La Terre, une planète du système solaire

La Terre, une planète du système solaire Objectif Situer la Terre dans l univers, connaître sa position, ses points communs et ses différences avec les autres planètes. Documentation Vous consulterez avec profit les sites suivants: Wikipedia pour toutes les informations relatives au système solaire Flashespace pour toutes les nouvelles liées à l espace, justement! Le photojournal de la NASA où vous trouverez des milliers de photos que vous pouvez réutiliser sans problèmes le site de l auteur pour d autres cours, des précisions, des compléments... en particulier sur Titan et sur les possibilités de vie extraterrestre. Organisation 1. Ce cours complète et étend celui qui se limiterai à votre programme. Comme vos professeurs n ont, le plus souvent, reçu aucune formation en astronomie (hé oui...), ils ont tendance à passer très vite sur cette partie du programme, qui est pourtant extrêmement importante (c est la seule fois où vous allez entendre parler d astronomie dans toute votre scolarité...). J ai donc étendu un peu le domaine couvert par votre cours pour qu il soit cohérent, sans être trop étendu. 2. Des résumés vous permettront de voir immédiatement ce qui est à retenir. Les paragraphes introductifs, non indispensables, sont écrits en petits caractères. Les mots définis dans le glossaire (votre connaissance du français n étant pas... encyclopédique...) sont colorés. Les liens web sont actifs. Utilisez-les! 3. Plan: La planète Terre appartient au système solaire Une étoile, 8 planètes, de nombreux satellites et autres corps célestes Planètes telluriques et planètes joviennes Répartition de l énergie solaire sur les corps célestes Pr. Dr. R. Raynal, 2009 Ci-dessus : le système Terre-Lune, représenté à l échelle tant au niveau des dimensions que des distances. (Mars, la planète la plus proche, est...260 fois plus loin que la Lune!) PAGE 1 SUR 8

1 La planète Terre appartient au système solaire Le système solaire est constitué du soleil, une étoile, et des corps célestes qui tournent autour de lui. Le soleil fait partie d un ensemble de 300 milliards d étoiles, disposées en un disque (de 100000 AL* de diamètre) renflé en son centre, et qui est une galaxie. «Notre» galaxie est la Voie lactée. Le soleil se situe à 27000 Al du centre galactique, et comme nous sommes dans la Voie lactée celle-ci nous apparaît comme un bandeau faiblement lumineux (laiteux, d où son nom!) qui traverse le ciel nocturne. L univers contient des milliards de galaxies de toutes tailles et formes, qui le plus souvent s éloignent les unes des autres. L existence de cet éloignement permanent, entre autres, à conduit les astronomes à découvrir que notre univers s est formé il y a environ 13 milliards d années au cours d un événement appelé «big bang» (que les élèves confondent trop souvent avec la formation de la Terre, qui ne date que de 4,5 milliards d années...). * Al: Année lumière, 1 Al = 9500 milliards de km. 11 Une étoile, 8 planètes, de très nombreux satellites, des roches et de la glace Le système solaire comprend, outre l'étoile soleil, de nombreux corps de taille et de composition diverse. Les plus gros sont les planètes, dont le nombre a été arbitrairement fixé à 8. Corps céleste Particularités Exemples Etoile Planète Produit de la lumière à partir de réactions thermonucléaires Tournent autour du soleil. Peuvent être assez massives pour retenir des gaz et posséder ainsi une atmosphère. Elles peuvent posséder aussi des satellites. Le soleil Mercure, Vénus, la Terre, Mars, Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune Satellite Corps célestes en orbite autour d une planète La Lune Astéroïde Comète Planétoïde (ou planète naine) Corps céleste de petite dimension, formé de roches, de métaux ou de glace. Leur dimension varie du mm au millier de km, les plus nombreux étant les plus petits. Ils peuvent percuter une planète, on les appelle alors météorite. Corps céleste surtout formé de glace mêlé à de la roche et à des molécules carbonées, orbitant très loin du soleil, mais pouvant s en rapprocher fortement. Lors de cette approche, ils perdent leur gaz qui, reflétant la lumière solaire, forme une traînée qui peut être spectaculaire. Gros astéroïdes sphériques orbitant, le plus souvent, audelà de l orbite de Neptune. Il en existe aussi entre Mars et Jupiter Pallas, Vesta, mais aussi les anneaux de Saturne... Les comètes portent le nom de leur découvreur: Halley, Hale Bop, Encke... Pluton, Ceres, Eris, Makemake, Haumea. PAGE 2 SUR 8

