CHAPITRE 1 : LA TERRE UNE PLANETE HABITABLE

Transcription

1 Sciences de la Vie et de la Terre Classe de 2 nde générale et technologique Thème 1 : La Terre dans l univers, la vie et l évolution du vivant La Terre, une planète habitée CHAPITRE 1 : LA TERRE UNE PLANETE HABITABLE Notre planète Terre s est formée il y 4,6 milliards d années à partir d une nébuleuse, en même temps que notre système solaire. Les différents objets du système solaire se sont alors formés par accrétion. Depuis le moyen âge et grâce aux progrès scientifiques, des astrophysiciens comme Copernic et Galilée sont parvenus à mieux connaître le système solaire. Sommes-nous la seule planète du système solaire habitable par l Homme? Pourquoi la vie s est-elle développée sur Terre? Quelles sont les conditions nécessaires à son apparition? I/ La Terre, planète du système solaire Le système solaire est une infirme partie de l Univers. Le système solaire correspond à l ensemble des corps célestes présents dans l espace et soumis au champ de gravitation du Soleil. Ces corps célestes peuvent être de natures différentes : - Huit planètes : Mercure, Vénus, Terre, Mars, Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune ; - Des satellites (comme la Lune) qui tournent autour de certaines planètes ; - Des astéroïdes, corps rocheux de tailles variées (de quelques dizaines de mètres jusqu à plusieurs centaines de kilomètres) ; - Des comètes, blocs de glace et de poussières, traversant le système solaire sur des orbites très allongées ; - Des planètes naines (comme Pluton). L ensemble des corps célestes gravitent autour d une étoile, le Soleil. Il n est qu une étoile parmi toutes celles que contient notre galaxie : la voie lactée. Les étoiles sont des corps célestes composés de gaz qui produisent de la lumière et de chaleur. Leur cœur atteint plusieurs millions de degrés Celsius car il est le siège de réactions thermonucléaires. Les étoiles sont les plus gros astres de l Univers et ils évoluent avec le temps puisqu ils naissent, vivent et meurent. Autour du Soleil, différentes planètes gravitent. La définition officielle d une planète a évolué en Pour qu un corps céleste puisse être désignée comme planète, il faut réunir différents critères : - Etre en orbite autour d une étoile - Etre suffisamment massique pour que l effet de sa propre gravité lui confère une forme sphérique - Avoir éliminé tout corps se déplaçant dans le voisinage autour de son orbite (ce point fait encore débat au sein de la communauté scientifique). Dans le système solaire, on compte huit planètes que l on classe en deux catégories : - Les planètes rocheuses (Mercure, Vénus, Terre et Mars) sont des objets solides. Les planètes rocheuses sont également appelées planètes telluriques (du latin «tellus» signifiant la terre, le sol). Elles sont de taille moyenne par rapport aux autres planètes. Elles sont de densité élevée et situées proches du Soleil. Leur surface, solide et rocheuse, est composé principalement de silicium, de fer et de nickel. Le schéma qui suit représente deux exemples de planètes rocheuses : la Terre et Mars. Nous pouvons voir qu elles sont constituées d un noyau, d un manteau et d une croûte. 1

2 - Les planètes gazeuses (Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune) sont des boules de gaz comprimés qui entourent un petit noyau. Elles n ont pas de véritable surface solide, ont une densité faible et un diamètre important. Ce sont des planètes qui contrairement aux planètes rocheuses n ont pas un sol solide. Le schéma suivant, qui représente la structure interne théorique de Jupiter, permet de démontrer qu elle n est formée presque que de gaz. Ces planètes gravitent autour du Soleil dans un plan : le plan de l écliptique. Plus elles sont éloignées, plus elles mettent de temps à tourner autour du Soleil. 2

3 Un astéroïde est un corps céleste très petit comparé aux autres objets du système solaire, bien qu'il gravite également autour du Soleil. Les astéroïdes peuvent entrer en collision entre eux, formant ainsi des débris qui peuvent s'écraser à la surface des planètes. On parle alors de météorites. Dans le système solaire, on distingue deux ceintures d objets célestes : - La ceinture d Astéroïdes, ensemble de corps rocheux (qui remonte à la formation des planètes rocheuses n ayant pas eu le temps de s agréger) - La ceinture de Kuiper, constituée de corps glacés (Le nuage d Oort). Parfois il arrive qu un élément se détache de ce nuage ou de la ceinture de Kuiper et plonge vers la Terre. La glace se transforme en gaz et forme alors une longue trainée : ce sont les comètes. Des planètes naines ont également été identifiées. Pluton n est plus une planète depuis 2006 et est désormais considérée comme une planète naine appartenant à la ceinture de Kuiper. Autour des planètes gravitent des satellites. Ce sont des corps célestes en orbite autour d une planète. La Terre possède son propre satellite naturel, la Lune. Certaines planètes comme Jupiter possèdent plusieurs satellites. 3

