PARTIE 2 : LA PLANETE TERRE ET SON ENVIRONNEMENT. Chapitre 1 : LES OBJETS DU SYSTÈME SOLAIRE ET LEURS CARACTÉRISTIQUES

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1 PARTIE 2 : LA PLANETE TERRE ET SON ENVIRONNEMENT L'environnement de la planète Terre correspond à tous les éléments du Système Solaire dont elle fait partie. L'environnement de la Terre a pu être découvert par des observations à l'œil nu ou avec des instruments optiques, ou plus récemment grâce à des sondes, des satellites artificiels. Chapitre 1 : LES OBJETS DU SYSTÈME SOLAIRE ET LEURS CARACTÉRISTIQUES La Terre est une planète du système solaire. Qu appelle-t-on système solaire? Quels sont les différents objets qui le constituent? Quelles sont leurs principales caractéristiques, comparées à la Terre? I] Les différents corps célestes du système solaire Activité 1 : Rechercher les objets constituant le Système Solaire Source documentaire : Site Futura-Sciences 1) En utilisant les différentes informations obtenues à partir du site Futura-Sciences, compléter le document ci-dessous en donnant une définition générale des cinq constituants (corps célestes) principaux du système solaire. LE SYSTEME SOLAIRE Comète Soleil Satellite Terre Astéroïdes 1

2 LE SOLEIL Étoile - Siège de réactions thermonucléaires - Production de lumière - Production d énergie (chaleur) LES PLANETES Corps de forme sphérique en orbite autour d'une étoile. Ce corps n'est pas lumineux par lui-même mais il réfléchit la lumière de l'étoile. Le système solaire est composé de 8 planètes Les planètes gravitent autour du soleil sur des orbites elliptiques, disposées plus ou moins dans un plan. Les planètes ont le même sens de rotation autour du soleil : le sens inverse des aiguilles d une montre. Les comètes petits corps glacé contenant beaucoup d eau Les astéroïdes petits corps rocheux, très pauvres en gaz. Présence d une ceinture d astéroïdes entre Mars et Jupiter Les satellites taille entre 200 et 2600 km corps céleste en orbite autour d une planète 2) Bilan de l activité 1 : Résumer en quatre phrases maximum l organisation du système solaire. Bilan : Le système solaire est constitué d une étoile le Soleil, de 8 planètes avec leurs satellites, d'astéroïdes, de comètes et de poussières de gaz. Le soleil est l une des 100 milliard d étoiles qui constitue notre galaxie, la Voie Lactée. L âge du système solaire est d environ 4,6 milliards d'années, il s'est sans doute formé par condensation d'une nébuleuse. Activité 2 : Découverte des caractéristiques des planètes du système solaire 1) A l aide du logiciel Planet 3D, compléter pour les planètes le tableau suivant : Mercure Vénus Terre Mars Jupiter Saturne Uranus Neptune Distance moyenne au soleil en millions de 57,9 108,2 149,6 227,9 778,6 1433,5 2872,5 4495,1 km Distance moyenne au soleil en UA* 0,337 0, ,523 5,202 9,538 19,181 30,057 Diamètre en km Masse volumique 5,42 5,24 5,51 3,93 1,32 0,68 1,27 1,63 (kg/dm 3 ) Principaux composants chimiques Silicates Fer Nickel Silicates Fer Nickel Silicates Fer Nickel Silicates Fer Soufre Hydrogèn e Hélium Hydrogèn e Hélium Hydrogèn e Hélium Hydrogèn e Hélium 2

3 Epaisseur de l atmosphère (km) Satellites Age de la surface de la planète Absente ? 1000? 6500? 4500? Vieille 4 à 3 Ga Jeune - de 1 Ga 1 Lune Très jeune de 0,7 Ga 2 28 Europe, Io 30 Titan de 2 Ga / / / / UA* = unité astronomique 1UA de km 1, km (distance Terre-Soleil) Doc. 1 : Graphique montrant le diamètre des planètes et leur position par rapport au soleil 2) Exploiter les données recueillies pour classer les objets du système solaire. 3) A l aide du graphique obtenu, indiquer s il est possible de distinguer différents groupes de planètes. Il est possible de distinguer 2 groupes de planètes : des planètes géantes (masse volumique faible, diamètre important), des planètes plus petites (masse volumique comprise entre 3,9 et 5,5, diamètre plus petit) 4) Mettre en relation les données obtenues avec le doc. 1 : graphique montrant la position des planètes par rapport au soleil. Les planètes géantes sont externes situées au-delà de la ceinture d astéroïdes, les plus petites planètes sont proches du soleil : planètes internes. 5) Bilan de l activité : A l aide du tableau complété et du graphique réalisé, indiquer s il est possible de distinguer différents groupes de planètes et quelles sont les caractéristiques des planètes sur lesquelles reposent cette classification. Similitudes entre certaines planètes quant-à leur dimension et leur densité ou leurs principaux composants chimiques. Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune présentent des similitudes : 3

