champ magnétique
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Compartiments inférieurs ? A, B et C Compartiments médians ? D, E et F Compartiments supérieurs ? G, H, I et J Compartiments inférieurs ? Noyau interne, noyau externe, manteau inférieur Compartiments médians ? D, E et F Compartiments supérieurs ? G, H, I et J Noyau interne Compartiments inférieurs ? Noyau interne, noyau externe, manteau inférieur Compartiments médians ? D, E et F Compartiments supérieurs ? G, H, I et J Noyau interne Compartiments inférieurs ? Noyau interne, noyau externe, manteau inférieur Compartiments médians ? Manteau supérieur, asthénosphère, lithosphère Compartiments supérieurs ? G, H, I et J Noyau interne Compartiments inférieurs ? Noyau interne, noyau externe, manteau inférieur Compartiments médians ? Manteau supérieur, asthénosphère, lithosphère Compartiments supérieurs ? G, H, I et J Noyau interne Compartiments inférieurs ? Noyau interne, noyau externe, manteau inférieur Compartiments médians ? Manteau supérieur, asthénosphère, lithosphère Compartiments supérieurs ? Croûte océanique, sédiments, croûte continentale, hydrosphère Noyau interne 1) Evolution de la température avec la profondeur Observation : Croûte terrestre : T augmente de 30 °C par km. Avec un tel gradient géothermique, quelle serait la température à l’interface entre le manteau supérieur et le manteau inférieur (à 660 km de profondeur) ? Température à l’interface : Ti Température en surface : Ts Profondeur de l’interface : zi 1) Evolution de la température avec la profondeur Observation : Croûte terrestre : T augmente de 30 °C par km. Avec un tel gradient géothermique, quelle serait la température à l’interface entre le manteau supérieur et le manteau inférieur (à 660 km de profondeur) ? Ti= Ts + Température à l’interface : Ti Température en surface : Ts Profondeur de l’interface : zi 𝑑𝑇 𝑑𝑧 ×zi Avec Ts = 15°C 1) Evolution de la température avec la profondeur Observation : Croûte terrestre : T augmente de 30 °C par km. Avec un tel gradient géothermique, quelle serait la température à l’interface entre le manteau supérieur et le manteau inférieur (à 660 km de profondeur) ? Ti= Ts + Ti = 15+30*660 = 19815 ×zi °C Est-ce plausible ? Que se passerait-il si on portait de la péridotite à une telle température ? 𝑑𝑇 𝑑𝑧 15000°C en prof 5000°C en surface 1) Evolution de la température avec la profondeur Ti = 15+30*660 = 19815 °C Est-ce plausible ? Que se passerait-il si on portait de la péridotite à une telle température ? Impossible : La péridotite fondrait et le manteau serait liquide, ce qui n’est pas le cas. 2) Comparaison entre conduction et convection 2) Comparaison entre conduction et convection 2) Comparaison entre conduction et convection 2) Comparaison entre conduction et convection 2) Comparaison entre conduction et convection Tracer le profil de température pour chaque boîte Comment évolue la température dans le premier cas ? Dans le deuxième ? Que dire par rapport à la question 1 ? 2) Comparaison entre conduction et convection Augmentation linéaire de la température Deux « couches-limite » Tracer le profil de température pour chaque boîte Comment évolue la température dans le premier cas ? Dans le deuxième ? Que dire par rapport à la question 1 ? 2) Comparaison entre conduction et convection Que dire par rapport à la question 1 ? A l’intérieur de la Terre, la température n’augmente pas régulièrement Schéma de Pierre Thomas Le mode convectif correspond au manteau terrestre 2) Comparaison entre conduction et convection : dans les enveloppes terrestres Mode de transport principal ? Atmosphère Hydrosphère Croûte Lithosphère Asthénosphère Manteau inférieur Noyau externe Noyau interne 2) Comparaison entre conduction et convection : dans les enveloppes terrestres Mode de transport principal ? Atmosphère Hydrosphère CONVECTION Croûte Lithosphère CONDUCTION Asthénosphère Manteau inférieur Noyau externe Noyau interne CONVECTION CONVECTION CONDUCTION 2) Comparaison entre conduction et convection : dans les enveloppes terrestres Augmentation linéaire de la température Deux « couches-limite » Question : Dans la boîte en convection (à droite), localisez le courant froid et le courant chaud. Quelle zone correspond à un panache de point chaud ? à une zone de subduction ? 