Questions to the experts

La question semble vouloir dire : « Comment mesure-t-on la température d'une planète ? » (Sinon la détermination au sens thermodynamique du terme est la même pour la Terre et les autres planètes : un équilibre entre les sources de chauffage interne, externe - le Soleil -, et les pertes par rayonnement vers l'espace freinées par l'effet de serre de l'atmosphère s'il y en a une).

Pour ce qui est de la mesurer, alors qu'on ne peut pas y planter un thermomètre à mercure, on s'y prend ainsi : on sait que tous les corps ayant une température supérieure au zéro absolu émettent un rayonnement "lumineux" (électromagnétique pour employer le terme savant) pas forcément détectable par l'oeil humain qui ne voit que la lumière dite "visible" mais que l'on sait mesurer avec des appareils. Ce rayonnement se fait à de nombreuses fréquences (ou longueurs d'onde aussi) différentes (le Soleil émet dans toutes les couleurs de l'arc-en-ciel mais aussi au-delà et en-deçà) avec un pic en intensité dont la fréquence (la "couleur") est directement liée à la température d'émission du corps. Ainsi le rayonnement cosmologique à 2.7 K de température pique vers 1 mm de longueur d'onde, le corps humain à 37°C (soit 310 Kelvin) pique dans l'infrarouge moyen (à 10 microns ce qui permet de voir les corps "chauds" la nuit avec des jumelles sensibles à l'infrarouge) et le Soleil à 6000°K pique dans le jaune (0,5 microns de longueur d'onde) etc.
Donc, en observant les planètes avec un instrument détectant les infrarouges, on peut rechercher la longueur d'onde du pic d'émission et en déduire sa température (en fait, connaissant la taille physique de l'objet, une seule mesure à une fréquence suffit, mais c'est un détail).

La question est à double sens. On peut d'abord comprendre "comment mesure-t-on la température d'une planète ?". On peut aussi se demander "Qu'est ce qui fixe la température d'une planète ?". Je réponds à la seconde ! en simplifiant un peu...

Une planète est en orbite autour de son étoile. L'essentiel de l'énergie qu'elle reçoit provient de cette étoile sous forme de lumière (une autre partie peut aussi remonter des entrailles de la planète ; c'est le cas de la Terre). La lumière peut être réfléchie (à cause des nuages, des calottes polaires, des neiges, des océans, etc.) ou absorbée (feuillage, sol, etc.). L'énergie réfléchie retourne dans l'espace, l'énergie absorbée chauffe la planète qui, en retour et comme tout corps chaud, rayonne.
La température moyenne de la planète est celle qui permet d'équilibrer le bilan "énergie absorbée = énergie rayonnée". La subtilité est que l'énergie rayonnée l'est à une longueur d'onde différente de celle de la lumière incidente. Typiquement, la lumière incidente est dans la gamme visible (disons 0,5 microns) et le sol rayonne dans la gamme infrarouge (disons 10 microns).
Cette subtilité est importante s'il y a une atmosphère. Généralement, celle-ci absorbe l'infrarouge et l'énergie rayonnée par le sol reste confinée dans l'atmosphère au lieu de s'échapper dans l'espace : c'est l'effet de serre qui augmente sensiblement la température de surface. Par exemple, sans atmosphère la température moyenne de la Terre serait de -18°C, alors qu'elle est plutôt de +15°C.
Autre point, les écarts de température sur une planète sans atmosphère peuvent être très importants, même entre des points proches. Sur Mars, il suffit d'être à l'ombre pour que la température chute de plusieurs dizaines de degrés ! Une atmosphère permet aussi de "lisser" les écarts de température entre ombre et lumière, entre jour et nuit.