LA TERRE DANS L ’UNIVERS
Géologie
DEUG SVT 2003-2004
Un peu d ’histoire
• -3000avJC : Sumériens puis Babyloniens (calendrier basé sur Lune et Étoiles)
• Positions stables des étoiles les unes par rapport aux autres
• CONSTELLATIONS : figures particulières formées par les étoiles (Ninive : tablettes astronomiques avec le
zodiac. Âge -2000?)
• Existence d ’un certain nb d ’astres brillants se déplaçant +ou- rapidement parmi les constellations = Planètes (i-e astres errants)
Théories géocentriques
• Anaximandre (-611 à -545) fut le premier à placer la Terre au centre de l ’Univers
• Héraclide (388-315):«la Terre tourne sur elle- même (explication des mvts des étoiles).» mais
« Venus tourne autour du Soleil »
• Ptolémée* (127 - 151) : théorie des
épicycles. La Terre est fixe au centre du
monde
Théories héliocentriques
• Philolaos (450-400): Le Soleil et la Terre
tournent autour du feu central où trône Zeus.
• Aristarque (-290) : « La Terre tourne sur elle-même et autour du Soleil »
• Copernic (1543 publication posthume de
« de revolutionibus orbium coelestium ») :
système héliocentrique
Planètes - Satellite
9 planètes principales autour du Soleil
– Planètes telluriques (analogue à la Terre)
• Mercure - Vénus - Terre - Mars
– Planètes gazeuses
• Jupiter - Saturne - Uranus - Neptune
• Pluton (encore assez mal connue)
– Certaines planètes possèdent elles-mêmes des satellites
Lois de Kepler
• 1ère loi : aires balayées en des temps égaux sont égaux
– r2(d/dt) = h où (h = Cte des aires)
– ds = r2davec ds = aire balayée pendant dt
• 2e loi : trajectoire elliptique des planètes (un des foyers occupé par le Soleil)
• 3e loi : le carré de la durée de révolution autour du Soleil est proportionnel au cube des grands axes des ellipses.
– 42a3/T2 = Cte
Quelques chiffres
•
Distance u.a. Dist. en million km Période de révolution Diamètre en km• Mercure 0.387u.a. 56 Mkm 88j 4847
• Vénus 0.723 108 225j 12249
• Terre 1.000 150 1an 12756
• Mars 1.524 228 1a322j 6794
• Jupiter 5.202 780 11a315j 142880
• Saturne 9.555 1430 29a167j 120960
• Uranus 19.218 2880 84a7j 47170
• Neptune 30.110 4500 164a280j 44990
• Pluton 39.44 5950 248a157j
Gravitation et Pesanteur (Newton 1687)
• Mouvement régi par des lois mécaniques dont :
– fr = -G (mm ’)/r2
– avec G = 6,664.10-8cm3g-1s-2 (Constante newtonienne d ’attraction universelle) – m et m ’ = masses des corps distants de r
Galaxies
• Galaxie = groupement organisé d ’étoiles. Le nôtre
= La Galaxie = «La Voie lactée » (100.109 étoiles)
– Galaxies spirales – Galaxies elliptiques – Galaxies irrégulières
• Galaxies regroupées en « amas »(Amas local)
• Super amas = regroupement d ’amas (Le nôtre = Super amas de la Vierge)
Les unités employées
• UA = Unité astronomique = 150.10
6km
– représente la distance Terre - Soleil
• AL = année lumière = 9,46.10
15m
• pc = parsec = 3.26AL ou 3.09.10
16m
– distance à laquelle le rayon moyen de l ’orbite terrestre (UA) est vu sous un angle de 1seconde
« La Galaxie »
• Diamètre : 100.000AL
• e = 6.000AL
• Distance axe-Soleil = 30.000AL
• Halo galactique (amas globulaire)
• Année galactique = 250.106ans
• Nos voisins :
– Étoile la plus proche du Soleil = Proxima de Centaure à 4,3AL
– Grand Nuage de Magellan à 163.000AL
Distance intergalactique
• La loi de Hubble met en relation la distance et un décalage spectral (décalage vers le
Rouge).
• Hypothèse : décalage spectral dû à l ’effet Doppler-Fizeau
• D ’où : Les Galaxies s ’éloignent de la Terre (site d ’observation). Plus elles sont
éloignées, plus la vitesse est élevée
Théorie actuelle
• L ’Univers est en expansion.
• Il y a 15.10
9ans, toutes ces galaxies étaient regroupées en un même point.
• Théorie du Big Bang (Gamow 1958), remise d ’actualité par Weinberg 1978.
• 1990 : lancement du télescope astronomique
Hubble (objectif : vérification de la théorie).
Rayonnement fossile
A très haute température (1032K>T> 5.109K), le rayonnement est en équilibre avec les diverses
particules (quarks, électrons, neutrinos…). Aucune lumière ne peut s ’échapper.
Pour T < 5.109K, les électrons qui interagissaient librement et efficacement par diffusion avec le rayonnement en le maintenant opaque sont désormais liés aux noyaux, laissant filtrer le
rayonnement. Il s'agit du rayonnement "fossile" à 2,7Kelvin (Observation du satellite COBE)
Confirmation du Big Bang
Gravitation
• Analogie infiniment petit - infiniment grand
.
