Masse, rayon; densité structure interne

tbd

Composition

Yves Bénilan (2014)

Surface

Alice Le Gall (2014)

Prérequis : Composition des planètes (manteaux silicatés/glacés...)

• Décrire :
  • Température des surfaces (température d’équilibre radiatif/température de surface, conduction de la chaleur dans le sol)
  • Processus de cratérisation et âges des surfaces
  • Processus d’altération des surfaces sans atmosphère (bombardement micro-météoritique, émission solaire, rayons cosmiques, dilation thermique)
  • Erosion des surfaces avec atmosphère (altération chimique et physique, cycle gel/dégel, érosion fluviale, éolienne…)
  • Renouvellement des surfaces (volcanisme dans les manteaux silicatés, cryo-volcanisme, tectonique)
• Comprendre : Rayonnement électromagnétique, notion de corps noir, d’émissivité, d’albédo de Bond, lois de Planck, de Wien, de Stefan, de Kirchhoff…
• Se tester : Zone d’habitabilité / de stabilité de la glace du système solaire, exercices sur la notion de profondeur de peau thermique (diurne ou saisonnière), exercice sur la cratérisation/la croissance du régolite lunaire, exercices de géomorphologie (photo-interprétation)…
• Mini-projet : Applette température de surface

Orbites

V. Ciarletti

Formation, évolution

P. Thébault (2015)

Systèmes planétaires

tbd

Température

Emmanuel Marcq

• Introduction : Prérequis : thermodynamique du gaz parfait, notion d'énergie cinétique/potentielle, hydrostatique
• Décrire :
  • La température des couches externes détermine en grande partie les conditions à la surface et les observables à distance.
  • Détermine (avec la pression) les états de la matière possibles ("volatils").
  • Compétition énergie thermique / gravité : notion d'échelle de hauteur, de gradient adiabatique (qualitatif)
  • Équilibre avec rayonnement EM : notion d'émission et absorption thermique (Corps noir), température d'équilibre et température efficace.
  • Effet de serre
• Comprendre :
  • diagramme des phases
  • échelle de hauteur, gradient adiabatique (quantitatif)
  • lois de Planck, de Wien, de Kirchoff.
  • Calculs de Teff autour d'une étoile (sans atmosphère)
  • Modèle à une couche d'effet de serre.
• Se Tester : Exercices simples d'application des lois ci-dessus (contexte exoplanétaire ? films de SF ?)
• Mini-projet : manipulation d'un modèle/applet à deux couches (http://marcq.page.latmos.ipsl.fr/TP_En680/TP_En680.html)

Dynamique atmosphérique

T. Navarro, V. Ciarletti (2015)

Prérequis : notion de fluide, ondes mécaniques, pression, force de Coriolis

• Décrire : Bilan radiatif au sommet de l'atmosphère : nécessité d'une circulation Revue des différentes dynamiques atmosphériques connues : Vénus, Terre, Mars, Titan, planètes géantes
• Comprendre :
  • Équations primitives
  • Cellule de Hadley : structure et description, vent jet
  • Équilibres géostrophique, cyclostrophique
  • Ondes : acoustique, de gravité, de marée, de Rossby, ondes barocline, barotrope
  • Ondes stationnaire, progressive
  • Interaction flot moyen : Flux d'Eliassen-Palm et théorie «transformed eulerian mean», gravity wave drag, etc ...
• Se tester : Questions sur les points précédents
• Mini-projet : Applet qui passe en revue les structures atmosphériques appliquées à différentes planètes, selon différents paramètres :
  • Taille et flux d'une cellule de Hadley en fonction de paramètres planétaires : rayon, rotation, échelle de hauteur atmosphérique
  • Ondes : revue des différents types d'ondes en fonction de paramètres.