4 - planètes géantes - masse volumique faible de 0,68 à 1,63 - présence d anneaux et de nombreux satellites - les + proches du soleil - essentiellement d hydrogène et d hélium Mercure, Vénus, la Terre et Mars présentent des similitudes : - masses volumiques comprises entre 3,93 et 5,51 - peu ou pas de satellites et pas d anneaux - composées essentiellement de silicates et de fer - les plus éloignées du soleil Planètes ou satellite Activité 3 : Ce que nous apporte l étude des impacts météoritiques Document 1 : La formation des planètes du système solaire. Elle s est réalisée il y a 4,6 milliards d années (Ga). A partir d un nuage de gaz et de poussières (la nébuleuse solaire) la plupart des ces poussières se sont agrégées pour former un protosoleil. Les autres grains de poussières se sont aussi attirés et formés des corpuscules de plus en plus gros : les planétésimaux. Les corpuscules s attirent à leur tour et se soudent pour former les planètes. La première partie de l histoire de notre système solaire est marquée par un immense bombardement météoritique autour de 4 Ga. 1) A l aide du document 1, indiquer quelle est l origine des cratères visibles sur les planètes et la Lune. Le bombardement météoritique qui a eu lieu lors de la formation des planètes. 2) A l aide des planches du dossier F3D1, F3D2, F4D3, F5D1, F6D1 et de vos connaissances remplir le tableau suivant : Date Traces d activité Traces d activité Présence Nombre de cratères d arrêt de interne (volcan, externe (eau, d une météoritiques l activité faille ) vent ) atmosphère interne Mercure Nombreux cratères il y a 3,4 Ga Absente Vénus Terre Lune Mars Faible nombre de cratères météoritiques 170 cratères Nombreux cratères Très nombreux cratères dans l hémisphère Sud. Hémisphère Nord peu cratérisé. Présence de volcans, de failles Présence de volcans, de failles Présence de plissements Laves basaltiques sombres les mers failles et de graben Fleuves, océans, vent Réseau fluviatile, effet du vent toujours présente actuellement toujours présente actuellement il y a 3,2 Ga Présente Présente Absente Age de la surface de la planète ou du satellite Vieille + de 3,5 Ga Jeune - de 1 Ga Très jeune - de 0,7 Ga Vieille + de 3,5 Ga il y a 0,5 Ga Peu épaisse + de 1 Ga 3) Proposer une hypothèse expliquant pourquoi, il y a moins de cratères sur Terre que sur Mars ou la Lune. 4

5 Je suppose qu il y a moins de cratères sur Terre car la surface de la planète est plus jeune et que l activité interne et l activité externe effacent les traces des cratères. 4) En quoi la présence d eau et d atmosphère sur Terre est défavorable à la conservation des cratères météoritiques? Car ils provoquent un phénomène d érosion des paysages. 5) La présence d eau et d atmosphère est-il le seul paramètre défavorable à la conservation des cratères météoritiques? Justifier. (Aide : Mettre en relation les traces d activité interne avec l âge de la surface de la planète) L activité interne de la Terre en permettant le renouvellement de la croûte terrestre entraîne la disparition des impacts de météorites. 6) Bilan de l activité : Expliquer que le nombre de cratères d'impact météoritique soit différent d'une planète à l'autre alors que toutes les planètes ont subi le même bombardement à l origine de la formation du système solaire. La surface des planètes est plus ou moins cratérisée suivant qu il y ait présence d eau ou d une atmosphère ainsi que la présence d une activité interne. En effet l activité interne provoque le renouvellement de la croûte terrestre, tandis que l activité externe par l érosion qu elle provoque entraîne la disparition des impacts météoritiques. Bilan : Les planètes sont des corps célestes non lumineux par eux-mêmes. Les planètes gravitent autour du soleil sur des orbites elliptiques. Le système solaire est composé de 8 planètes que l'on divise en 2 catégories : - Les planètes telluriques ou rocheuses - Les planètes gazeuses ou géantes Planètes telluriques Mercure, Venus, la Terre et Mars (la lune). - Planètes internes les plus proches du Soleil - taille modeste - densité comprises entre 3,9 et 5,5 - composées de roches (silicates, fer) - peu ou pas de satellites Planètes gazeuses Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune - Planètes externes les plus éloignées du Soleil - taille élevée - densité faible moins de 1,7 - composées de gaz : hélium et hydrogène - présence d anneaux et de nombreux satellites Les bombardements météoritiques, très importants entre 4,5 et 4 Ga au début du système solaire, ont laissé des traces sous forme de cratères météoritiques. Le nombre de cratères visibles à la surface d une planète permet : - de dater la surface de la planète qui est d autant + vieille q le nb de cratères météoritiques est d évaluer l +++ des remaniements de la surface liés à l activité interne et externe des planètes. En effet, toutes les planètes du système solaire se sont formées en même temps, elles ont donc le même âge, mais l âge de la surface des planètes telluriques n est pas le même en effet une activité géologique récente (activité interne : volcan) et les phénomènes atmosphériques (pluie, vents) participent à l effacement des anciens cratères de météorites. 5

