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Séminaire ISTerre
Moist Convection Inhibition and Its Consequences for Planetary Atmospheres and Interiors
mardi 19 mai 2026 - 11h00
Tristan Guillot - Observatoire de la Côte d'Azur---
Convection governs the structure, internal temperatures, and cooling of planets. When an abundant chemical species condenses, the latent heat released can lead to more efficient heat transport. This situation is familiar to us, as it occurs in Earth’s atmosphere during thunderstorms, where the condensation of water can drive very rapid upward motions and sometimes give rise to devastating storms. The temperature gradient to consider under these conditions becomes the moist adiabatic gradient, closer to an isothermal profile, and representative of efficient energy transport.
However, when condensable species are both abundant and heavier than the surrounding gas or fluid, the opposite effect can occur: the release of latent heat maintains a higher abundance of these species than in the environment, which inhibits convection. This inhibition occurs independently of the temperature gradient itself, leading to potentially very pronounced superadiabaticity, controlled by other available processes for heat transport (radiation, conduction) and by the precipitation of condensates.
This situation occurs with methane in the atmospheres of Uranus and Neptune. It could also occur with water on Jupiter and Saturn, potentially explaining some of the structures observed by the Juno and Cassini missions. In the depths of these planets, the latent heat released by helium droplets during their phase separation from hydrogen also creates a powerful barrier to convection, which could explain the observed dichotomy in their magnetic fields.
In the case of exoplanets, the inhibition of moist convection should prevail in a wide variety of situations: in the atmospheres of metal-rich, hydrogen-dominated exoplanets, particularly those that are temperate and contain abundant condensable species like water. It should also affect the internal structures of super-Earths with magma oceans.
I will review numerical simulations that include the inhibition of moist convection and discuss its effects on planetary atmospheres and interiors, from the planets of the solar system to exoplanets. I will also show how efforts to discover new long-period planetary systems, particularly within the EXTRASTEP program and the PLATO mission, should ultimately allow us to better understand this mechanism and, beyond that, the dynamics of planetary atmospheres.
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La convection régit la structure, les températures internes et le refroidissement des planètes. Lorsqu'une espèce chimique abondante condense, la chaleur latente libérée peut entraîner un transport de chaleur plus efficace. Cette situation nous est naturelle, car elle se produit dans l'atmosphère terrestre lors des orages, où la condensation de l'eau peut entraîner des mouvements ascendants très rapide et donner parfois naissance à des tempêtes dévastatrices. Le gradient de température à considérer dans ces conditions devient le gradient adiabatique humide, plus proche de l'isotherme. Il est représentatif d'un transport d'énergie efficace.
Cependant, lorsque les espèces condensables sont à la fois abondantes et plus lourdes que le gaz ou le fluide environnant, l'effet inverse peut se produire : la libération de chaleur latente maintient alors une abondance de ces espèces plus élevée que dans l'environnement, ce qui inhibe la convection. Cette inhibition se produit indépendamment du gradient de température lui-même, conduisant à une superadiabaticité potentiellement très marquée, contrôlée par d'autres processus disponibles pour le transport de chaleur (rayonnement, conduction) et par la précipitation des condensats.
Cette situation se produit avec le méthane dans les atmosphères d'Uranus et de Neptune. Elle pourrait également survenir avec l'eau sur Jupiter et Saturne, et expliquer certaines des structures observées par les missions Juno et Cassini. Dans les profondeurs de ces planètes, la chaleur latente libérée par les gouttelettes d'hélium lors de leur séparation de phase avec l'hydrogène crée également une barrière puissante à la convection, ce qui pourrait expliquer la dichotomie observée dans leurs champs magnétiques.
Dans le cas des exoplanètes, l'inhibition de la convection humide devrait prévaloir dans une grande variété de situations : dans les atmosphères d'exoplanètes riches en métaux et dominées par l'hydrogène, en particulier celles tempérées où des espèces condensables abondantes comme l'eau sont présentes. Elle devrait aussi affecter les structures internes des super-Terres dotées d'océans de magma.
Je passerai en revue les simulations numériques incluant l'inhibition de la convection humide et discuterons de ses effets sur les atmosphères et les intérieurs planétaires, des planètes du système solaire aux exoplanètes. Je montrerai aussi comment les efforts de découvrir de nouveaux systèmes planétaires à longue période, en particulier dans le cadre du programme EXTRASTEP et de la mission PLATO devrait nous permettre à terme de mieux comprendre ce mécanisme et au-dela la dynamique des atmosphères planétaires.
Equipe organisatrice : Géodynamo
Amphithéâtre Killian, Maison des Géosciences, 38400 Saint Martin d'Hères
Informations de visio :
https://univ-grenoble-alpes-fr.zoom.us/j/93399355851?pwd=7eiEwSgzKb9LCqJGHUuzAgQUPyaSx4.1
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