12 Il existe deux types de planètes On doit garder à l esprit que la limite entre planète, planétoïde et satellite est assez arbitraire: Pluton est longtemps resté classé dans les planètes et plusieurs satellites, dans le système solaire, sont de taille supérieure ou comparable à la planète Mercure! On peut classer les planètes en deux groupes: -les planètes telluriques possèdent une surface solide. Elles sont principalement faites de roches et de métaux. Leur diamètre est de l'ordre du millier de km. Elles orbitent au voisinage du soleil. Une ceinture d astéroïdes s intercale entre elles et les planètes géantes, dites joviennes. Planète tellurique Distance au soleil (millions de km) Masse (terre = 1) Diamètre (km) Atmosphère (pression p, Terre = 1) Satellite Mercure58 0,05 4800non non Vénus108 0,82 12000 p=95, CO 2 non Terre150 1 12700 p=1, N 2 et O 2 la Lune Mars228 0,1 6700 p=0,006, CO 2 traces de CH 4 Phobos Deimos -Les planètes joviennes sont surtout constituées de gaz. Leur diamètre varie de 50000 à 150000 km. Elles possèdent une atmosphère très épaisse, des anneaux ainsi que de nombreux satellites, dont certains de grande taille (Ganymède, satellite de Jupiter, est plus gros que la planète Mercure!). Les astronomes ont découvert plus de 300 planètes joviennes tournant autour d'autres étoiles (les techniques actuelles ne permettant pas de détecter les planètes de la taille de la Terre autour des autres étoiles, ce qui devrait être réalisé dans les années à venir par les satellites Corot et Kepler). Planète jovienne Distance au soleil (millions de km) Masse (terre = 1) Diamètre (km) Atmosphère Satellites Jupiter778 316 142000 Saturne1427 95 120000 Uranus2870 14,5 51000 Neptune 4500 17 50000 H, He, CH 4, H2O... H, He, CH 4, NH 3... 63 (dont 4 gros)+ anneaux 60 (dont 6 gros)+ anneaux visibles 27 (dont 4 gros)+ anneaux 13 (dont 2 gros)+ anneaux PAGE 3 SUR 8

Représentation, à leurs échelles respectives de taille (mais pas de distance) des principaux corps du système solaire - NASA. Au-delà de l orbite de Neptune, on trouve divers corps célestes organisés selon deux ensembles différents: - la ceinture de Kuypers (entre 30 et 50 UA) comprend de nombreux astéroïdes de roche et de glace, dont les planètes naines Pluton-Charon, Quaoar, Varuna et Orcus. À la limite extérieure de la ceinture orbite le planétoïde Sedna. - Le nuage de Oort, très loin du soleil (plus de 50000 UA) contiendrait des millions de fragments glacés qui constituent le noyau de comètes qui, parfois, plongent vers l intérieur du système solaire. Remarques: Les satellites des planètes joviennes sont des mondes à part entière, possédant parfois une atmosphère (Titan), une activité volcanique (Io) ou probablement des océans recouverts d une croûte de glace (Encelade, Europe). Si la Terre est la seule planète du système solaire où une vie pluricellulaire se soit développée, il est possible qu une vie microbienne se soit développée ou bien ait été transportée (à partir de la Terre, par des météorites arrachées à notre planète) sur de nombreuses planètes et satellites: Mars, les profondeurs d Europe et d Encelade ainsi que l atmosphère de Jupiter sont ainsi, peut être, des milieux favorables à une vie bactérienne. Le soleil n est pas une étoile exceptionnelle: il en est de plus petites, mais aussi de plus massives. Dans un rayon de 20 Al. autour du soleil, on trouve 70 étoiles dont 3 sont plus lumineuses et plus grandes que le Soleil (Sirius, Altaïr et Procyon), 10 sont comparables à notre étoile et 57 sont des étoiles naines rouges, pouvant être très âgées. PAGE 4 SUR 8