6 II] Le soleil : une source d énergie et de chaleur 1) A l échelle du système solaire Activité 5 : L énergie reçue par les planètes Partie 1 : Relation entre température de surface et distance planète-soleil Doc. 1 : Rayonnement solaire reçu à la surface des planètes du système solaire en fonction de la distance au soleil Question 1 : Interpréter le graphique. Lorsque la distance au soleil augmente l énergie lumineuse reçue diminue. La courbe n est pas une droite, quelle conclusion peut-on en tirer sur la relation entre l intensité lumineuse et la distance de la planète au soleil La quantité d énergie lumineuse reçue par les planètes n est pas inversement proportionnelle à la distance au soleil. Conclure en indiquant de quoi dépend l énergie solaire reçue par les planètes. L énergie solaire reçue par les planètes dépend de leur distance au soleil, plus une planète est éloignée du soleil moins elle reçoit d énergie lumineuse. Doc. 2 : Température de surface de quelques planètes proches du Soleil Question 2 : Comparer les températures de surface entre Mercure et Vénus par rapport à leur distance au Soleil. Vénus est plus éloignée du Soleil que Mercure mais sa température de surface est plus élevée, alors que Vénus reçoit moins d énergie solaire que Mercure. Comparer les températures de surface entre la Lune et la Terre par rapport à leur distance au Soleil. La Terre et la Lune sont à la même distance du Soleil, mais la Terre a une température de surface plus élevée que la Lune, alors que la Terre et la Lune reçoivent autant d énergie solaire l une que l autre. Conclure : la température de surface d une planète dépend-elle uniquement de sa distance au Soleil? Non. 6

7 Question 3 : Comment expliquer que les surfaces de Vénus et de la Terre soient plus chaudes? Pour répondre à cette question, analyser le document 3 et formuler une hypothèse (ou plusieurs) expliquant cette anomalie. Le doc. 3 met en évidence la présence d une atmosphère pour Vénus et la Terre, alors qu il n y a pas d atmosphère ni sur Mercure, ni sur la Lune. La composition de l atmosphère de Vénus et différente de celle de la Terre. Vénus et la Terre, seules planètes à s éloigner de la courbe théorique d évolution de la température de la surface avec la distance au soleil, sont les seules à posséder une atmosphère. On peut donc formuler l hypothèse que l atmosphère est responsable de l anomalie thermique observée. Doc. 3 : Température de surface des planètes telluriques et composition de leur atmosphère. Planètes Température moyenne Pression atmosphérique* Composition chimique de de surface (en C) (en Pa) l atmosphère (en %) Mercure / Vénus Près du sol : CO 2 : 96,5 % N 2 : 3,5 % H 2 O : 0,01 % Terre N 2 : 78 % O 2 : 20,94 % CO 2 : 0,038 % H 2 O : 1 % Lune / La pression atmosphérique* est le poids de l atmosphère supportée par 1 m 2 de surface. Bilan de la partie 1 : A quoi sont dues les différences de températures observées à la surface des planètes? La température de surface des planètes est en relation avec leur distance au soleil et à la présence éventuelle d une atmosphère. Trois paramètres semblent déterminer la température observée à la surface des planètes : - la distance de la planète au soleil, - l épaisseur de l atmosphère, - la composition de l atmosphère (richesse en CO 2 et vapeur d eau). Partie 2 : Exploiter un modèle pour montrer la conséquence de la présence d une atmosphère sur la température de surface d une planète. Protocole : - Disposer une feuille noire ou une feuille blanche sur la paillasse (simulant la surface planétaire). - Recouvrir la feuille d un saladier en verre (simulant l atmosphère). - Disposer le thermomètre sur le papier noir. - Allumer la lampe au dessus du saladier - Relever la température toutes les 3 minutes pendant 30 minutes. - Réaliser la même expérience sans le saladier. 7