4 Quelques définitions à connaître : Etoile : astre produisant de la lumière Planète : corps céleste sans lumière propre, en orbite autour du Soleil, et ayant éliminé tout corps se déplaçant sur une orbite proche. Les orbites des 8 planètes sont dans un même plan appelé le plan de l écliptique. Planète naine : objet céleste répondant aux mêmes critères qu une planète mais n ayant pas éliminé les corps présents sur une orbite proche. Satellite : corps céleste en orbite autour d une planète Astéroïde : petit corps céleste pouvant entrer en collision avec un autre astéroïde. Des débris d astéroïdes s écrasant à la surface d une planète sont appelés météorites. Comète : corps caractérisé par un noyau brillant et une trainée. Une comète s est formée dans les régions froides, loin du Soleil. Lorsque sa trajectoire est perturbée et qu elle se rapproche du Soleil, elle se réchauffe et se vaporise. La lumière du Soleil est alors réfléchie ce qui rend son corps visible depuis la Terre. Principales caractéristiques des groupes de planètes Au sein des planètes et de leurs satellites, on effectue une classification basée sur des critères de composition chimique, de masse, de densité et de distance par rapport au Soleil. Planètes rocheuses =telluriques Planètes géantes gazeuses Planètes Diamètre Présence Densité Distance au Principaux d un sol Soleil composants chimiques Mercure petit oui élevée proche Silicates Vénus fer, nickel Mars Terre km oui 5,51 1 UA 149,6x10 6 km Silicates fer, nickel Jupiter grand non faible loin Hydrogène, Saturne hélium Uranus Neptune Epaisseur de l atmosphère Température de surface P atm Faible à Elevée à Faible moyenne faible 500km Environ 15 1 bar Très grande Très faible Elevée La densité est la masse volumique d'un objet (sa masse divisée par son volume), divisée par la masse volumique de l'eau (1000 kg/m 3 ). Plus la densité d'un objet est élevée, plus celui-ci est massif dans un faible volume. L'atmosphère est la couche de gaz qui entoure une planète. L'atmosphère est retenue par la gravité qu'exerce la planète. 4

5 BILAN : Le Soleil est une étoile entourée d objets célestes qui gravitent autour de lui : planètes (souvent pourvues de satellites), astéroïdes, comètes. Cet ensemble constitue le système solaire. Les planètes du système solaire peuvent être classes en deux groupes : les planètes rocheuses et les planètes gazeuses. La Terre est une planète rocheuse et tellurique. II/ Les singularités de la planète Terre La Terre est une planète parmi d autres, mais les conditions qui y règnent la distinguent par certains aspects des autres planètes du système solaire. Ces conditions ont permis à la vie de se développer. a) Les paramètres physiques particuliers de la Terre La taille et la masse d une planète La masse d'une planète détermine la force de gravitation qu'elle exerce. Sa taille compte également pour déterminer l'attraction qu'une planète exerce à sa surface (la pesanteur). Pour retenir une atmosphère à sa surface, une planète doit être massique et d'assez petite taille. Elle doit donc avoir une forte densité. Ainsi, Mars (dont la densité est la plus faible des planètes rocheuses, possède une atmosphère de faible épaisseur. La plus petite des planètes rocheuses, Mercure, possède une densité moyenne mais sa distance faible par rapport au Soleil fait que la température y est importante. Ainsi l atmosphère est soufflée par les vents solaires, expliquant l absence d atmosphère sur Mercure. La distance au Soleil La distance au Soleil est un facteur déterminant la température d une planète, car l énergie solaire reçue par une planète diminue avec l éloignement au Soleil. Ainsi plus une planète est éloignée du Soleil, moins la température est importante. Par convention, on dit que la Terre est à une unité astronomique de la Terre, ce qui équivaut à une distance de 149,6x10 6 km. A titre comparatif, Neptune (la planète la plus éloignée du système solaire) est à 31 UA du Soleil. Au sein des planètes rocheuses, il existe des différences importantes de températures externes. Sur Terre, il règne une température moyenne compatible avec la vie (15 C). Cependant, son satellite, la Lune, qui est à la même distance du Soleil, présente une température moyenne bien inférieure ( 23 C). Cela signifie que d'autres facteurs, spécifiques à la Terre, influencent ses conditions d'habitabilité. 5