Haute atmosphère (ionosphère, thermosphère, exosphère)

Jean-Yves Chaufray

Composition, nuages aérosols

Yves Bénilan

Prérequis : Equilibre hydrostatique, cinétique chimique, thermodynamique (enthalpie de réaction, chaleur latente), base de structure moléculaire (énergie de liaison, énergie d'ionisation)

• Décrire :
  • Introduction : Les planètes avec une atmosphère dans le système solaire : les planètes géantes et les planètes tellurique.
  • Atmosphères primitives et secondaires.
  • Thermochimie et photochimie
  • Atmosphères oxydantes et réduites.
  • Complexification de la chimie sous l'influence d'une source d'énergie.
  • Aérosols photochimiques et nuages
  • Interaction atmosphère/surface: sources et puits
  • Variations saisonnières
• Comprendre :
  • Diffusion atmosphérique
  • Equilibre thermochimique, réaction exothermiques et endothermiques
  • Interaction rayonnement matière, ionisation et photolyse.
  • Cinétique chimique
  • Croissance moléculaire.
  • Equilibre thermodynamique: évaporation et condensation (Référence à Température)
  • Coagulation et coalescence.
• Se Tester : Exercices simples sur la diffusion moléculaire (temps caractéristiques), cinétique chimique (temps caractéristiques), équilibre thermochimique (exothermique/endothermique), équilibres de phase (condensation/évaporation),
• Mini-projet : Etudes d'articles

Satellites anneaux

tbd

Magnétosphère

S. Hess, R. Modolo (2014)

• Introduction : pré-requis : électromagnétisme
• Décrire :
  1. Topologie et nomenclature
  2. Différences magnétosphres intrinsèque / induite
  3. champ interne
  4. aurores
• Comprendre:
  • dynamique des particules chargées
  • invariants adiabatiques (vitesse de dérive)
  • théorème du champ gelé
  • courant
  • déformation de la magnétosphère
  • (processus d'accélération des particules chargées)
• Se Tester : QCM + exercice (calcul analytique) sur le mouvement d'une particule chargée dans un champ électromagnétique uniforme
• Mini-projet :
  • mesures satellitaires et identifications des régions observées
  • éventuellement un calcul sur les invariants adiabatiques

Disques et petits corps

N. Fray

Introduction :

1. Qu'est ce qu'un disque ?
2. Qu'est qu'un petit corps ?
3. De quoi est-il composé ?

• Décrire :
  1. Formation des planètes, lien avec II.A (notions de disque, planétésimal, petits corps,...)
  2. Migration des planètes (interactions disque / planètes)
  3. Les différents types de petits corps : astéroïdes, KBOs, comètes,...
  4. Propriétés physico-chimiques, orbitales,... des petits corps => Les différences entre les petits corps
  5. Les impacts : (interactions petits corps / planètes) probabilités, description de quelques impacts notables (Shoemaker-Levy 9 sur Jupiter en 1994, Tunguska sur Terre en 1908)
  6. Les météorites
  7. Apport de l'étude des petits corps à la compréhension de la formation du système solaire.
• Comprendre :
  1. Météorites différenciées et non-différenciées
  2. Datations isotopiques des météorites => Datation des 1ers solides du système solaire
  3. Datation des surfaces planétaires (densité surfacique de cratères)
• Se tester : Quelques exercices simples. QCM et/ou questions sur les points précédents.
• Mini-projet :

Exobiologie : Etudes de la vie dans les environnements extraterrestres

F. Stalport, Y. Bénilan

Introduction Définition de la Vie : pour la biochimie, pour la biologie, pour les physiologistes pour les généticiens, pour les physiciens, pour les animistes…

• Décrire :
  • Recherche de structures moléculaires pouvant être à l’origine d’une chimie prébiotique : Milieu interstellaire, Comètes, Météorites, Atmosphère (Titan), Mars, Europe, Exoplanètes
  • Recherche de Vie passée ou présente dans des environnements extraterrestres qui sont ou ont pu être compatibles avec son apparition Mars, Europe, Exoplanètes
• Comprendre :
  • Sources de matériau carboné :
    • synthèses atmosphériques (exemple : atmosphère de Titan)
    • apports du milieu interplanétaire (exemple : les météorites carbonées, Murchison)
    • sources hydrothermales/serpentinisation (exemple : Europe par analogie avec la Terre)
  • Exobiologie et exploration spatiale
    • Mars (la mission Viking et la recherche de vie, ALH84001 témoin d’une vie passée ?, présence passé d’eau liquide par les MER, Mars Express et MRO, recherche de traces de matière organique et de trace de vie par MSL)
    • Titan (atmosphère réductrice dense avec azote, Tholins : Voyager, Cassini-Huygens)
    • Comètes (apport extraterrestre de matériau organique, lien avec le milieu interstellaire, eau : Stardust, Deep Impact, Rosetta)
    • Satellite galiléens (Europe, Ganymède : Océan interne, interaction avec le noyau rocheux : Voyager, Galileo, JUICE)
• Se tester : QCM sur les missions spatiales et leurs apports à l'exobiologie
• Mini-projet : Rechercher sur les sites d’agences spatiales les prochaines missions qui sont susceptibles d’apporter des éléments de réponse aux questionnements actuels sur l’exobiologie