2) Comparaison entre conduction et convection : dans les enveloppes terrestres Augmentation linéaire de la température Deux « couches-limite » Question : Dans la boîte en convection (à droite), localisez le courant froid et le courant chaud. Quelle zone correspond à un panache de point chaud ? à une zone de subduction ? 2) Comparaison entre conduction et convection : dans les enveloppes terrestres Identifiez les zones qui pourraient correspondre dans le manteau de la Terre ou d’autres planètes à un panache de point chaud et à une zone de subduction 2) Comparaison entre conduction et convection : dans les enveloppes terrestres 2) Comparaison entre conduction et convection : dans les enveloppes terrestres 2) Comparaison entre conduction et convection : dans les enveloppes terrestres Subduction Point chaud 3) Pourquoi les plaques lithosphériques passent-elles nécessairement en subduction au-delà d’un certain âge ? 3) Pourquoi les plaques lithosphériques passent-elles nécessairement en subduction au-delà d’un certain âge ? Réponse : Le refroidissement de la croûte océanique entraine une augmentation de sa densité. Celle-ci finit par être supérieure à celle de l’Asthénosphère. Selon le principe d’Archimède, le corps le plus dense se trouve en dessous. La croûte océanique plus dense que l’Asthénosphère va « couler » par subduction. 3) Pourquoi les plaques lithosphériques passent-elles nécessairement en subduction au-delà d’un certain âge ? Réponse : Le refroidissement de la croûte océanique entraine une augmentation de sa densité. Celle-ci finit par être supérieure à celle de l’Asthénosphère. Selon le principe d’Archimède, le corps le plus dense se trouve en dessous. La croûte océanique plus dense que l’Asthénosphère va « couler » par subduction. 3) Pourquoi les plaques lithosphériques passent-elles nécessairement en subduction au-delà d’un certain âge ? Rappel : poussée d’Archimède Tout corps plongé dans un fluide subit une force verticale égale au poids de fluide déplacé. Ainsi, si le corps est plus dense, il coule, sinon il flotte. 4) Quelles sont les forces exercées sur la plaque plongeante ? 4) Quelles sont les forces exercées sur la plaque plongeante ? 𝑨 𝒇 𝑷 Le poids 𝑃: vertical, orienté vers le bas. La poussée d’Archimède 𝐴 : verticale, orientée vers le haut. Les frottements 𝑓: force verticale, opposée au mouvement. 4) Quelles sont les forces exercées sur la plaque plongeante ? 𝑨 𝒇 𝑷 Ordres de grandeur de h, e, l (longueur frontière plaque) ? 4) Quelles sont les forces exercées sur la plaque plongeante ? 𝑨 𝒇 𝑷 h = 660 km ou 2900 km si l’on fait l’hypothèse que les plaques s’arrêtent à la limite manteau sup-inf ou bien qu’elles atteignent le noyau. Les 2 existent probablement. e = 100 km l = 55 000 km ou 60 000 km, environ la même longueur que les dorsales océaniques, un peu moins en réalité. 4) Calculer P et A 𝑨 𝒇 𝑷 Le poids 𝑃: vertical, orienté vers le bas. La poussée d’Archimède 𝐴: verticale, orientée vers le haut. Les frottements 𝑓: force verticale, opposée au mouvement. 4) Calculer P et A Pour le poids : Pour la poussée d’Archimède: P = mplaque * g A = mmanteau déplacé * g P = ρPO * VPO * g A = ρMA * VPO * g P = ρPO * h*e*l* g A = ρMA * h*e*l* g Application numérique : Application numérique : P =5,16. 1023 N A = 5,07. 1023 N Attention aux unités ! 4) Unité de 𝝁 ? A partir de la formule fournie pour les frottements, retrouvez l’unité de 𝜇. 𝒇 = 𝟐𝝁 ∙ 𝒗 ∙ 𝑳 N m/s m 4) Unité de 𝝁 ? A partir de la formule fournie pour les frottements, retrouvez l’unité de 𝜇. 𝒇 = 𝟐𝝁 ∙ 𝒗 ∙ 𝑳 N m/s m Donc la viscosité µ s’exprime en N/m2 ∙s. Ou encore : µ s’exprime en Pa∙s. 4) En faisant l’hypothèse qu’il y a équilibre des forces, calculez la valeur de la viscosité 𝝁 (en repartant de l’expression littérale). 𝑷=𝒎∙𝒈 𝑷 = 𝝆𝒍𝒊 ∙ 𝑽𝒍𝒊 ∙ 𝒈 𝑨 𝒇 𝑨 = −𝝆𝒂𝒔 ∙ 𝑽𝒍𝒊 ∙ 𝒈 𝑷 𝒇 = −𝟐𝝁 ∙ 𝒗 ∙ 𝑳 4) En faisant l’hypothèse qu’il y a équilibre des forces, calculez la valeur de la viscosité 𝝁 (en repartant de l’expression littérale). Calcul de μ : P-A-F=0 Donc ρPO * h*e*l * g – ρMA * h*e*l * g – 2* μ* Vplaque *l = 0 donc (ρPO– ρMA )* h*e*g = 2* μ* Vplaque donc μ = (g*h*e( ρPO – ρMA))/(2* Vplaque) 4) En faisant l’hypothèse qu’il y a équilibre des forces, calculez la valeur de la viscosité 𝝁 (en repartant de l’expression littérale). 