6 En outre, on peut remarquer au sein des planètes rocheuses des différences entre la température effective (température moyenne de surface) et sa température calculée (ne prenant en compte que sa distance au Soleil). Planète Distance au Soleil (en UA) Température moyenne de surface Température moyenne théorique Mercure 0,3 à 0, C C Vénus 0, C + 30 C Terre C - 18 C Mars C - 60 C Quelques caractéristiques physiques des planètes telluriques Ces différences de température entre température moyenne de surface et température moyenne théorique s expliquent par l effet de serre qui est relié à la composition chimique de l atmosphère. L'effet de serre permet le réchauffement de la Terre dû à des gaz présents dans l'atmosphère qui captent les rayonnements infrarouges émis par le Soleil, et réfléchis par la Terre. Sur le tableau, on remarque que la température effective de Mercure est la même que sa température théorique. Ceci s explique par le fait que l atmosphère de Mercure est quasi-inexistante, comme vu précédemment. b) Les paramètres chimiques particuliers de la Terre Les paramètres chimiques qui conditionnent l habitabilité de la Terre sont reliés à la présence d une atmosphère particulière. Une atmosphère est une enveloppe gazeuse qui entoure certaines planètes. Elle est maintenue par gravité autour de ces corps. L atmosphère des planètes rocheuses du système solaire s est formée par dégazage des masses rocheuses, après leur agrégation et durant leur refroidissement. L atmosphère terrestre à l origine d un effet de serre modéré Certains gaz de l atmosphère comme le dioxyde de carbone (CO 2 ), les vapeurs d eau (H 2 0) ou le méthane (CH 4 ) piègent une partie de l énergie réfléchir par la Terre. Ce piégeage est responsable d un effet de serre qui, sur Terre, est modéré car les gaz à effet de serre sont moins abondants que sur d autres planètes comme Vénus par exemple. Cet effet de serre modéré permet ainsi d avoir des températures moyennes de surface compatibles avec la vie. 6

7 Planète ou satellite Atmosphère et pression Composition chimique (%) de l atmosphère atmosphérique CO 2 O 2 N 2 H 2 O Mercure Pratiquement absente Vénus P = 93 bars 96,5 0 3,5 Traces Terre P = 1 bar 0, ,5 Lune Absente Mars P = 6millibars 95, ,03 Par ailleurs, on peut remarquer que la Terre est la seule planète rocheuse du système solaire à posséder du dioxygène dans son atmosphère. Une atmosphère terrestre riche en dioxygène La Terre est la seule planète du système solaire à posséder du dioxygène (O 2 ) dans son atmosphère. Le dioxygène est utilisé par les êtres vivants pour vivre, grâce au mécanisme de respiration. Par ailleurs, le dioxygène par l'intermédiaire de la formation d'ozone participe également à la protection de la surface de la Terre contre les rayonnements ultraviolets les plus énergétiques émis par le Soleil. Toutefois, la part la plus importante du dioxygène présent dans l'atmosphère provient des êtres vivants eux-mêmes, via la photosynthèse. c) La présence d eau liquide On trouve de l eau partout dans le système solaire. On peut effet rencontrer cette molécule H20 sur certaines planètes et astéroïdes mais également dans les comètes. La Terre contient une très grande quantité d'eau à sa surface (70% de la surface terrestre est recouverte d'océans). Lors de sa formation, la Terre a été soumise à un intense bombardement météoritique comme l atteste la présence de nombreux cratères. Au cours de ces bombardements, météorites et comètes auraient apporté de nombreux cristaux contenant des molécules d eau. Cette eau, présente principalement à l'état liquide, est indispensable au développement et au maintien de la vie. L'eau (H 2 O) est une molécule, qui peut exister sous trois états : solide, liquide ou gazeux. L'état sous lequel se trouve l'eau sur une planète dépend des conditions de température et de pression atmosphérique. Afin de savoir sous quel état se trouve (ou se trouverait) de l'eau pour une pression et une température donnée, on utilise un diagramme d'état de l'eau, qui indique les zones de pression et de température correspondant à chaque état. 7

