III. Le système solaire

III. Le système solaire

Notre galaxie : la Voie Lactée

disque plat avec un bulbe central

~ 2 10¹¹ étoiles réparties dans bras spiraux

Soleil et galaxie

La Voie Lactée :

Mouvement de rotation dans le plan équatorial : période ~ 250 My

Diamètre ~ 10⁵ a.l. , épaisseur ~ 5000 a.l.

Le soleil : - position : 3 10⁴ a.l. du centre

- âge : 4.6 Gy 18 années galactiques - masse : 2 10²⁷ t

- diamètre : 1.4 10⁶ km Bras observable dans le ciel :

bande étroite blanchâtre voie « lactée » rem. : Galaxie Galactos (grec) = lait !

Galaxies les plus proches :

Andromède (2.5 10⁶ a.l.), Nuages de Magellan (2 10⁵ a.l.) Rem. : - Nb galaxies dans l’univers ~ nb étoiles dans la voie lactée !

- Quasars = galaxies très brillantes les plus éloignées.

v ~ 226 km/s

Calculs + tard…

Mesures des distances dans l’univers ?

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

θ L D

D = L / 2tg( θ ) = r

/ tg (θ)

D’ >> D

En 129 AJC, Hipparque (grec) : distance terre-lune (384000 km) XVIIè s : distance terre – soleil (1.5 10⁸ km)

+ précis aujourd’hui : mouvement des planètes (lois de Képler) voir + loin…

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".

La Voie Lactée :

Mouvement de rotation dans le plan équatorial : période ~ 250 My

Diamètre ~ 10⁵ a.l. , épaisseur ~ 5000 a.l.

Le soleil : - position : 3 10⁴ a.l. du centre

- âge : 4.6 Gy 20 années galactiques - masse : 2 10²⁷ t

- diamètre : 1.4 10⁶ km Bras observable dans le ciel :

bande étroite blanchâtre voie « lactée » rem. : Galaxie Galactos (grec) = lait !

Galaxies les plus proches :

Andromède (2.5 10⁶ a.l.), Nuages de Magellan (2 10⁵ a.l.) Rem. : - Nb galaxies dans l’univers ~ nb étoiles dans la voie lactée !

- Quasars = galaxies très brillantes les plus éloignées.

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° ↑ 10000 K

3) Couronne (millions km) : - faible densité

- T° ~ 10⁶ K - bord diffus

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

Libération brusque d’énergie :

Eruptions solaires : éjection importante de matière Activités solaires

f( modifications champ magnétique) cycles ~ 22 ans

effet sur atmosphère terrestre :

exemple : 1645-1715 : petit âge glaciaire

Ejection importante de matière : e-, p, He²⁺ 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)

Les planètes du système solaire

Les tailles relatives sont respectées.

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)

Autres objets de plus petite taille : Petites planètes ou astéroïdes :

~ 500000 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

Comètes :

au-delà de Pluton : ceinture de Kuiper et nuage de Oort espace de 40 U.A. à 150000 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

Structure des comètes :

Constituées de glace et de poussières à base de C (0.1 g/cm³) Au voisinage du soleil : fonte de la glace et vaporisation

Chevelure ( 100000 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)

Ceinture de Kuiper et nuage d’Oort

Mouvement des planètes : les lois de Képler

- Orbites elliptiques

- Gravitation des planètes dans le même sens - Orbites situées dans 1 plan (sauf Pluton) :

Ecliptique (orbite terrestre)

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)

Deuxième loi (1619) :

Le segment soleil – planète balaie des aires égales au cours de durées égales (loi des aires).

surface A = surface B

Troisième loi (1619) :

Le rapport T²/a³ , 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.

Lois justifiées par Newton au XVIIIè s.

Déduction de la masse du soleil

Démonstration des 2^ème et 3^ème lois (mouvement circulaire) et calcul de M …

T

/a

= 4 π

/G M

Mouvement des planètes

Mouvement de rotation autour du soleil : Lois de Képler

Mouvement de rotation sur elles-mêmes : ~ ⊥ écliptique sauf Uranus

Terre : - inclinaison actuelle : 23°27’

- orientation fixe : étoile polaire Nord - succession des saisons

- durée variable du jour Solstices et Equinoxes

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

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)

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

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)

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 = 2 10^-3 s (3 derniers siècles) - t_jour ~ 20 h (500 My)

3) Variation de l’inclinaison de l’axe : 21,5° 24,5°

période ~ 41000 ans

influence sur le climat (latitudes élevées)

2) Modification périodique de la forme de l’écliptique : modification de l’excentricité

modification d(terre – soleil) période ~ 400000 ans

4) Rotation de la terre renflement équateur Axe de rotation incliné (23,5°)

« Précession » de l’axe

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

Cône de précession

« Précession » de l’axe de rotation

Période : 22000 ans

Etoile polaire ≠ direction absolue ! Modification des solstices et

équinoxes

Précession des équinoxes

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 ≠

Constitution du système solaire

Origine commune :

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

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, H₂O, CH₄, NH₃

Composition (planètes telluriques) ≠ composition (planètes géantes)

2) Accrétion

Collision des particules m ↑ (planétésimaux)

= naissance des planètes Dimension planètes  d(planète – soleil)

R (anneau de gaz) ↑ quantité d’atomes ↑

R(planètes telluriques) < R(planètes joviennes)

Plus matière que