2 L'énergie reçue du soleil se répartit de façon inégale sur une planète 21 l énergie solaire se répartit inégalement à la surface de la Terre La répartition en latitude des climats et l'alternance des saisons résultent de la sphéricité de la Terre et de sa rotation autour d'un axe incliné par rapport a son plan de rotation autour du soleil ( vous avez vu cela en géographie, dès le collège...). Il en est de même pour Mars et pour tous les corps célestes présentant une inclinaison notable sur leur orbite. Ci-contre : les rayons solaires font avec le sol un angle de plus en plus faible au fur et à mesure qu ils s éloignent de l équateur. Ce faisant, l énergie transportée par ces rayons s étale sur une surface de plus en plus grande: plus on s éloigne de l équateur et moins le rayonnement solaire transmet d énergie par m 2! De plus, l inclinaison de la Terre sur son orbite plonge les régions polaires dans la nuit la moitié de l année. Cette inclinaison est aussi responsable de la diminution de la durée du jour en hiver, et de son augmentation en été, et donc de la variation des températures et des conditions atmosphériques entre les saisons (ci-contre : la variation des températures annuelles avec la latitude apparaît clairement, non? Image R.A. Rohde). 22 La quantité d'énergie reçue du soleil décroît avec la distance L énergie transmise par le rayonnement solaire varie en fonction de la distance selon une loi en 1/r 2 (vous avez dû faire un TP pour le vérifier). Qu est ce que cela veut dire? Que si votre distance au soleil double, l énergie que vous recevez de notre étoile est divisée non par 2, mais par 2 2=4 (simple, non?). Si vous êtes 4 fois plus éloigné, vous recevez une énergie 4 2 = 16 fois moindre pour une même surface (une planète plus petite qu une autre interceptant aussi moins d énergie solaire car sa surface est moindre). La répartition du rayonnement en fonction de la distance explique pourquoi les sondes spatiales qui dépassent l orbite de Mars ne peuvent pas utiliser de panneaux solaires comme source d énergie - ils seraient trop grands - et doivent embarquer un générateur fonctionnant à l énergie nucléaire. PAGE 5 SUR 8

Ainsi, on peut comparer la variation de la quantité d énergie solaire qui frappe une même surface (disons 1 m 2 de panneau solaire pour en satellite en orbite) pour les 4 planètes telluriques: Planète Distance (Soleil-Mercure = 1) 1/r 2 énergie solaire en orbite (Mercure = 100 W) Mercure1 1 100 W Vénus1,86 0,29 29 W Terre2,58 0,15 15 W Mars3,93 0,06 6 W On constate que si vous pouvez alimenter un projecteur au niveau de Mercure, vous n aurez plus, en orbite terrestre, que l énergie nécessaire à alimenter une lampe de poche... (au niveau de Saturne, où fonctionne la Sonde spatiale Cassini, il vous resterai 0,1 W...) Dans les exemples précédents, j ai bien précisé que je me situais en orbite. Pourquoi? Parce qu il existe un élément qui modifie fortement la quantité d énergie effectivement retenue au niveau du sol d une planète: son atmosphère éventuelle. 23 Les atmosphères planétaires, des pièges à énergie solaire. Si une planète possède une atmosphère (ce qui dépend de sa masse, de son histoire et de sa distance au soleil), cette dernière va absorber la chaleur renvoyée par le sol de la planète, qui va donc réchauffer l atmosphère et la surface au lieu de repartir vers l espace: c est l effet de serre (dont on vous rebat les oreilles!). L efficacité d une atmosphère comme «couverture chauffante» dépend de sa composition chimique, certains gaz étant bien plus efficaces que d autres pour piéger le rayonnement que d autres. Quelques exemples dans le système solaire: - Vénus possède une atmosphère épaisse contenant des gaz comme H 2O et SO 2 (elle contient aussi beaucoup de CO 2, dont le rôle dans l effet de serre est mineur pour cette planète) qui absorbent une grande partie de la chaleur renvoyée par le sol. La température au sol est donc très élevée, voisine de 460 C (plus de 2 fois plus élevée que celle à la surface de Mercure, pourtant deux fois plus proche du soleil). PAGE 6 SUR 8

- la Terre possède une atmosphère exerçant un effet de serre modéré (principalement à cause de l H 2 O, du méthane et du CO 2 ) qui a un effet important, en augmentant la température moyenne (14 C) bien au-dessus de 0 C et en permettant dans à l eau d être à l état liquide à sa surface. - Mars a eu dans le passé une atmosphère sans doute riche en H 2O, méthane et CO 2 et a donc du posséder aussi de l eau liquide à sa surface, ce qui est confirmé par son relief montrant des traces de l action de l eau ( voir photo NASA/JPL ). Toutefois, la planète est trop peu massive pour retenir son atmosphère qui s est dispersée dans l espace, ce qui a fait diminuer l effet de serre et a abouti à la vaporisation et au gel de l eau de sa surface et à la chute de sa température (qui atteint péniblement 10 C à l équateur au coeur de l été, mais qui le plus souvent est voisine de -60 C. - Titan, satellite de Saturne, possède une atmosphère épaisse d azote et de méthane ( voir photo de son atmosphère vue de profil, NASA/JPL ), engendrant un effet de serre notable (-180 C à la surface au lieu de -200 C) malgré son éloignement du soleil et permettant à des lacs de méthane de se maintenir à sa surface. Remarques: Outre leur effet sur la température de la surface planétaire, les atmosphères ont un effet protecteur contre les impacts de météorites, extrêmement fréquents lors de la formation du système solaire, il y a 4,5 milliards d années (un coup d oeil sur la surface lunaire suffit à s en persuader). Une atmosphère épaisse fait disparaître les météorites les plus petites, qui fondent par frottement en pénétrant l atmosphère (d où les étoiles filantes - photo NASA/JPL). De plus, une atmosphère peut créer des phénomènes d érosion qui vont détruire les traces des anciens chocs (cratères) et remodeler la surface de la planète (c'est le cas de la Terre, mais aussi de Titan et, dans une moindre mesure, de Mars). Les planètes joviennes possèdent une atmosphère très épaisse (photo NASA/JPL), se densifiant progressivement pour prendre la consistance d un brouillard, puis d un liquide. Ces planètes sont toutefois réchauffées non seulement par leur effet de serre (existant, mais secondaire) mais aussi, et surtout par la chaleur produite en leur centre où règne une énorme pression. Il existe ainsi, dans l atmosphère de Jupiter, une zone où pression et température sont voisines de celles de la surface terrestre, bien que Jupiter soit 5 fois plus éloignée du soleil et ne reçoive donc que... (calculez), oui, 25 fois moins d énergie solaire que la Terre, par unité de surface... PAGE 7 SUR 8

