Partie 1: La terre dans l'univers : une planète habitée

 

PLAN DU COURS

 

I - La Terre, une planète du système solaire

     A/ Le système solaire proche

     B/ Le système solaire lointain

     C/ Les distances dans le système solaire: notion d'échelle

 

II - La Terre: une planète abritant la vie

     A/ L'atmosphère des planètes du système solaire

           1) Le rôle de la distance planète-Soleil

          2) Le rôle d'une atmosphère épaisse

          3) Le rôle de l'hydrosphère

          4) La nécessité d'un effet de serre modéré

     B/ La présence d'eau liquide

     C/ Les distances dans le système solaire

 

 

 


Source: Villemin Gérard
Une vue d'artiste de notre galaxie: la Voie Lactée. Le point au bout de la flèche rouge représente la position de notre soleil.

I - La Terre, une planète du système solaire


A l'heure actuelle nos connaissances montrent que la Terre est la seule planète connue où la vie est présente. Notre planète est localisée dans le système solaire, un système simple parmi 100 milliards d'autres dans notre galaxie: la Voie lactée.

 

Nous pouvons observer une tranche de notre Galaxie en admirant la Voie Lactée juste au-dessus de nos têtes, mais il faut une belle nuit bien noire. C'est sa traînée blanchâtre, ressemblant à une coulée de lait qui lui vaut de porter ce nom.

Une vue d'artiste du système solaire avec les orbites des planètes représentées par une ellipse bleue. Les planètes ne sont pas à l'échelle. Sur cette vue nous observons le système solaire "proche". Source: wikipédia.
Une vue d'artiste du système solaire avec les orbites des planètes représentées par une ellipse bleue. Les planètes ne sont pas à l'échelle. Sur cette vue nous observons le système solaire "proche". Source: wikipédia.
Le système solaire avec ses planètes dont les dimensions sont à l'échelle (les distances non). Source: wikipédia.
Le système solaire avec ses planètes dont les dimensions sont à l'échelle (les distances non). Source: wikipédia.


Le système solaire est constitué par l'ensemble des objets gravitant autour de notre étoile : le Soleil.


Le système solaire peut être divisé en 2 parties :

- le système solaire "proche" comprenant tous les objets entre le Soleil et la planète Neptune (voir schémas ci-dessus),

- le système solaire "lointain" qui comprend tous les objets présents au-delà de Neptune qui comprend par exemple Pluton (qui n'est plus une planète sensus stricto).


On définit une planète comme " un corps céleste en orbite autour du Soleil et qui possède une masse suffisante pour que sa gravité l'emporte sur les forces de cohésion et la maintienne sous une forme ronde". 

(le mot planète du latin planetus qui signifie "astre en mouvement")


Les planètes naines sont des corps dont la taille est intermédiaire entre une planète et un corps plus petit (et qui n'est pas un satellite naturel comme la Lune). 



 

A/ Le système solaire proche

 

Il comprend 8 planètes dont l'ordre est le suivant (et leur principaux satellites entre parenthèses); cliquez sur les planètes pour davantage de détails :

- Mercure,

- Vénus ,

- Terre (un satellite naturel, la Lune),

- Mars,

- Jupiter (Io, Europe, Ganymède, Callisto),

- Saturne  (Mimas, Encelade, Téthys, Dioné, Rhéa, Titan, Hypérion, Japet, Phœbé),

- Uranus  (Ariel, Umbriel, Titania, Obéron, Miranda)

- Neptune (Triton).

- (Pluton qui ne fait plus partie de cette liste depuis quelques années)


Voici une phrase servant de moyen mnémotechnique pour retenir l'ordre des planètes: Mon Vieux Tu m'As Jeté Sur Une Navette Pourrie (chaque majuscule orange correspondant à la première lettre d'une planète; et voici d'autres phrases sur ce site si celle-ci ne vous convient pas: LIEN).


Toutes les planètes du système solaire se sont formées il y a 4,6 Ga (milliards d'années). 

