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 = 150.106km– représente la distance Terre - Soleil

• AL = année lumière = 9,46.1015m

• pc = parsec = 3.26AL ou 3.09.1016m– 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 15.109ans, 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

Ha 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 + 21H– (lors de la phase principale du

diagramme Hertzsprung - Russel)

Nucléosynthèse (suite)

• Cycle du carbone (CNO)a Caaaa aaaC0eneutrinoa 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 Pulsar

Étoiles

• 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 = 4,6.109ans 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.

Structure interne du Globe

• La rotation de la Terre est également influencée vers l’intérieur par l’interface « manteau-noyau » qui n’est pas régulière (objet des chapitres ultérieurs).

• Sachons qu ’il y a 400Ma le jour ne comptait que 22heures