Fait-il froid dans l’espace ?

Chronique présentée dans l’épisode Podcast Science 484 – Le froid.

Vous avez sans doute du voir des films avec des gens qui meurent dans l’espace. C’est souvent assez spectaculaire.

On a les yeux qui sortent de la tête dans Total Recall avec Scharzy, on a Drax, le méchant du film moonraker qui est aspiré en criant dans l’espace !

Drax, le méchant du James Bond, Moonraker (1979) de Lewis Gilbert, au moment du grand plongeon.

Et puis dans Mission to Mars de Brian De Palma, on a une scène où le gentil copain se sacrifie pour je ne sais plus pour quelle raison et ouvre son casque et se transform immédiatement en mister freeze. Autre exemple, dans Gravity, le corps du collègue de Sarah Bullock mort dans l’espace corps retrouvé par mort dans l’Espace sont congelés en quelques minutes.

Alors bon toutes ses morts sont romancés, ce qui vous tue d’abord dans l’espace, c’est le manque d’oxygène. Donc pas d’explosion, pas d’yeux qui sortent de la tête et pas de Mister freeze, mais un manque d’oxygène rapide alors que l’air s’échappe très vite de vos poumons. Bien sur, on ne vous entend sans doute pas crier, pcq pour qu’il y ai du son, il faut un gaz qui vibre et qui amène le son jusqu’à vos oreilles.

La mort de Woody, le mister Freeze dans Mission to Mars (2000) de Brian de Palma

Mais bon alors le mister freeze c’est crédible ou pas ? Pcq bon il fait froid dans l’espace non ? Genre vraiment très froid non ?

Et bien oui et non, il fait même parfois très chaud. Pour le comprendre on va parler un peu de température.

Alors la température, c’est pas simple à définir, pcq on utilise le même mot pour parler d’objet qui sont d’échelles très différentes. On parle de température pour un gaz et pour un humain par exemple alors que ce sont des choses très différentes avec des échelles très différentes. Comme souvent en physique quand vous essayer de parler de plusieurs échelles en même temps abec les même terme c’est souvent compliqué. En fait il y a plusieurs choses en physique que l’on appelle température et qui sont liés entre elle mais qui ne sont pas exactement la même chose.

Bon prenons un paquet d’atomes ou de molécules. Ils ne sont pas au repos. Ils bougent, se tapent entre eux et vibrent même. On définit la température comme la variable macroscopique qui rend compte de cette agitation pour l’ensemble de ces atomes. Cela permet de comprendre comment la température peut se transmettre d’un objet à un autre, d’un milieu à un autre. Par exemple, nous sommes en hiver, il fait froid dehors. Il fait chaud dedans car vous avez mis le chauffage. Du coup dedans les particules sont plus “agitées” que celle de dehors. Si vous ouvrez la fenêtre, les particules de l’air de dehors pas très agitées vont entrer en collision avec les particules du dedans qui sont très agités et vont alors avoir tendance à les ralentir. Ce n’est pas vraiment comme si l’air qui est dans votre pièce sort de la pièce, c’est qu’au contact des particules de l’air moins agité du dehors, ils vont perdre de leur agitation de leur énergie. Refroidir un matériau, c’est ralentir ses molécules, donc, leur prélever de l’énergie. De même l’air de votre pièce va avoir tendance à exciter un peu ceux du dehors et le refroidir. Bon mais comme il y a beaucoup plus de gaz dehors, ça va pas vraiment trop réchauffer le dehors. Ce transfert d’énergie on lui donne un nom assez logique, on l’appelle chaleur. Au bout d’un moment relativement long, ce transfert de chaleur se stabilise et il fait la même température dedans que dehors : c’est un équilibre.

Bon maintenant essayons de mesurer cette température avec un thermomètre. Prenons un thermomètre que tout le monde à, votre main. Votre main est capable de sentir la température normalement. Si vous la mettez au dessus du grille pain, vous êtes capable de sentir qu’il fait chaud, si vous la mettez dans l’eau glacée, vous sentez qu’il fait froid. Que se passe t’il à ce moment en fait ? Il se passe que l’eau froide va prendre de l’énergie à votre main ce qui va avoir tendance à la refroidir (et bien sur inversement comme tout à l’heure à réchauffer l’eau). Pareil au bout d’un moment il se passe un équilibre et votre main se retrouve à la température de l’eau. C’est comme ça que fonctionne un thermomètre aussi, pour mesurer la température, il finit par se stabiliser à la température de son milieu. Cet échange de chaleur entre un objet et un milieu fluide, de l’eau ou de l’air s’appelle la convection. C’est comme ça qu’on mesure la température à l’ombre qui est donné par météo France.