 

Ci-dessous les principales caractéristiques des planètes dans un tableau synthétique:

Principales caractéristiques des planètes du système solaire. Source: ENS LYON
Principales caractéristiques des planètes du système solaire. Source: ENS LYON

 

Il ressort de cette étude que les planètes peuvent se classer en 2 catégories:

- les planètes telluriques (= planètes rocheuses) possédant une surface rigide et composée de roches et de métaux et constituées, en général, de 3 couches concentriques: la croûte, le manteau et le noyau. On les nomme "planètes telluriques" (du grec tellus, la terre). On en trouve 4 : Mercure, Vénus, la Terre et Mars.  Elles sont plus proches du Soleil et de plus petit diamètre. Leur densité est élevée en raison de leur nature rocheuse. Elles sont constituées par un noyau entouré d'un manteau, puis d'une croûte. Elles sont de nature silicatée (silicium et aluminium) et métallique (fer, magnésium) Leurs satellites présentent les mêmes caractéristiques.


Structure des enveloppes des planètes telluriques. Source: cliquer sur l'image.
Structure des enveloppes des planètes telluriques. Source: cliquer sur l'image.

Les données sismologiques et l'étude de la composition des météorites retrouvées sur Terre ainsi que l'étude de la surface de la Lune a permis de  mettre en évidence la présence d'enveloppes concentriques constituant les planètes telluriques:

- la croûte

- le manteau

- le noyau


- les planètes géantes gazeuses sont constituées essentiellement de gaz légers tels que l'hélium et l'hydrogène. Il en existe 4 : Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune. Elles possèdent un plus grand diamètre que la Terre mais sont moins denses car constituées d'éléments légers (l'hélium et l'hydrogène) avec un petit noyau constitué, théoriquement, de roche et de glace. Il est à noter que Saturne possède une densité de 0,69 inférieure à celle de l'eau : elle pourrait donc, théoriquement, flotter sur l'eau !


Structure des enveloppes des planètes gazeuses. La Terre est en haut à droite pour donner l'échelle. Source :
Structure des enveloppes des planètes gazeuses. La Terre est en haut à droite pour donner l'échelle. Source :

 

 

Le système solaire comprend 2 ceintures d’astéroïdes:

-  une ceinture d’astéroïdes entre Mars et Jupiter, on l'appelle la ceinture principale car c'est elle qui contient le plus d’astéroïdes (il y en aurait plus de 1 700 000),

- la ceinture de Kuiper au-delà de l'orbite de Neptune (elle est constituée d’astéroïdes et de Pluton,  Makémaké et Hauméa, 3 planètes naines). La plupart des scientifiques considèrent que la ceinture d'astéroïdes est composée de résidus du Système solaire primitif qui n'ont jamais formé de planète.

 

 

 

B/ Le système solaire lointain

 

Constitué par les planètes naines Pluton, Makémaké et Hauméa ainsi que par la ceinture d’astéroïdes troyens. Le nuage d'Oort (nuage hypothétique constitué par des millions de milliards de noyaux de planètes et large de 

20 000 à 100 000 unités astronomiques* (U.A.). Ce nuage constituerait la frontière gravitationnelle de notre système solaire.

 

* Unité Astronomique : unité de mesure de la distance séparant le Soleil de la Terre permettant d'appréhender plus facilement des distances immenses à notre échelle. Une U.A. vaut 149 597 870 700 m soit plus de 149 millions de km !

 

Représentation du nuage d'Oort limitant le système solaire. Source: Internet (cliquer sur l'image).
Représentation du nuage d'Oort limitant le système solaire. Source: Internet (cliquer sur l'image).

 

BILAN: le système solaire est composé d’une étoile, le Soleil autour duquel gravitent huit planètes et leurs satellites. Les planètes sont regroupés en 2 catégories :

- les planètes rocheuses (Mercure, Vénus, Terre et Mars)

- et les planètes gazeuses (Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune).

 

Le système solaire est aussi constitué de planètes naines (exemple, Pluton), de 2 ceintures d’astéroïdes et de comètes.

 

 

La Terre est la seule planète connue dans notre univers à abriter la vie. Elle doit donc posséder des caractéristiques particulières qui ont permis à la vie d'apparaître sur Terre, de s'y développer et de s'y maintenir.