Exobiologie : Origine de la vie sur Terre

M. Bertrand et F. Westall

• Décrire :
  • Historique : chimie prébiotique
  • Définition actuelle : origine et évolution de la Vie (sur Terre), atomes, molécules, cellules, organismes
  • Définition de la Vie : le vivant terrestre comme référence : la notion de vie reste compliquée à définir (entre molécules et cellules) et est très variable d’une culture à l’autre.
  1. Le vivant sur Terre : les organismes
     • L’arbre du vivant actuel et ses trois grands groupes (archées, bactéries, eucaryotes).
       • Archées
       • Bactéries
       • Eucaryotes
       • Différence et similitude entre ces trois grands groupes
       • Différence entre entités biologiques (virus) et êtres vivants : caractéristiques d’un organisme vivant.
     • Environnements nécessaires au vivant
     • Les limites du vivant
     • Les extrêmophiles (acidophiles, alcalophiles, halophiles, métalotolérants, psychrophiles, piézophiles, radiorésistants, thermophiles, hyperthermophiles)
  2. La vie sur la Terre primitive
     • Nature de la vie primitive terrestre (le vivant autrefois)
     • Evolution de la vie primitive terrestre
     • LUCA : embranchements possibles
     • Préservation des microorganismes (selon leur nature, leur environnement, …) ; Processus de fossilisation; Biosignatures
     • Les plus anciennes traces de vie
  3. Le vivant sur Terre : les molécules de la vie
     • Environnements nécessaires à l’évolution des molécules organiques vers le vivant (sources d’énergie, matière organique, eau liquide)
     • Processus physicochimiques favorables à son apparition (température, salinité, acidité, …)
     • Les macromolécules du vivant et leurs fonctions
       • Protéines
       • Acides nucléiques
       • Sucres
       • Lipides
     • La chiralité
• Comprendre :
  • Sources de matériau carboné : atmosphère, apports extraterrestres, sources hydrothermales (évents marins).
  • Chimie prébiotique : Pasteur, Oparin, Miller, Synthèse de Strecker, Formose, peptides, réactions de Fisher-Tropsch.
  • Les grands types de métabolismes : types trophiques
  • Processus de préservation des traces de vie (fossilisation, carbonatation) dans le détail.
  • Le 2- (molécules de la vie) peut être repris en approfondissant certaines notions.
• Se tester : Quelques exercices à proposer :
  1. trouver les macromolécules qui correspondent à leur fonctions
  2. trouver les différents apports potentiels de matière organique,
  3. réactions chimiques : quelles réactions dans quel environnement.
• Mini-projet :

Flux et spectre

L. Rossi, E. Marcq

• Introduction : Pré-requis : notion de spectre électromagnétique, corps noir, loi de Kirchhoff (II.C.3) *Note* : on se concentre sur l'IR thermique.
• Décrire :
  • Source de flux IR thermique des planètes : température de la surface / de l'atmosphère
  • Notion qualitative de profondeur optique ( tau = 1 là d'où vient l'émission thermique)
  • Profondeur optique dépend de la fréquence pour les surfaces et le gaz : spectre parfois complexe, mais grande richesse scientifique
• Comprendre :
  • Notion de température de brillance.
  • Loi de Beer-Lambert sans diffusion
  • Concept de sondage thermique : composition et/ou sondage de profil T(z)
• Se tester : Des exercices avec la loi de Wien et un peu de transfert radiatif très simple. Voir exercice sur les Anneaux de Saturne de Fenêtres sur l'Univers ?
• Mini projet : Spectroscopie : recherches de composés dans spectres thermique d'exoplanètes ? Utilisation du flux IR dans les transits secondaires d'exoplanètes (conflit avec V.A.2 ?). Applet de simulation (Selsis et al. simplifié) ?

