile : sans lui, la température moyenne de la Terre serait inférieure au point de congélation de l’eau, ressemblant à une boule recouverte de glace et hostile à la vie.

A l’inverse, un effet de serre trop important augmente l’évaporation des océans, et donc la quantité de vapeur d’eau dans l’atmosphère. "Il existe un seuil critique pour cette quantité de vapeur d'eau, au-delà duquel la planète ne peut plus se refroidir. A partir de là, tout s'emballe jusqu'à ce que les océans finissent par s'évaporer complètement et que la température atteigne plusieurs centaines de degrés", explique Guillaume Chaverot, ancien chercheur postdoctoral au Département d'astronomie de la Faculté des sciences de l'UNIGE et auteur principal de l'étude.

Jusqu'à présent, d'autres études clés en climatologie se sont concentrées uniquement soit sur l'état tempéré avant l'emballement, soit sur l'état habitable après l'emballement", explique Martin Turbet, chercheur aux laboratoires CNRS de Paris et Bordeaux et co-auteur de l'étude. "C'est la première fois qu'une équipe étudie la transition elle-même avec un modèle climatique global en 3D et vérifie comment le climat et l'atmosphère évoluent au cours de ce processus."

L’un des points clés de l’étude décrit l’apparition d’une configuration nuageuse très particulière, augmentant l’effet d’emballement et rendant le processus irréversible. "Dès le début de la transition, on peut observer des nuages très denses se développer dans la haute atmosphère. En effet, cette dernière ne présente plus l'inversion de température caractéristique de l'atmosphère terrestre et séparant ses deux couches principales : la troposphère et la stratosphère. La structure de l'atmosphère est profondément altérée", explique Chaverot.

De graves conséquences pour la recherche de la vie ailleurs

Cette découverte est un élément clé pour l’étude du climat sur d’autres planètes, et en particulier sur les exoplanètes, planètes en orbite autour d’autres étoiles que le soleil. "En étudiant le climat d'autres planètes, l'une de nos plus fortes motivations est de déterminer leur potentiel à accueillir la vie", indique Émeline Bolmont, professeure adjointe et directrice du Centre de la vie dans l'univers (LUC) de l'UNIGE, et co-auteure de l'ouvrage étude.

Le LUC mène des projets de recherche interdisciplinaires de pointe sur les origines de la vie sur Terre et la quête de la vie ailleurs dans notre système solaire et au-delà, dans les systèmes exoplanétaires. "Après les études précédentes, nous soupçonnions déjà l'existence d'un seuil de vapeur d'eau, mais l'apparition de cette configuration nuageuse est une véritable surprise", explique Bolmont.

"Nous avons également étudié en parallèle comment cette configuration nuageuse pourrait créer une signature spécifique, ou 'empreinte digitale', détectable lors de l'observation de l'atmosphère des exoplanètes. La prochaine génération d'instruments devrait être capable de la détecter", précise Turbet. L'équipe ne compte pas non plus s'arrêter là, Chaverot ayant reçu une bourse de recherche pour poursuivre cette étude à l'Institut de Planétologie et d'Astrophysique de Grenoble (IPAG). Cette nouvelle étape du projet de recherche se concentrera sur le cas spécifique de la Terre.

Une planète Terre en équilibre fragile

Avec leurs nouveaux modèles climatiques, les scientifiques ont calculé qu'une très faible augmentation de l'irradiation solaire, conduisant à une augmentation de la température globale de la Terre, de quelques dizaines de degrés seulement, suffirait à déclencher ce processus d'emballement irréversible sur Terre et rendre notre planète aussi inhospitalière que Vénus.

L'un des objectifs climatiques actuels est de limiter le réchauffement climatique sur Terre, induit par les gaz à effet de serre, à seulement 1,5° d'ici 2050. L'une des questions de la bourse de recherche de Chaverot est de déterminer si les gaz à effet de serre peuvent déclencher le processus d'emballement sous forme d'une légère augmentation de la température ambiante. la luminosité du soleil pourrait faire l'affaire. Si tel est le cas, la prochaine question sera de déterminer si les températures seuils sont les mêmes pour les deux procédés.

La Terre n’est donc pas si loin de ce scénario apocalyptique. "En supposant que ce processus incontrôlable se déclenche sur Terre, une évaporation de seulement 10 mètres de la surface des océans entraînerait une augmentation de 1 bar de la pression atmosphérique au niveau du sol. En quelques centaines d'années seulement, nous atteindrions une température au sol de plus de 500°C. Plus tard, on atteindrait même 273 bars de pression de surface et plus de 1 500°C, alors que tous les océans finiraient par s'évaporer totalement", conclut Chaverot.

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COMMENTAIRES 

1/xEiste-t-il une possibilité d’autres planètes habitables en dehors de la Terre ?

Absolument! Bien que nous disposions actuellement de peu d’informations et de preuves sur des mondes habitables spécifiques au-delà de la Terre, d’autres planètes de l’univers pourraient être habitables. L'astronomie et les études planétaires sont deux domaines d'études en cours qui se concentrent sur la recherche de planètes éventuellement hospitalières.

2/Quelle est la meilleure exoplanète pour la vie ?   D apres nos resultats actuels  ,en orbite autour de TRAPPIST-1, à 40 années-lumière TRAPPIST-1 e est peut-être le plus potentiellement habitable de tous. 

3/La plupart des exoplanètes découvertes à ce jour orbitent autour d'étoiles situées à moins de 400 al (années-lumière) du Système solaire. Au 1er février 2023 , il y a 5 307 exoplanètes confirmées dans 3 910 systèmes planétaires, dont 853 systèmes avec plus d'une planète.

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More information: G. Chaverot et al, First exploration of the runaway greenhouse transition with a 3D General Circulation Model, Astronomy & Astrophysics (2023). DOI: 10.1051/0004-6361/202346936

Journal information: Astronomy & Astrophysics 

Provided by University of Geneva 

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