 

Problème : quelles sont les caractéristiques de la Terre lui permettant d'abriter la vie ? 

 

II - La Terre : une planète abritant la Vie

 

Nous allons lister ici les principales caractéristiques de notre planète expliquant que la vie y soit apparue et surtout s'y maintienne depuis -3,5Ga !

 

A/ L'atmosphère des planètes du système solaire

 

On définit l'atmosphère comme étant l'enveloppe gazeuse entourant une planète.

L'atmosphère d'une planète se caractérise par sa composition chimique, sa pression et sa température. Une planète habitable est une planète qui possède une atmosphère compatible avec la vie et dont les caractéristiques de pression, température et de composition sont aussi favorable à la vie. 

 

L'étude des planètes du I) a montré qu'à l'exception de Mercure, toutes les planètes du système solaire possèdent une atmosphère.

Mercure est la planète la plus proche du Soleil (0,39 U.A.) mais aussi la plus petite (4900km de diamètre).

Les autres planètes sont plus grandes que Mercure mais aussi plus éloignées du Soleil ! Ces 2 différences expliquent la présence d'une atmosphère à leur endroit. Nous allons tenter de l'expliquer avec un peu de physique élémentaire.

 

1) Le rôle de la distance planète-Soleil

 

Si l'on considère dans un premier temps une planète théorique sans atmosphère de couleur noire (= corps noir) celle-ci va absorber toute la chaleur provenant du Soleil. Cette énergie solaire va réchauffer la planète et celle-ci, comme tout corps, va ré-émettre vers l'espace une partie de cette chaleur sous forme de rayonnement infrarouge. Lorsque la planète reçoit autant d'énergie qu'elle n'en ré-émet, on dit qu'elle a atteint sa température de surface d'équilibre

 


 Rayonnement solaire reçu par les différentes planètes du système solaire. Source: ENS LYON. CLiquer sur l'image pour y accéder.
Rayonnement solaire reçu par les différentes planètes du système solaire. Source: ENS LYON. CLiquer sur l'image pour y accéder.

Cette température d'équilibre  mesurée à la surface d'une planète dépend de la quantité d'énergie reçue (donc de la distance de la planète au Soleil).

 

Ainsi, plus la planète est éloignée du Soleil, plus la quantité d'énergie reçue sera faible (voir schéma ci-contre). Notez que la quantité d'énergie reçue ne décroit pas de façon linéaire avec la distance.

 

 

 


 

La zone d'habitabilité dépend de l'étoile du système solaire et de la distance planète-étoile. Source: Bordas 2010.
La zone d'habitabilité dépend de l'étoile du système solaire et de la distance planète-étoile. Source: Bordas 2010.

Petit bilan n°1:

la 1ère caractéristique d'une planète habitable est donc une planète suffisamment proche d'une étoile  pour recevoir une quantité d'énergie suffisante pour réchauffer sa surface dans les conditions favorables à la vie. Cette distance se mesure en U.A.

La zone d'habitabilité d'un système solaire correspond à une zone théorique où l'eau peut rester liquide à la surface d'une planète et où les conditions physiques (température en particulier) sont compatibles avec l'existence de la vie, du moins sous la forme que nous lui connaissons.


On rejoint ici la définition de "zone d'habitabilité" citée plus haut. Si la planète est trop proche du Soleil (comme Mercure) l'agitation des molécules de gaz sous l'effet de l'énergie solaire reçue est trop importante et les gaz s'échappent dans l'espace (en dehors de tout effet de la masse de la planète): une atmosphère n'est donc pas présente ou ne constitue pas une épaisseur suffisante pour que la vie se développe. De plus ce genre d'atmosphère ne contient pas les éléments les plus légers (comme l'hydrogène qui permet la création des molécules d'eau) qui s'échappent en premier.

 

 

2) Le rôle d'une atmosphère épaisse

 

Il faut savoir que les molécules de gaz constituant l'atmosphère, à la surface d'une planète, s'agitent proportionnellement à la température : plus celle-ci est élevée et plus les molécules s'agitent.  Lorsque ces molécules s'agitent peu ou moyennement cela n'a pas d'influence sur l'épaisseur de l'atmosphère : celle-ci reste à peu près constante.

