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LA TERRE DANS L UNIVERS Géologie DEUG SVT 2003-2004.

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1 LA TERRE DANS L UNIVERS Géologie DEUG SVT

2 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)

3 Théories géocentriques Anaximandre (-611 à -545) fut le premier à placer la Terre au centre de l Univers Héraclide ( ):«la Terre tourne sur elle- même (explication des mvts des étoiles).» mais « Venus tourne autour du Soleil » Ptolémée* ( ) : théorie des épicycles. La Terre est fixe au centre du monde

4 Théories héliocentriques Philolaos ( ): 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

5 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

6 Lois de Kepler 1ère loi : aires balayées en des temps égaux sont égaux –r 2 (d /dt) = h où (h = C te des aires) –ds = r 2 d avec 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. –4 2 a 3 /T 2 = C te

7 Quelques chiffres Distance u.a. Dist. en million kmPériode de révolution Diamètre en km Mercure0.387u.a.56 Mkm 88j4847 Vénus j12249 Terre an12756 Mars a322j6794 Jupiter a315j Saturne a167j Uranus a7j47170 Neptune a280j44990 Pluton a157j

8 Gravitation et Pesanteur (Newton 1687) Mouvement régi par des lois mécaniques dont : –f r = -G (mm )/r 2 –avec G = 6, cm 3 g -1 s -2 (Constante newtonienne d attraction universelle) –m et m = masses des corps distants de r

9 Galaxies Galaxie = groupement organisé d étoiles. Le nôtre = La Galaxie = «La Voie lactée » ( 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)

10 Les unités employées UA = Unité astronomique = km –représente la distance Terre - Soleil AL = année lumière = 9, m pc = parsec = 3.26AL ou m –distance à laquelle le rayon moyen de l orbite terrestre (UA) est vu sous un angle de 1seconde

11 « La Galaxie » Diamètre : AL e = 6.000AL Distance axe-Soleil = AL Halo galactique (amas globulaire) Année galactique = ans Nos voisins : –Étoile la plus proche du Soleil = Proxima de Centaure à 4,3AL –Grand Nuage de Magellan à AL

12 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

13 Théorie actuelle L Univers est en expansion. Il y a ans, toutes ces galaxies étaient regroupées en un même point. Théorie du Big Bang (Gamow 1958), remise d actualité par Weinberg : lancement du télescope astronomique Hubble (objectif : vérification de la théorie).

14 Rayonnement fossile A très haute température (10 32 K>T> K), le rayonnement est en équilibre avec les diverses particules (quarks, électrons, neutrinos…). Aucune lumière ne peut s échapper. Pour T < K, 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

15 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 10 5 tonnes.

16 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 = 10 6 ans)

17 Nucléosyntèse Rayonnement fossile Nucléosynthèse

18 Cycle proton-proton – 1 H + 1 H 2 H + 0 e + + – 2 H + 1 H 3 He + – 3 He + 3 He 4 He H –(lors de la phase principale du diagramme Hertzsprung - Russel)

19 Nucléosynthèse (suite) Cycle du carbone (CNO) – C – C 0 e neutrino – C + H N + – 14 N + 1 H 15 O + – 15 O 15 N + 0 e + + – 15 N + 1 H 12 C + 4 He + –Durée environ 100Ma –Température environ °C

20 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

21 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 »).

22 Diagramme H-R Hertzsprung – Russell –Séquence principale Etoiles jeunes (combustion de H) Position f(masse) –Trajet de Hayashi Évolution avec lâge

23 Le système solaire Corps central : Soleil Planètes : gravitent autour du Soleil Satellites gravitent autour des planètes. Système non unique : Soleil = Étoile

24 Les Planètes Formation à partir de « nébuleuse primitive » Age = 4, ans par condensation de gaz et accrétion de poussières. Échauffement par désintégration d élément radioactifs ( 26 Al, 26 Mg) entraînant alliage Fe et Ni. Puis ségrégation densimétrique. Océan après refroidissement (t<375K)

25 Les Planètes (formation 1) 1)Disque de gaz : par effondrement dune nébuleuse de matière interstellaire entraînant la formation dune 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

26 Planètes (suite) 4) Disque dembryons : formation dembryon planétaire par collision des planétisimaux 5) Disque de planètes : par attraction gravitationnelle de matériau situé dans le voisinage

27 Satellite (La Lune) Origine non élucidée : Trois théories –Fission –Capture Après collision gravitationnelle –Formation simultanée

28 Loi de Bode (masse manquante) Ajouter 4 et diviser par 10

29 Astéroïdes Examen des distances entre planètes montre une progression géométrique 1772, Von Tietz dit Titus trouve : –a = x 2 n-1 Bode ( ) de l observatoire de Berlin trouve une loi empirique très pratique qui a permis de trouver les « masses manquantes »

30 Formation des astéroïdes Hypothèse 1 : ce sont les restes dune 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 déléments volatils Leur position : La majorité entre Mars et Jupiter, certaines sont sur les orbites des planètes, dautres se trouvent dans la ceinture de Kuiper (au-delà de Pluton). Leur nombre : plus de identifiées

31 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

32 Météorites Météorites = Pierres tombées du ciel (10 3 t/an) –Taille variable, le plus gros = Cérès découvert en 1801 par Piazzi a plus de 200Km diamètre –v = 11 à 70km/s (i-e km/h à Km/h) Météorites (âge : 4, ans) –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.

33 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 dOort Nombre : 10 12

34 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)

35 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

36 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 ans (90-120ka) Influence sur écart saisonnier

37 Obliquité sur l écliptique variation de 22°02 à 24°03 Période = ans – 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

38 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 ans: Véga Périodicité : ans (à 26ka) Nutation : passage du Soleil et de la Lune tantôt au dessus, tantôt au-dessous du plan de léquateur terrestre. Faible indentation Périodicité 18,6ans

39 Cycle de Milankovitch Conjugaison des 3 paramètres entraîne des variations climatiques importantes –Période glaciaire –Interglaciaire Cycle solaire (taches) = 11ans (variations du champ magnétique solaire)

40 Variation de la durée du jour Fonction de plusieurs paramètres : –Leau (la marée, circulation océanique) –Latmosphère (et le vent) –La topographie (Chaîne de montagnes) –La structure interne du Globe

41 La Marée Soulèvement de 20-40cm pour les latitudes basses et moyennes Déplacement de masses deaux importantes Frottement sur le plancher océanique = dissipation dénergie 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

42 Circulation océanique Pendant El Nino (durée 2ans) : – inversion du sens du courant chaud océanique qui se propage dOuest en Est –Accélération de la rotation de la Planète = diminution de la durée du jour de 1milliseconde

43 Latmosphère 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.

44 Structure interne du Globe La rotation de la Terre est également influencée vers lintérieur par linterface « manteau-noyau » qui nest pas régulière (objet des chapitres ultérieurs). Sachons qu il y a 400Ma le jour ne comptait que 22heures


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