Flux ultra-violet

Jean-Yves Chaufray

Emissions UV des hautes atmosphères

• Introduction : Prérequis: Mécanique du point, structure verticale des atmosphères, ...
• Décrire : Description succinte des hautes atmosphères planétaires (thermosphère, ionosphère, exosphère) Description de la structure atomique des atomes (exemple H). Description des différents processus d’émissions - Excitation par le rayonnement solaire (raie résonante) - Excitation par impact de particules énergétiques (émissions aurorales) - Réactions chimiques (nightglow) On se focalise sur l’émissions Lyman alpha de H, des émissions dayglow UV, des émissions aurorales UV et une réaction nightglow ( ex: NO). On se limite au cas optiquement mince, quelques mots sur la diffusion multiple
• Comprendre : Théorie cinétique des gaz et collisions (distribution des vitesses, section efficace de collisions, libre parcours moyen, transition atmosphère/exosphère, échappement de Jeans), diffusion moléculaire(?), fonction de Chapman ?, collisions elastiques et inelastiques (excitation/ionisation par collisions) Modèle de l atome de Bohr de l’hydrogène, formule de Rydberg): Raie Lyman alpha de H, longueur d’onde pour ioniser différentes espèces (H, O...) Facteur d’excitation et émissivité, intensité intégrée, unité Rayleigh
• Exercices possibles: Séparation des raies Lyman alpha du deutérium et de l’hydrogène +QCM et exercices usuels de théorie cinétique et atomistique, reprendre des exercices de Schunk et Nagy.
• Mini- Projet : Etudes des spectres UV de Mars; Expliquer la variation en altitude des spectres; Pourquoi les raies de l’oxygène à 135.6 nm et 297 nm ne sont pas observées à haute altitude contrairement à la raie 130.4 nm ? Détermination de l’intensité de la raie Lyman alpha en fonction de l’altitude: Justifier simplement que l’émission n’est pas optiquement mince. Détermination de l’intensité des Emissions de CO2+ et Cameron (SPICAM/Mars Express): détermination de l’altitude du pic, de l'échelle de hauteur au-dessus du pic, explication possible des différences ...

Flux radio

Jean-Mathias Griessmeier, Alice Le Gall

• Pre-requis: polarisation?
• Décrire : - XXX - historique, avec quelles instruments, à quoi ca sert
• Comprendre :
  • rayonnement corps noir / émission thermique * physique et equations * données * interpretations de parametres physiques -> cette section sera probablement deplacée lors de la restructuration ]
  • - maser? (découvertes controversées, donc pas evident pour un cours)
  • - rayonnement synchrotron (Jupiter) * physique et equations * donnees * interpretations de parametres physiques
  • - rayonnement par éclairs d'orages (Saturne, Uranus) * physique et equations * donnees * interpretations de parametres physiques
  • rayonnement magnetosphérique (CMI, polarisation) * physique et equations * donnees * interpretations de parametres physiques
  • occultation radio (Saturne, Mars, ...) (ALG?) * physique et equations * donnees * interpretations de parametres physiques
  • radar planetaire * physique et equations * donnees * interpretations de parametres physiques
  • radiometrie micro-onde (ALG)
• Se tester :
• Mini-projet :
  • observation de Jupiter (rayonnement magnetosphérique) par NDA ou LOFAR?
  • observation de Jupiter (rayonnement synchrotron) par LOFAR?

