III. Le système solaire. Soleil et galaxie

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1 III. Le système solaire Soleil et galaxie Notre galaxie : la Voie Lactée disque plat avec un bulbe central ~ étoiles réparties dans bras spiraux

2 La Voie Lactée : Mouvement de rotation dans le plan équatorial : période ~ 250 My Diamètre ~ 10 5 a.l., épaisseur ~ 5000 a.l. Le soleil : - position : a.l. du centre v ~ 226 km/s - âge : 4.6 Gy 18 années galactiques - masse : t Calculs + tard - diamètre : km Mesures des distances Bras observable dans le ciel : dans l univers? bande étroite blanchâtre voie «lactée» rem. : Galaxie Galactos (grec) = lait! Galaxies les plus proches : Andromède ( a.l.), Nuages de Magellan ( a.l.) Rem. : - Nb galaxies dans l univers ~ nb étoiles dans la voie lactée! - Quasars = galaxies très brillantes les plus éloignées.

3 Mesure des distances dans l univers : la parallaxe Idée de base : la position apparente d un objet par rapport à des objets éloignés varie avec la position de l observateur L D θ D >> D D = L / 2tg(θ) = r T / tg(θ) En 129 AJC, Hipparque (grec) : distance terre-lune ( km) XVIIè s : distance terre soleil ( km) + précis aujourd hui : mouvement des planètes (lois de Képler) voir + loin

4 Parallaxe = angle sous lequel est vue une distance fixe (L/2) à partir de l objet : - Objet peu éloigné (planète) : L/2 = rayon de la terre parallaxe diurne - Objet éloigné (étoile) : L/2 = distance terre soleil parallaxe annuelle 2 mesures à 6 mois d intervalle Exercice : Calculer la distance de la plus proche étoile du soleil, sachant que sa parallaxe annuelle est de 0.76".

5 La Voie Lactée : Mouvement de rotation dans le plan équatorial : période ~ 250 My Diamètre ~ 10 5 a.l., épaisseur ~ 5000 a.l. Le soleil : - position : a.l. du centre - âge : 4.6 Gy 20 années galactiques - masse : t - diamètre : km Bras observable dans le ciel : bande étroite blanchâtre voie «lactée» rem. : Galaxie Galactos (grec) = lait! Galaxies les plus proches : Andromède ( a.l.), Nuages de Magellan ( a.l.) Rem. : - Nb galaxies dans l univers ~ nb étoiles dans la voie lactée! - Quasars = galaxies très brillantes les plus éloignées.

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7 Structure du soleil : Noyau central : H He Atmosphère : en partie visible pendant les éclipses 1) Photosphère (500 km) : - T ~ 5800 K - couleur apparente 2) Chromosphère (10000 km) : - transparente - T K 3) Couronne (millions km) : - faible densité - T ~ 10 6 K - bord diffus

8 Dynamique du soleil : Energies transmises par courant de convection Champ magnétique : régions de champ intense (~ 0.3 T) mouvements tourbillonnaires en surface blocage du transport de l énergie régions froides / chaudes Tâches solaires

9 Libération brusque d énergie : Eruptions solaires : éjection importante de matière Activités solaires f( modifications champ magnétique) cycles ~ 22 ans effet sur atmosphère terrestre : exemple : : petit âge glaciaire

10 Ejection importante de matière : e-, p, He 2+ à ~ 500 km/s Vent solaire Interaction avec champ magnétique terrestre : - confinement dans des régions autour de la terre : les ceintures de Van Allen - perturbation des systèmes de communication - interaction avec l atmosphère terrestre : ionisation aurores polaires (boréales et australes)

11 Les planètes du système solaire Les tailles relatives sont respectées.

12 9 planètes principales : Les planètes telluriques : même nature et structure que la Terre les plus proches du soleil Mercure, Vénus, Terre, Mars Les planètes géantes ou joviennes : semblables à Jupiter très grande taille entourées d anneaux et de satellites Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune, (Pluton)

13 Autres objets de plus petite taille : Petites planètes ou astéroïdes : ~ entre les planètes telluriques et joviennes diamètre moyen : 50 km, le + grand : Ceres (200 km) Interaction gravitationnelle complexe dans le système solaire : - changement d orbite - collision avec les planètes : Etoiles filantes, météorites Jupiter Mars

14 Comètes : au-delà de Pluton : ceinture de Kuiper et nuage de Oort espace de 40 U.A. à U.A. orbites très excentriques : croisement des planètes Exemple : la comète de Halley ( T = 76 ans) Halley (XVIIIè s.) : - étude de la trajectoire de 24 comètes - prédiction du retour de la comète de Halley

15 Structure des comètes : Constituées de glace et de poussières à base de C (0.1 g/cm 3 ) Au voisinage du soleil : fonte de la glace et vaporisation Chevelure ( km) Interaction avec les photons traîne de poussières Interaction avec le vent solaire traîne de gaz ionisé Croisement annuel des orbites Nuits d étoiles filantes Perséïdes (août), Orionides (octobre)