8 1) Faire un schéma des dispositifs expérimentaux. Sol (feuille noire) Sol enneigé (feuille blanche) 2) Donner les résultats dans un tableau de mesures ou sous forme de graphique. 3) Indiquer la différence de température entre le début et la fin de l expérience. Température Sol blanc (glacé ou enneigé) Sol noir Serre Pas de serre Serre Pas de serre En début d expérience 17 C 17 C 21 C 21 C En fin d expérience 21,6 C 20 C 26,2 C 24,5 C Différence de température 4,6 C 3 C 5,2 C 3,5 C 4) Exploiter les résultats pour expliquer à partir du phénomène modélisé l influence de l atmosphère sur la température de surface planétaire. Le modèle utilisé montre que l élévation de température est plus importante dans la zone sous le saladier. La surface de papier éclairée par la lampe s échauffe et à cause de cela émet un rayonnement infrarouge. La paroi du saladier arrête ce rayonnement et empêche sa dispersion à l extérieur du saladier, ce qui a pour conséquence d augmenter la température à l intérieur du saladier. On constate que la température est plus élevée au niveau de la feuille de papier noir. Ceci peut s expliquer par le fait qu une surface blanche réfléchit plus de lumière qu une surface noire. Les surfaces éclairées réémettent un rayonnement infrarouge d autant plus important que la température de la surface éclairée est élevée. 8

9 5) On dit que l atmosphère engendre un «effet de serre», justifier cette expression. L atmosphère terrestre se comporte comme les parois vitrées d une serre. La surface terrestre reçoit de l énergie du Soleil qui la chauffe. La surface terrestre chauffée réémet un rayonnement infrarouge qui est absorbé par les molécules atmosphériques puis réémis vers le sol. Ce qui entraîne une augmentation de la température de la surface de la planète. 6) Expliquer en quelques phrases l effet de serre, à partir du phénomène modélisé au cours de la manipulation et de l animation proposée par le professeur. La présence d un saladier ou d une atmosphère entraîne un échauffement de l air pour 2 raisons : - Absence de la dissipation de la chaleur - Absorption des rayons IR qui sont réémis vers le sol. 7) Compléter le schéma-bilan (dessin non à l échelle) : Bilan : La température de surface des planètes est en relation avec leur distance au Soleil et à la présence éventuelle d une atmosphère. Plus une planète est éloignée du Soleil et moins elle reçoit de rayonnement solaire, donc plus sa température de surface est basse. L existence d une atmosphère est responsable de l effet de serre, lui-même à l origine de l augmentation de température de surface de Vénus et la Terre. Les molécules de gaz atmosphériques agissent sur les radiations solaires et celles émises par le sol : - La couche d ozone filtre les rayons UV - Le CO 2 et la vapeur d eau absorbent les rayons infrarouges (IR) émis par le sol, ce qui entraîne une augmentation de leur température et donc une nouvelle émission d IR vers le sol (effet de serre). 9

10 Schéma représentant l effet de serre : 2) A l échelle de la planète Terre Activité 5 : Répartition sur Terre de l énergie solaire reçue Introduction : Grâce à l effet de serre, la température de la Terre est de 14 C. Pourtant, la température à des variations journalières, annuelles et selon la latitude. Quelles sont les causes de ces variations? Partie 1 : Energie solaire et climats 1) Livre doc. 8 p.45 : Décrire le planisphère donnant la répartition des énergies reçues par la Terre. L énergie solaire reçue à la surface de la Terre varie suivant la latitude et la période de l année. L énergie solaire reçue à l équateur est toujours très élevée et varie peu durant l année. L énergie solaire reçue est plus élevée à l équateur qu aux pôles : variation latitudinale de l énergie solaire reçue. 2) Proposer une ou des hypothèses expliquant les constats réalisés. Les variations d énergie reçues pourraient s expliquer par : - la distance au soleil : l équateur est plus proche du soleil que les pôles - la forme de l orbite terrestre - la forme de la Terre qui est ronde Partie 2 : Exploitation d un modèle pour expliquer la variation d énergie solaire reçue en fonction de la latitude 1) Positionner le globe par rapport à une lampe (qui doit rester toujours à la même distance du globe). 2) Eclairer à l Equateur (latitude 0 ), la France (latitude 46 ) et le Nord de la Grande Bretagne (latitude 60 ) à l aide du tube. 10