 

Mais lorsque l'agitation des molécules de gaz est  10 fois supérieure (par exemple sous l'effet de la chaleur provenant du Soleil comme ce fut le cas pour Mercure) à la vitesse de libération*, ces molécules s'échappent dans l'espace car l'attraction gravitationnelle n'est pas assez importante pour les retenir (voir schéma ci-dessous).

 * vitesse de libération : la vitesse de libération d'un astre est la vitesse minimale qu'il faut communiquer à un corps (ici les molécules de gaz) pour qu'il échappe définitivement à l'attraction gravitationnelle de la planète (en supposant négligeable la résistance de l'atmosphère).

L'importance de la masse d'une planète dans la formation et le maintien d'une atmosphère. Source: SVT seconde BORDAS, doc2p18
L'importance de la masse d'une planète dans la formation et le maintien d'une atmosphère. Source: SVT seconde BORDAS, doc2p18

 

Petit bilan n°2:

Ainsi pour qu'une planète possède la vie, elle doit avoir pour 2ème caractéristique une masse planétaire suffisante pour que l'agitation des molécules de gaz constituant l'atmosphère soit inférieure à la vitesse de libération de ces molécules (ce qui les empêche de quitter notre atmosphère). Sur Terre la gravité est suffisante pour permettre la constitution et le maintien d'une atmosphère d'environ 800 km d'épaisseur.

 

Enfin la synthèse de molécules organiques en quantités non négligeables ne peut pas se faire dans le vide (prouvé par des expériences menées dans la station spatiale internationale). Il faut donc que l'atmosphère constitue un écran protecteur qui empêche les premières molécules complexes d'être détruites par le rayonnement solaire, en particulier par les ultraviolets et les rayons X. La couche d'ozone, empêche cela sur Terre. Et elle bloque les rayonnements de longueur d'onde ultraviolet de type B et C (UVB et UVC) qui détruisent l'ADN des cellules et les empêche de se multiplier correctement ce qui déclenche des cancers (ex: cancers de la peau).

L'ozone (O3) se crée à partir de molécule d'oxygène selon la réaction suivante :

O2 + rayonnement solaire → O + O et O + O2 → O3

La couche d'ozone filtre le rayonnement ultraviolet B et C provenant du Soleil. Seuls les UVA peuvent traverser. Source: Bordas seconde  2010.
La couche d'ozone filtre le rayonnement ultraviolet B et C provenant du Soleil. Seuls les UVA peuvent traverser. Source: Bordas seconde 2010.
Variation du "trou" dans la couche d'ozone (en vert) de septembre 1957 à septembre 2001. Source: wikipédia.
Variation du "trou" dans la couche d'ozone (en vert) de septembre 1957 à septembre 2001. Source: wikipédia.

Mais depuis les années 1985, un "trou dans la couche d'ozone" a été détecté en antarctique (présent aussi en Arctique mais dans des proportions moins importantes). Il ne s'agit pas en réalité d'un trou mais d'une diminution de plus de 50% de la concentration en ozone à ce niveau. La principale conséquence est que les rayons ultraviolets arrivent à traverser à ce niveau car la densité des molécules d'ozone n'est pas suffisante pour stopper tous les rayons. Pour les populations et les autres espèces vivants dans ces régions, de graves problèmes de santé (cancers, cécité...) se développent à des taux jusqu'à 10 fois supérieurs à la normale.

Voici comment agissent les CFC (CFCl3 dans les équations ci-dessous) à l'échelle moléculaire :

CFCl3 + radiation solaire → Cl· + ·CFCl2 (les radiations solaires séparent l'atome de chlore des CFC)

 Cl· + O3 → ClO + O2 (l'atome de chlore se lie à un oxygène de l'ozone et devient du monoxyde de chlore ClO: 1 molécule d'ozone est détruite)

ClO + O3 → Cl· + 2 O2 (le monoxyde de chlore de la précédente réaction détruit une autre molécule d'ozone, cela libère un nouvel atome de chlore qui peut recommencer ce cycle de destruction)

 

Pour éviter un agrandissement catastrophique de ce trou, il a été décidé par les pays de la planète d'interdire l'utilisation des gaz CFC (chlorofluorocarbures). Utilisés principalement dans l'industrie du froid, dans les bombes aérosols comme propulseur, en solvants pour l'industrie électronique, dans les mousses synthétiques et les agents extincteurs ; ils étaient essentiellement dus à l'activité humaine.

