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 Ptolémée: La Terre est fixe au centre du Monde. Le Soleil et la Lune tournent autour de la Terre. Les Planètes se déplacent suivant de petits cercles (=épicycles) dont les centres décrivent une orbite circulaire

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

9 planètes principales autour du Soleil 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(dq/dt) = h où (h = Cte des aires) ds = r2dq 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. 4P2a3/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 Confirmation du Big Bang 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

Nucléosynthèse Cycle proton-proton 1H + 1H F 2H + 0e+ + n 2H + 1H F 3He + g 3He + 3He F4He + 21H (lors de la phase principale du diagramme Hertzsprung - Russel)

Nucléosynthèse (suite) Cycle du carbone (CNO) 1H + 12C F 13N + g 13N F 13C + 0e+ + n (neutrino) 13C + 1H F 14N + g 14N + 1H F 15O + g 15O F 15N + 0e+ + n 15N + 1H F 12C + 4He + g 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 F Fe et Ni) F Géante rouge, F explosion en supernova F 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) Disque de gaz : par effondrement d’une nébuleuse de matière interstellaire entraînant la formation d’une protoétoile Disque de grains : après contraction du proto-Soleil , condensation des gaz en petits grains 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

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 D° Excentricité = f (D°) 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