11 3) Tracer le contour des surfaces éclairées sur du papier millimétré. Schéma de la modélisation réalisée : 4) Estimer la surface éclairée (compter les carreaux du papier millimétré) et compléter le tableau. 5) Trouver la relation entre la surface éclairée et la latitude. Expliquer les différences observées. Plus la latitude augmente, plus la surface éclairée augmente. Donc un même rayonnement doit se répartir sur des zones ayant une surface plus ou moins grande. Quand la surface est minimale (à l Equateur) l énergie lumineuse par unité de surface reçue par le globe est maximale. Ainsi l énergie lumineuse par unité de surface reçue diminue lorsque la latitude augmente. 6) Sur le schéma dessiner les rayons du soleil de 3 mm d épaisseur (ils sont parallèles entre eux) qui arrivent aux différentes latitudes. Mesurer l angle d incidence des rayons solaires. Mesure de l angle d incidence 7) Trouver la relation entre la taille de la surface éclairée et l angle d incidence des rayons solaires. Latitude Angle d incidence Surface en cm 2 et forme de la tache lumineuse 0 (Equateur) cm 2 45 (France) cm cm 2 11

12 Plus la latitude augmente, plus l angle d incidence entre les rayons lumineux et la surface du globe terrestre diminue et plus la surface éclairée augmente. Ainsi l énergie lumineuse par unité de surface reçue diminue lorsque l angle d incidence diminue et donc que la latitude augmente. 8) Bilan : Mettre en relation l ensemble des résultats pour expliquer la variation d énergie solaire reçue en fonction de la latitude. L énergie solaire reçue par la Terre est inégalement répartie selon la latitude (climats) et au cours de l année pour un lieu donné (saisons). L énergie lumineuse reçue par le globe diminue lorsque la latitude augmente. C est parce que la Terre soit ronde (= sphéricité du globe) que l énergie est inégalement répartie à la surface du globe. La sphéricité du globe explique la répartition des climats sur Terre. Partie 3 : Exploitation d un modèle pour expliquer la variation d énergie solaire reçue en fonction de la période de l année pour une même latitude (45 ) L axe de rotation de la Terre fait un angle de 23 avec la perpendiculaire au plan de l orbite terrestre. 1) Reproduire à l aide du modèle ci-dessus, la position de la Terre par rapport au Soleil le 21 juin. 2) Eclairer la zone où se situe la France, tracer sur du papier millimétré le contour de la zone éclairée. Estimer la surface éclairée en cm 2. 3) Faire le même travail en considérant le 21 décembre, le 21 mars et le 21 septembre (garder toujours la même distance entre le globe et la lampe) et estimer la surface éclairée en cm 2. La surface éclairée et l angle d incidence des rayons lumineux avec la surface du globe varient suivant la position du globe autour de la lampe. 4) Compléter le schéma ci-dessous : en hachurant la face de la Terre où il fait nuit. 12

13 5) Bilan : Mettre en relation les résultats obtenus avec les caractéristiques de rotation de la planète Terre pour expliquer l alternance des saisons en France. Plus l angle d incidence des rayons lumineux avec la surface de la Terre est élevé, plus la surface éclairée diminue et donc plus l énergie reçue du soleil par unité de surface est importante. C est ce qu on observe en France au solstice d été le 21 juin. Alors qu au solstice d hiver le 21 décembre, la surface éclairée est beaucoup plus grande, l énergie reçue du soleil par unité de surface est plus faible. C est la rotation de la Terre en une année autour du soleil et l inclinaison de son axe de rotation qui expliquent les variations d énergie solaire reçue et donc l alternance des saisons. Bilan : L énergie solaire reçue à la surface de la Terre varie suivant la latitude (climat) et la période de l année (saison). La sphéricité de la Terre explique l existence des climats ; sa rotation autour du soleil et son obliquité, celle des saisons. 13

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