En 2 à 3 ans, les CFC libérés des circuits des réfrigérateurs ou des bombes aérosols se retrouvent dans l'atmosphère sous toutes les latitudes, aussi bien à l'équateur qu'aux pôles. Puis, en 15 ans, ils montent dans la haute atmosphère. 60 % des CFC produits avant leur interdiction sont encore en train de se mélanger et de monter dans la haute atmosphère. Du fait de ce retard, les effets des CFC produits ces dernières années se feront encore sentir dans 60 ans.

 

Et voici comment aurait évolué les concentration en ozone sur l'Amérique du nord entre 1974 et 2060 si les CFC n'avaient pas été interdits !


EN résumé : une catastrophe avec disparition quasi complète de notre couche d'ozone !



3) Le rôle de l'hydrosphère


En plus d'une atmosphère, la planète doit disposer d'une hydrosphère : une quantité d'eau liquide. C'est dans cette hydrosphère (qui protège aussi des UV) que les molécules se retrouveront en concentration suffisante pour permettre des réactions chimiques . L'eau est de plus l'un des éléments nécessaires à de nombreuses interactions chimiques nécessaires à la vie .


 

4) La nécessité d'un effet de serre modéré



Sur Terre, la moyenne mesurée des températures est d'environ 15°C. Mais si l'on se réfère à la température de surface théorique des planètes (voir graphique ci-dessous, calculée d'après leur position par rapport au Soleil), 3 planètes dont la Terre possèdent une température de surface supérieure à la température théorique: Vénus, la Terre, Mars et un satellite: Titan (carrés bleus sur le graphique au-dessus des triangles roses). 

Température de surface des principales planètes ainsi que les températures théoriques selon leur position par rapport au Soleil. Source: modifié de l'ENS Lyon.
Température de surface des principales planètes ainsi que les températures théoriques selon leur position par rapport au Soleil. Source: modifié de l'ENS Lyon.



Lorsqu'on les compare dans le tableau ci-dessous on observe que:

- Vénus possède une  atmosphère dont le gaz majoritaire est le CO2 et une très importante pression atmosphérique (environ 90 fois cette de la Terre);

-  La Terre avec des traces de CO2, d'H2O et la présence de O2 (et une atmosphère d'environ 1000 hPa,

- Mars avec une atmosphère majoritairement constituée de CO2 et de traces d'H2O (pour une très faible pression atmosphérique);

- Titan avec 10% de CH4 (méthane) et une pression atmosphérique comparable à celle de la Terre.

A contrario, Mercure ne possède pas d'atmosphère et sa température de surface correspond à celle obtenue par les calculs.


On peut donc conclure que la différence entre les températures théoriques et celles mesurées s'explique uniquement par la présence de certains gaz dans l'atmosphère de ces planètes. Le gaz, présent aussi bien sur Vénus, la Terre que sur Mars, est le CO2. Sur Titan, le CH4 est présent.


Le CO2 et le CH4 sont appelés des gaz à effet de serre (GES) car leur présence augmente la température théorique.


Données des planètes et du satellite Titan possédant une atmosphère. Source: modifié de ENS LYON. Cliquer sur l'image pour suivre le lien.
Données des planètes et du satellite Titan possédant une atmosphère. Source: modifié de ENS LYON. Cliquer sur l'image pour suivre le lien.
Schéma du fonctionnement de l'effet de serre sur Terre. Notez que le rayonnement solaire incident est égal au rayonnement solaire réfléchi. Source : cliquer sur l'image.
Schéma du fonctionnement de l'effet de serre sur Terre. Notez que le rayonnement solaire incident est égal au rayonnement solaire réfléchi. Source : cliquer sur l'image.