• Atome : si dimension noyau = boule de billard, alors électron à 1km.
• Sous l ’effet de la Gravitation, si effondrement : alors fusion de 2 protons avec libération
importante d ’énergie (voir nucléosynthèse).
• Lors de l ’effondrement 1 tête d ’épingle pèserait 105 tonnes.
Formation des étoiles
• A partir de nuages interstellaires au sein des Galaxies :
– Accrétion
– Autogravitation
– Contraction , condensation (énergie gravitationnelle>énergie thermique) – Effondrement (nucléosynthèse)
– Nécessité d ’une masse critique – (temps nécessaire = 106ans)
Nucléosyntèse
• Rayonnement fossile
• Nucléosynthèse
Fe V
Cr Sc Ti
K Ca Cl Ar P S Al Si Na Mg
F Ne
9 Nucléosynthèse explosive + éq. Statique nucléaire (6+8) O 8 Equilibre statique nucléaire
N 7 Nucléosynthèse stellaire + N. explosive (2+6)
C 6 Nucléosynthèse explosive
Be B 5 1,3 et 4 en même temps
He 4 Spallation* (éclatement de C, N et O pour former Li, Be, B)
H Li 3 Nucléosynthèse primordiale + N. Stellaire
2 Nucléosynthèse stellaire
He 1 Nucléosynthèse primordiale
H
a Protons (Z) a
Formation des 1ers atomes à T = 4000K
T = 108K T = 107K
Spallation* = Réaction nucléaire provoquée par des particules accélérées avec une si grande énergie que le noyau « éclate » en éjectant diverses particules.
Nucléosynthèse
Cycle proton-proton
–
1H +
1H
2H +
0e
++ –
2H +
1H
3He +
–
3He +
3He
4He + 2
1H
– (lors de la phase principale du
diagramme Hertzsprung - Russel)
Nucléosynthèse (suite)
• Cycle du carbone (CNO)
C
C0eneutrino
C + H N + – 14N + 1H 15O +
– 15O 15N + 0e+ +
– 15N + 1H 12C + 4He + – Durée environ 100Ma
– Température environ 15.106 °C
Évolution des étoiles
• Alternance phase de combustion thermonucléaire d ’éléments de masses atomiques de plus en plus élevées et phase de contraction.
• Fin de l ’évolution = épuisement de la totalité de l ’énergie nucléaire disponible (fusion Si Fe et Ni)
Géante rouge,
explosion en supernova
PulsarÉtoiles
• La « mort » d ’une étoile a donc comme conséquence la libération dans l ’espace intersidérale de divers éléments autres que l ’hydrogène. Ils vont participer à la
constitution de nouvelles étoiles et des planètes.
• Une étoile jeune possède des éléments plus
lourds (« métaux »).
Diagramme H-R
• Hertzsprung – Russell
– Séquence principale
• Etoiles jeunes (combustion de H)
• Position f(masse)
– Trajet de Hayashi
• Évolution avec l’âge
Le système solaire
• Corps central : Soleil
• Planètes : gravitent autour du Soleil
• Satellites gravitent autour des planètes.
• Système non unique : Soleil = Étoile
Les Planètes
• Formation à partir de « nébuleuse primitive »
• Age = 4,6.10
9ans par condensation de gaz et accrétion de poussières.
• Échauffement par désintégration d ’élément
radioactifs (26Al, 26Mg) entraînant alliage Fe et Ni.
Puis ségrégation densimétrique.
• Océan après refroidissement (t<375K)
Les Planètes (formation 1)
1) Disque de gaz : par effondrement d’une
nébuleuse de matière interstellaire entraînant la formation d’une protoétoile
2) Disque de grains : après contraction du proto- Soleil , condensation des gaz en petits grains 3) Disque de planétisimaux : par instabilité
gravimétrique ou par condensation au centre de tourbillon
Planètes (suite)
• 4) Disque d’embryons : formation
d’embryon planétaire par collision des planétisimaux
• 5) Disque de planètes : par attraction
gravitationnelle de matériau situé dans le
voisinage
Satellite (La Lune)
• Origine non élucidée : Trois théories
– Fission – Capture
• Après collision
• gravitationnelle
– Formation simultanée
Loi de Bode (masse manquante)
• Ajouter 4 et diviser par 10
0 3 6 12 24 48 96 192 384
0.4 0.7 1 1.6 2.8 5.2 10 19.6 38.8 0.38 0.72 1 1.52 5.2 9.55 19.22 30.1
Astéroïdes
• Examen des distances entre planètes montre une progression géométrique
• 1772, Von Tietz dit Titus trouve :
– a = 0.4 + 0.3 x 2 n-1
• Bode (1746-1826) de l ’observatoire de
Berlin trouve une loi empirique très pratique qui a permis de trouver les « masses
manquantes »
Formation des astéroïdes
• Hypothèse 1 : ce sont les restes d’une planète qui aurait explosé
• Hypothèse 2 : ce sont des restes de matériaux non utilisés lors de la fabrication des planètes (Brahic 1999)
• Composition : corps rocheux, peu d’éléments volatils
• Leur position : La majorité entre Mars et Jupiter, certaines sont sur les orbites des planètes, d’autres se trouvent dans la ceinture de Kuiper (au-delà de Pluton).