16 Ceinture de Kuiper et nuage d Oort

17 - Orbites elliptiques Mouvement des planètes : les lois de Képler - Gravitation des planètes dans le même sens - Orbites situées dans 1 plan (sauf Pluton) : Ecliptique (orbite terrestre)

18 Première loi (1609) : Dans le référentiel héliocentrique (centré sur le soleil), chaque planète décrit une ellipse dont un foyer est occupé par le soleil. Remarques : - Excentricité très faible (sauf pour Mercure et Pluton) : trajectoire ~ cercle - Foyer occupé par le centre de masse (effet pour Jupiter)

19 Deuxième loi (1619) : Le segment soleil planète balaie des aires égales au cours de durées égales (loi des aires). surface A = surface B

20 Troisième loi (1619) : Le rapport T 2 /a 3, entre le carré de la période de révolution T et le cube du demi-grand axe a, possède la même valeur pour toutes les planètes. Cette valeur ne dépend que de l astre attracteur. Déduction de la masse du soleil Lois justifiées par Newton au XVIIIè s. Démonstration des 2 ème et 3 ème lois (mouvement circulaire) et calcul de M

21 T 2 /a 3 = 4 π 2 /G M

22 Mouvement des planètes Mouvement de rotation autour du soleil : Lois de Képler Mouvement de rotation sur elles-mêmes : ~ écliptique sauf Uranus Terre : - inclinaison actuelle : orientation fixe : étoile polaire Nord - succession des saisons - durée variable du jour Solstices et Equinoxes

23 Solstices : Extrémité nord ou sud pointe vers le soleil Solstices d été ou d hiver (Nord) Equinoxes : 2 points diamètralement opposés où axe d(terre-soleil) Equinoxes de printemps et d automne Définition des saisons

24 Solstice d hiver Soleil cercle d illumination (CI) - Division inégale des // sauf équateur Nuit > jour (Nord) et nuit = jour (équateur) - CI tangent aux cercles arctique et antarctique Nuit pleine au Nord, jour plein au Sud - Angle d inclinaison des rayons (midi) : 90 tropique du Capricorne (colatitude) soleil à l horizon au cercle arctique Inversion Nord / Sud au solstice d été ( tropique du Cancer)

25 Equinoxe - Situation symétrique : CI passe par les pôles division égale des // jour = nuit partout - Angle d inclinaison (colatitude) : horizon aux pôles toute la journée zénith à l équateur à midi Remarque : colatitude = 90 - latitude

26 Trajectoires apparentes du Soleil au début des différentes saisons Rotation terre : ouest est Mouvement apparent des étoiles : est ouest Amplitude ortive = angle (direction lever soleil, est) 0 (équinoxes), maximale (solstices) Amplitude occase = angle (direction coucher soleil, ouest) 0 (équinoxes), maximale (solstices)

27 Evolution des mouvements au cours du temps Origine : interactions gravitationnelles (soleil et lune) 1) Ralentissement de la vitesse de rotation (v = ) effet très faible augmentation de la longueur du jour : - t = s (3 derniers siècles) - t jour ~ 20 h (500 My) 2) Modification périodique de la forme de l écliptique : modification de l excentricité modification d(terre soleil) période ~ ans 3) Variation de l inclinaison de l axe : 21,5 24,5 période ~ ans influence sur le climat (latitudes élevées)

28 4) Rotation de la terre renflement équateur Axe de rotation incliné (23,5 ) Attraction solaire renflement sur l écliptique Mouvement de rotation de la terre sur elle-même Couple de force rotation lente de l axe de rotation // toupie «Précession» de l axe Cône de précession

29 «Précession» de l axe de rotation Période : ans Etoile polaire direction absolue! Modification des solstices et équinoxes Précession des équinoxes

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31 Dynamique des mouvements Evolution des climats Exemples : Modification d(terre-soleil) puissance d éclairement Modification inclinaison axe modification des climats aux latitudes élevées Précession de l axe solstices et équinoxes modifiés sur l écliptique Modification des saisons Remarque : dynamique existante sur toutes les planètes avec rythmes

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33 Origine commune : Constitution du système solaire 1) mouvement commun des planètes autour du soleil - même direction, écliptique - description : lois de Képler 2) rotation sur elles-mêmes : même sens que 1) (sauf Vénus et Uranus?) Origine : Nébuleuse gazeuse primitive SN (U, Bi, ) Interaction gravitationnelle Contraction, accumulation matière au centre Rotation à v Aplatissement nuage disque T, ρ Fusion nucléaire H au centre soleil R T : naissance des planètes

34 Formation des planètes : 2 processus importants 1) Condensation Refroidissement des gaz production de particules solides H, He + ts éléments synthétisés Condensation variée f(t ) Centre du disque (T ) : - composés métalliques (Fe-Ni) - substances réfractaires : oxydes et silicates de Fe, Mg, Al Périphérie (T ) : - composés volatiles : N, S, Ar, H 2 O, CH 4, NH 3 Composition (planètes telluriques) composition (planètes géantes)

35 2) Accrétion Collision des particules m (planétésimaux) = naissance des planètes Dimension planètes d(planète soleil) R (anneau de gaz) quantité d atomes Plus matière que R(planètes telluriques) < R(planètes joviennes)