 

B/ La présence d'eau liquide

 

La Terre est la seule planète connue (avec Mars sous certaines conditions précises voir le lien suivant: LIEN) qui possède l'eau sous ses 3 états : liquide, solide et gazeux.

 

Comment expliquer que la Terre soit la seule planète à posséder de l'eau liquide en grande quantité ?

 

L'eau est présente en grande quantités dans le système solaire mais surtout sous la forme de glace. Les 3 éléments chimiques les plus abondants de l'univers sont, dans l'ordre, l'Hydrogène (H), l'Hélium (He) et l'Oxygène (O). Comme l'Hélium est chimiquement inerte, les deux molécules  les plus abondantes de l'univers sont le dihydrogène (H2) et l'eau (H2O).

 

Photo prise depuis le module d'alunissage. Surface de la Lune. Source : wikipédia.
Photo prise depuis le module d'alunissage. Surface de la Lune. Source : wikipédia.

Sur Mercure (450°C la journée) et sur la Lune (150°C la journée) , les températures élevées communiquent aux molécules une grande vitesse d'agitation, et la gravité faible n'ont pas permis la retenue de l'eau. Ces corps se sont donc entièrement déshydratés. Sur la Lune, aucune molécule d'eau n'a été trouvée lors des missions Apollo.


Calotte polaire sur Mars. Source : droits réservés - © 2001 NASA/GSFC/JPL/MOLA Project/Malin Space Science Systems
Calotte polaire sur Mars. Source : droits réservés - © 2001 NASA/GSFC/JPL/MOLA Project/Malin Space Science Systems
Mercure Vénus Terre Mars Lune
 Absence d'eau Eau (gaz)  3 états de l'eau 3 états de l'eau sous certaines conditions Eau (solide) en faible quantité
Température de surface : -170 à +440°C T° de surface : +460°C T° de surface : -70°C à + 50°C T° de surface : -120°C à + 10°C T° de surface : -180°C à +120°C
Pression atmosphérique : nulle Pression : 93.10^5Pa Pression : 1.10^5 Pa Pression : 6.10^2 Pa Pression : nulle


Lorsqu'on place sur un diagramme Pression-Température les valeurs indiquées dans le tableau afin d'expliquer les différents états de l'eau observés sur chaque planète et la Lune, on obtient la chose suivante :


Source : Gilles Bessou/UFE/Observatoire de Paris
Diagramme de phase de l'eau. Il montre ainsi les domaines de température et de pression où l'eau se trouve à l'état gazeux, liquide et solide. En dessous du point triple, l'eau ne peut pas exister sous forme liquide.
Position des planètes du tableau ci-dessus et de la Lune dans le diagramme P-T°. Source : modifié d'internet.
Position des planètes du tableau ci-dessus et de la Lune dans le diagramme P-T°. Source : modifié d'internet.


On se rend immédiatement compte que seule la Terre peut abriter de l'eau liquide en permanence grâce aux conditions de pression et de température qui y règnent !



C/ Les distances dans le système solaire: notion d'échelle


Le film ci-dessous (en anglais mais c'est très compréhensible) détaille la mise à l'échelle de notre système solaire dans le désert. Cela remet en perspective les distances entre les planètes et le Soleil ainsi que la taille de chaque planète. A voir !


Il est très difficile d'appréhender les distances sur des échelles de millions de kilomètres c'est pourquoi ce genre de travaux (film ci-dessus) permet de s'en donner une idée.


BILAN: la Terre est une planète rocheuse du système solaire. Les conditions physico-chimiques (pression, température surtout ainsi qu'un effet de serre modéré) qui y règnent permettent l’existence d’eau liquide et d’une atmosphère compatible avec la vie.

Ces particularités sont liées à la taille de la Terre (en lien avec sa masse et sa force de gravité) et à sa position dans le système solaire (la Terre est à une unité astronomique du Soleil, dans la zone d'habitabilité du système solaire). 


Ces conditions peuvent exister sur d’autres planètes qui posséderaient des caractéristiques voisines sans pour autant que la présence de vie y soit certaine.



Pour réviser rapidement:

- Une fiche sur les principaux objets du système solaire: LIEN.



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