• Leur nombre : plus de 10.000 identifiées
Astéroides
• Diversités importantes (de taille, de forme, de composition minéralogique et chimique).
• Généralement de petite taille par rapport aux planètes (qu ’ils ne sont pas devenus)
– peu de source de chaleur interne
– pas d ’activités géologiques autres que les résultats de collision
• En tant que descendants directs des planétoides, ils
devraient apporter des informations sur la formation du système solaire
Météorites
• Météorites = Pierres tombées du ciel (103t/an)
– Taille variable, le plus gros = Cérès découvert en 1801 par Piazzi a plus de 200Km diamètre
– v = 11 à 70km/s (i-e 40.000km/h à 250.000Km/h)
• Météorites (âge : 4,56.109ans)
– métalliques
– lithosidérites (mélange Fe et Si)
– pierreuses (90%) chondrites (gaines silicatées sphériques, et achondrites (basaltiques)
• Apportent des informations directes sur les conditions physico-chimiques au moment de la condensation de la nébuleuse primitive.
Comètes
• Kometes = (éthym.) chevelure
• Noyau froid à l ’aphélie
• évaporation à l ’approche du Soleil (queue)
• Sous l ’action gravitationnelle des grandes planètes
• Origine : morceau de la nébuleuse primitive
• Localisation : Nuage d’Oort
• Nombre : 1012
Comètes 2
• Orbite non situé dans le plan de l ’écliptique
• Abandon d ’une traînée de poussières à l'approche du soleil
• Pluie d ’étoiles filantes quand la Terre croise l ’orbite des comètes
• Meilleures connaissances par l ’envoi de
sondes spatiales à la rencontre des comètes
(Halley 1986)
Paramètres orbitaux
• Excentricité de l'orbite : variation de la distance Terre-Soleil
• Variation de l'angle d'inclinaison des pôles
• Précession des Équinoxes : Variation de la direction de l'axe d'inclinaison
Variation de l ’excentricité
• Orbite elliptique
Excentricité = f ( pt axe/gd axe
– Distance Terre - Soleil variable (saisons)
– Attraction par les autres planètes : modification de la trajectoire
– Valeurs maxima 7% , minima 1%
• Périodicité moyenne 100 000ans (90-120ka)
• Influence sur écart saisonnier
Obliquité sur l ’écliptique
• variation de 22°02 ’ à 24°03 ’
• Période = 41.000ans
– Valeur actuelle 23°27 ’
– Tendance actuelle : diminution de l'angle – Amplitude maxi des variations 3°
– Valeurs extrêmes : 22° et 25°
• Dernier maximum d'obliquité : 9ka BP 24°30 ’
• Diminution de l'obliquité = réduction contraste saisonnier
Précession des équinoxes
• Instabilité due au Géoïde et à la gravitation du Soleil et de la Lune.
• Résultats : l'axe tourne comme une toupie
– Direction actuelle : alpha Petite Ourse (étoile polaire)
– 4000ans BP : alpha du Dragon – Dans 12 000 ans : Véga
• Périodicité : 21.700ans (à 26ka)
• Nutation : passage du Soleil et de la Lune tantôt au dessus, tantôt au-dessous du plan de l’équateur
terrestre. Faible indentation Périodicité 18,6ans
Cycle de Milankovitch
• Conjugaison des 3 paramètres entraîne des variations climatiques importantes
– Période glaciaire – Interglaciaire
• Cycle solaire (taches) = 11ans (variations
du champ magnétique solaire)
Variation de la durée du jour
• Fonction de plusieurs paramètres :
– L’eau (la marée, circulation océanique) – L’atmosphère (et le vent)
– La topographie (Chaîne de montagnes) – La structure interne du Globe
La Marée
• Soulèvement de 20-40cm pour les latitudes basses et moyennes
• Déplacement de masses d’eaux importantes
• Frottement sur le plancher océanique = dissipation d’énergie
• Résultat : diminution de la vitesse de rotation et
augmentation de la durée du jour (2,4millisecondes /siècle)
• Conserv° moment cinétique : accélération de la Lune et éloignement de 4cm/an
Circulation océanique
• Pendant El Nino (durée 2ans) :
– inversion du sens du courant chaud océanique qui se propage d’Ouest en Est
– Accélération de la rotation de la Planète =
diminution de la durée du jour de 1milliseconde
L’atmosphère
• Couplage topographique (Pascal Gegou) : barrière topographique (ex.: Montagnes Rocheuses) = prise au vent
– Ralentissement ou accélération de la rotation de la Planète f(sens du vent)
– Avec une masse = 1/1000e de la masse de la planète, sa position loin du centre de gravité lui permet de perturber la rotation de la Terre par ses moindres tressautements.