8 Grâce à ce schéma on peut déterminer que la Terre est la seule planète possédant de l eau à l état liquide. La faible valeur de la pression atmosphérique ne permet pas (plus) à l eau liquide d exister à la surface de Mars. Sur Vénus, la température est trop élevée pour que l eau existe sous une autre forme que la vapeur. BILAN : Les planètes exercent sur la matière qui les entoure une force d attraction. Cette force est proportionnelle à la masse de la planète. En fonction de sa masse, une planète aura donc une atmosphère plus ou moins épaisse. L épaisseur de l atmosphère terrestre permettra à la Terre d avoir une pression atmosphérique d un bar (10 5 Pa). Par ailleurs l atmosphère terrestre est la seule à posséder du dioxygène, essentiel à la vie et permettant la formation de la couche d ozone. En outre le maintien d une atmosphère dépend également de sa distance au Soleil. Cette distance au Soleil, combinée à la présence d un effet de serre modéré, permet une température moyenne optimale. Pression atmosphérique et température moyenne adéquate permettent l existence d eau à l état liquide, rendant ainsi la vie possible. III/ La recherche de vie en dehors du système solaire Comme nous l avons vu les conditions qui règnent sur Terre sont favorables à la vie telle que nous la connaissons : - la présence d eau liquide - la présence d une atmosphère possédant du dioxygène nécessaire à la respiration - la présence d une couche d ozone protégeant les êtres vivants contre les rayonnements UV Actuellement les conditions propices à la vie restent inconnues dans le système solaire ailleurs que sur Terre. Sur Mars, des traces manifestes d érosion prouvent cependant que cette planète a, par le passé, possédé de l eau liquide. On y recherche toujours des traces de vie. Depuis 1995, on a découvert des centaines de planètes en orbite autour d autres étoiles que le Soleil : ce sont des exoplanètes. La communauté scientifique s intéresse ainsi à ces exoplanètes afin de voir si certaines pourraient habiter la vie. Ces exoplanètes doivent nécessairement être situées dans la zone d habitabilité de leur étoile. On appelle zone d habitabilité une région de l espace où les conditions sont favorables à l apparition ou au soutien de la vie. La position de cette zone dépend du type d étoile : plus une étoile est chaude et massive, plus la zone habitable se situe loin d elle. Une planète étant dans la zone d habitabilité de son étoile, peut accueillir la vie, mais elle ne s y trouve pas obligatoirement. 8

9 À l'heure actuelle, on ne sait pas si des exoplanètes hébergent ou ont hébergé la vie. De plus, dans le passé, certaines planètes du système solaire pouvaient présenter de l'eau liquide à leur surface, ce qui n'est plus le cas aujourd'hui, et on ignore si la vie a pu exister sur ces planètes par le passé. Il existe des exoplanètes ressemblant à la Terre. Par exemple, Gliese 581c, gravitant autour de l'étoile Gliece 581, aurait une température externe moyenne comprise entre 0 C et 40 C, ce qui serait compatible avec la présence d'eau liquide. BILAN : L existence d une vie sur une planète requiert la présence d une atmosphère et d eau à l état liquide. Dans le système solaire, ces conditions sont réalisées entre 0,95 et 1,67 UA. Cette distance critique définit ce que l on appelle la zone d habitabilité de l étoile. Elle dépend notamment de la taille de l étoile. La définition de cette zone d habitabilité permet aux scientifiques d identifier les exoplanètes «habitables». 9

10 BILAN GENERAL DU CHAPITRE La Terre est une planète rocheuse et tellurique appartenant au système solaire. L apparition de la vie sur Terre a été permise par la présence d eau liquide. Cette particularité est liée à des conditions physicochimiques que l on ne retrouve nulle part ailleurs. La Terre est à une distance idéale du Soleil, ce qui lui permet d avoir une température moyenne de surface compatible avec la vie. Sa taille et sa masse lui permettent de posséder une atmosphère suffisamment épaisse avec un effet de serre modéré. L atmosphère exerce sur le sol une pression (la pression atmosphérique) qui, couplée à une température particulière, permet la présence de l eau sous ses trois états et notamment d eau liquide, favorable à la vie. D autres planètes en dehors du système solaire pourraient posséder des caractéristiques voisines de la Terre. On définit ainsi une zone d habitabilité, c est à dire une zone dans laquelle la présence d eau liquide pourrait être envisagée. 10

11 11