Vocabulaire Alternance: succession régulière Année-lumière : Unité de distance en astronomie, correspondant à la distance parcourue par un rayon lumineux en une année (la vitesse de la lumière est de 299792 km/s dans le vide...). On peut exprimer de nombreuses distances en «unité lumière»: la Lune se trouve à une secondelumière de la terre (nous la voyons telle qu elle était il y a 1s, car c est le temps qu il faut pour que la lumière partie de sa surface arrive jusqu à nous). Le soleil est à 8 min-lumières de la Terre. Les astronomes utilisent aussi comme unité le parsec (Pc), qui vaut 3,26 années-lumière. Ceinture d astéroïdes: ensemble de nombreux corps céleste se répartissant entre l orbite de Mars et celle de Jupiter. La plupart de ces astéroïdes sont de taille inférieure au cm, et, contrairement à ce qui est montré dans les films de science-fiction, ils sont séparés par des distances de plusieurs milliers, voire millions, de km. Effet de serre: Effet provoquant le réchauffement d une surface planétaire grâce à certains gaz présents dans une atmosphère et s opposant à la ré-émission de la chaleur solaire vers l espace. Ellipse: Figure géométrique ressemblant à un «cercle écrasé». Les orbites des corps tournant autour du soleil (et de tout autre corps céleste) sont des ellipses, comme J. Kepler l a établi en 1609. Les planètes de notre système solaire ont des orbites faiblement elliptiques (qui ressemblent à des cercles) alors que les comètes, par exemple, peuvent avoir des orbites très elliptiques. Erosion: Usure et destruction des roches par les agents du climat. Sur Terre, l érosion est causée principalement par l eau, mais elle peut aussi être réalisée par le vent (déserts, planète Mars), la glace où les variations de température. Etoiles filantes: météorites de petite dimension (du grain de sable à la taille d une noix) qui se consume entièrement en traversant l atmosphère terrestre en produisant une brève trainée lumineuse visible de nuit. Lorsque la Terre croise l orbite d une ancienne comète, riche en poussière, il se produit une «averse» d étoiles filantes qui semblent provenir de la même région du ciel. L averse la plus importante est celle des perséides qui se produit chaque année autour du 12 août. Galaxie : Ensemble de milliards d étoiles, de gaz et de poussières, liées ensemble par des forces de gravité. Il en existe de plusieurs formes: sphériques, en spirales, en fuseau... Les galaxies sont souvent séparées par plusieurs millions d années lumières. Elles peuvent s'organiser en gigantesques ensembles, les amas de galaxies. Jovienne: planète du même type que Jupiter, c est à dire de grande taille et constituée de gaz. Orbitant: tournant autour, en décrivant une orbite! U.A.: Unité astronomique. Unité de distance correspondant à la distance Soleil-Terre, soit 150 millions de km. Résumé La Terre est une planète tellurique tournant autour de l étoile Soleil. Le système solaire contient de nombreux corps de taille et de composition différentes, certaines planètes (telluriques) sont rocheuses alors que d autres, les Joviennes, sont plus grandes et constituées de gaz. Certaines planètes peuvent posséder une atmosphère qui réchauffe leur surface par effet de serre, l énergie reçue du soleil diminuant comme le carré de la distance et se répartissant de façon inégale sur la surface sphérique des planètes (d où des variations de climat avec la latitude). PAGE 8 SUR 8