Vitesse radiale

tbd

Transits

tbd

Imagerie

Jean-Loup Beaudino

• Décrire :
  1. Décrire le domaine (idée de base), son historique (des premières annonces rapidement contre- dites aux découvertes récentes) et les premières difficultés rencontrées (une liste des con- traintes sur les observations).
  2. Buts Les objectifs de ce genre d’étude: faire de nouvelles découvertes, et obtenir des informa- tions supplémentaires sur les exoplanètes pour ainsi mieux comprendre les planètes en général.
  3. Exemples d’instrument Quelques exemples d’instruments tant spatiaux que terrestres qui participent à la recherche en imagerie directe. HST, Spitzer, NaCo, SPHERE
  4. Cibles Les critères de sélection des étoiles cibles pour rechercher les exoplanètes par imagerie directe en abordant les problèmes de flux lumineux, d’âge du système ...
  5. Illustrations Quelques exemples de système de planètes observés par imagerie directe et où l’existence de planète est confirmée.
• Comprendre : Tour des concepts physiques nécessaires avec des liens vers les cours en ligne détaillés si ils apparaissent ailleurs dans le site (photométrie, mécanique céleste, formation ...), sinon ils le seront ici (imagerie et optique ondulatoire ...).
  1. La physique de la cible La cible : son orbite, sa formation, la présence de poussière, sonde rayonnement corps noir et l’estimation de son âge.
  2. Les sources d’informations Les observables : la séparation angulaire, la magnitude. 2.3 L’acquisition de l’information Rappels d’optique ondulatoire, et détail sur les concepts de coronographie, d’optique adaptative et d’interferométrie.
• Se tester : QCM sur le lexique du cours, exercices sur les points abordés précédemment, un problème sur la «facilité » à détecter la Terre et Jupiter depuis AlphaCen b en imagerie directe.
• Mini-projet : Manipulation autour d’image coronographique, images à plusieurs étapes du chemin optique et de la réduction, identifier les étapes , la présence ou non de planète.

Electromagnétisme

Ronan Modolo, Sébastien Hess

• Inroduction : Les pré-requis nécessaires sont ceux de mécanique du point d'électromagnétisme, et dans la mesure du possible des notions de physique des plasmas. Les connaissances. Chap. II-D-3 (magnétosphere)
• Découvrir:
  1. (1- Mouvement d'une planète autour de(s) l'étoile(s) a- Problème à 2 corps (Etoile - Exoplanète) b- paramètres de l'orbite c- Problème à 3 corps (2 Etoiles - 1 exoplanète / 1 Etoile - 2 exoplanètes) (d- vers un problème à N-corps)) (en relation avec le chapitre II A à enlever si redondance)
  2. Propriétéés fondamentales d'un vent solaire/stellaire
  3. Propriétés des objets et de leur interaction avec l'étoile
     1. Exoplanète sans atmosphère ni champ intrinsèque (ex système solaire : lune, astéroides,...)
     2. Exoplanète avec atmosphère mais pas de champ intrinsèque ( ex système solaire : Mars, Vénus, Titan, Comètes)
     3. Exoplanète avec champ intrinsèque (ex système solaire : Terre, Jupiter, Saturne,...) Terre (cycle de Dungey), Saturne/Jupiter (influence de la rotation de la planète)
     4. relation Etoile magnétisée et exoplanète proche
  4. Propriétés de frontières que l'on peut rencontrer :
     1. choc
     2. magnétopause
• Comprendre : Processus d'ionisation Physique des chocs dans le milieux (plasma) non-collisionnels (* vers des notions de magnétohydrodynamique) Echappement
• Se Tester : QCM + exercice sur condition de passage pour les chocs (3)
• Mini-projet :
  • modèle numérique pour décrire la dynamique d'interaction ‡ 2/3 corps
  • TP (AMDA) sur les données satellitaires (choc)

Dynamique

Jean-Matthias Griessmeier

• effet de marée
  • synchronisation de l'orbite (mini-projet?)
  • modification de l'orbite, planetes qui tombent dans leurs etoiles
• evolution de l'atmosphere
  • chauffauge XUV
  • evolution du vent stellaire?
  • CMEs pour planetes proches?
  • evaporation atmospherique
• protection magnetique, rayons cosmiques?
• zone habitable / habitabilité (mini-projet?)

Relations Soleil-Terre

Thierry Dudok De Wit

Ce grain possède comme fil conducteur: les relations Soleil-Terre et, par extrapolation, ce qu'ils nous apprennent sur la relation étoile-planète.

1. les différentes vecteurs d'interaction entre étoile et planète: rayonnement électromagnétique, perturbations plasma, particules énergétiques. Dans cette partie, l'accent sera mis sur les interfaces plus que sur les milieux eux-mêmes. Après une description phénoménologique des différentes régions et de leurs caractéristiques (de la couronne solaire à l'atmosphère planétaire), je décrirai les différents vecteurs d'interaction et enfin les moyens d'observation.
2. Météorologie et climatologie du milieu spatial. Cette partie mettra en exergue les aspects plus applicatifs du volet précédent (avec application à la Terre surtout). La partie climatologie abordera l'évolution à long terme du milieu spatial, son impact sur le climat et sur la formation de l'atmosphère planétaire.