A l’ombre ? Pourquoi à l’ombre ? Pcq cette échange de chaleur entre un fluide (de l’air) et un solide (votre main, votre thermomètre) n’est pas la seule façon de transmettre de la chaleur. Il y en a un autre facile, c’est la conduction. Donc là ce n’est pas entre un fluide et un objet mais entre deux objets directement en contact, sans déplacement lent de matière. Exemple, votre main, la plaque du four pour sortir la pizza. Contact. Chaud. Rapide. Efficace.

Bon mais en retirant celui ci, il en reste encore un et c’est celui qui nous intéresse ici. C’est le transfert par rayonnement. C’est ce qui fait que le soleil nous transmet de l’énergie directement. Imaginez que vous êtes sur la plage, sous le parasol. L’un de vos pieds sort de l’ombre. Et bien vous avez immédiatement chaud au pied alors que vous n’avez pas chaud au mollet juste au dessus alors qu’on peut raisonnablement penser que l’air est à peu prêt à la même température. C’est le transfert de chaleur par rayonnement, directement du soleil.

Mais le transfert de chaleur par rayonnement dépend d’un tas de facteurs qui peut le changer. Par exemple si vous avec un t shirt noir ou un t shirt blanc vous n’allez pas absorber cette chaleur de la même façon et donc votre température va changer. S’il y a un nuage, la température va changer aussi rapidement. C’est pour ça qu’on calcule la température à l’ombre. On mesure la température de l’air, uniquement du à des variations de convections qui sont lentes. Ainsi quand la nuit tombe l’air se raffraichit mais ça met du temps. Et pareil le matin.

Bon sur Terre en pratique la température est un peu un mélange de tout ça. Exemple vous ouvrez la porte du four. Votre main touche la poignée qui est un peu chaude, c’est de la conduction. Il y a de l’air chaud qui sort du four et qui se mélange avec l’air extérieur et le réchauffe, c’est de la convection. Et puis le four émets un rayonnement, c’est du transfert par rayonnement. Tous les objets autour de nous émettent du rayonnement et même nous, ils émettent souvent pas comme le soleil une lumière dans le visible mais dans ce qu’on appelle l’infrarouge… thermique justement. C’est le nom de cette partie du spectre lumineux où les rayonnements se font pour nous.

Bon et bien maintenant revenons à l’espace. Il n’y a pas d’air, pas d’eau liquide, donc pas de de convection du tout. Mettons que votre objet est isolé, pas de contact direct donc pas de conduction non plus. Il ne reste donc que… le rayonnement. Du coup, sans fluide qui fait de l’équilibre, qui maintient la température relativement stable partout. C’est assez binaire. Si vous êtes au soleil, bah il fait super chaud. Si vous êtes à l’ombre il fait super froid. Prenons la lune. Quand la nuit tombe sur la Lune, la surface passe de plus de 150 degrés celsius le jour à moins 150 degrés la nuit. Donc en fait il fait très chaud et très froid dans l’espace.

Si vous êtes proche d’une étoile il fait très chaud. En deçà d’une certaine distance au soleil, il est même impossible d’avoir de l’eau sous forme de glace. C’est ce qu’on appelle la ligne des glaces autour d’une étoile, c’est la limite autour de laquelle il est impossible d’avoir de la glace. Dans le système solaire, elle est entre Mars et Jupiter. Si vous mettez un glaçon en orbite, il va assez rapidement fondre et même se vaporiser. Par contre si vous êtes très loin, vous pouvez avoir de gros morceaux de glaces qui se baladent, c’est ce qu’on appelle des comètes. En dessous au soleil, pas de glace de manière stable.

Bon mais revenons à notre méchant de James Bond éjecté par le sas en orbite terrestre. Va t il se transformer en Mister freeze ? Et bien non, s’il est au soleil, il ne va pas particulièrement geler, sauf s’il est à l’ombre du soleil pendant un long moment. Et même si il est à l’ombre du soleil, il ne va pas se refroidir immédiatement, car là encore il n’y a pas d’air pour faire des transfert thermique efficace. La seule façon pour lui de perdre de la chaleur est de la diffuser lui aussi par rayonnement, comme votre four. Mais ça va mettre très longtemps, sans doute plusieurs heures avant qu’il ne gèle complètement. Si vraiment vous voulez transformer votre méchant de James Bond en Mister Freeze, il est sans beaucoup beaucoup plus rapide et plus efficace de le lâcher de nuit en antarctique, car les transferts thermiques sont beaucoup plus efficace.

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