𝝆𝒍𝒊 − 𝝆𝒂𝒔 ∙ 𝒉 ∙ 𝒆 ∙ 𝒈 𝜇= 𝟐𝒗 𝜇= 60 ×2900∙103 ×100∙103 ×9,81 2 ×5 ∙10−2 𝜇 = 1,70 ∙ 1015 Pa ∙an!! 1an= 365,25 x 24 x 3600 s = 31 557 600 s 𝜇 = 5,39 ∙ 1022 Pa ∙s 1) Quelles seraient les conséquences biologiques d’une Terre sans champ magnétique ? Premier problème : Le champ magnétique empêche le vent solaire (particules chargées) d’atteindre la surface de la planète. Protons, électrons et noyaux d’Hélium. 1) Quelles seraient les conséquences biologiques d’une Terre sans champ magnétique ? Premier problème : Le champ magnétique empêche le vent solaire (particules chargées) d’atteindre la surface de la planète. Protons, électrons et noyaux d’Hélium. 1) Quelles seraient les conséquences biologiques d’une Terre sans champ magnétique ? Second problème : Les animaux qui utilisent le champ magnétique pour s’orienter ne pourraient plus retrouver leur route (oiseaux…) 1) Quelles seraient les conséquences biologiques d’une Terre sans champ magnétique ? Aurore boréale en forme de Phoenix dans le ciel de Kaldársel, en Islande Rappel : les aurores boréales sont des manifestations de cette activité solaire… 2) Est-ce qu’un aimant peut être à l’origine du champ magnétique terrestre, sachant que les aimants perdent leurs propriétés magnétiques à une température maximale qu’on appelle la température de Curie et qui est toujours inférieure à 1000°C ? 2) Est-ce qu’un aimant peut être à l’origine du champ magnétique terrestre, sachant que les aimants perdent leurs propriétés magnétiques à une température maximale qu’on appelle la température de Curie et qui est toujours inférieure à 1000°C ? La température dans le noyau varie de 3000 à 5000K. Donc tout aimant y perdrait ses propriétés magnétiques. Donc ce n’est pas un aimant « géant » qui produit le champ magnétique terrestre. 2) Est-ce qu’un aimant peut être à l’origine du champ magnétique terrestre, sachant que les aimants perdent leurs propriétés magnétiques à une température maximale qu’on appelle la température de Curie et qui est toujours inférieure à 1000°C ? I Complément: fabrication d’un aimant I 𝑩 = 𝑩𝒐 + 𝝁𝒐𝑴 𝑩𝒐 1) La circulation d’un courant (I) génère un champ magnétique (Bo). 2) Un matériau plongé dans un champ magnétique acquiert une AIMANTATION (M) et celle-ci s’ajoute au champ initial pour donner le champ total (B). 3) Les minéraux ferro-magnétiques conservent cette aimantation même si le champ initial disparaît (si on coupe le générateur). SAUF si on soumet ce minéral à une forte température / à un fort champ magnétique. 3) Qu’est-ce qu’une dynamo? 3) Qu’est-ce qu’une dynamo? But : La dynamo transforme de l’énergie mécanique en énergie électrique. Mécanisme : le mouvement fait tourner un aimant, et le champ magnétique local change, ce qui génère un courant électrique dans la bobine. 3) Qu’est-ce qu’une dynamo? N S Bobine AIMANT • Si on approche un aimant d’une bobine, des électrons se mettent en mouvement. • Si on le recule, le mouvement change de sens. • Plus on le déplace vite, plus l’intensité est forte. Variation du champ magnétique + Matériau conducteur Courant électrique 3) Qu’est-ce qu’une dynamo? N S Bobine AIMANT • Si on approche un aimant d’une bobine, des électrons se mettent en mouvement. • Si on le recule, le mouvement change de sens. • Plus on le déplace vite, plus l’intensité est forte. Variation du champ magnétique + Matériau conducteur Courant électrique Si on déplace la bobine plutôt que l’aimant, le résultat est le même !!! Champ magnétique constant + Mouvement d’un matériau conducteur Courant électrique 4) Quel est l’état de la matière dans le noyau terrestre ? Quelle partie du noyau terrestre peut être responsable du champ magnétique terrestre ? 4) Quel est l’état de la matière dans le noyau terrestre ? Quelle partie du noyau terrestre peut être responsable du champ magnétique terrestre ? Noyau externe liquide Noyau interne solide. Il est plus probable que le noyau externe soit responsable du champ magnétique terrestre. En effet la convection permet de mettre en mouvement le fer liquide. 4) Dynamo terrestre Champ magnétique induit + Champ magnétique constant + Mouvement d’un matériau conducteur Courant électrique La dynamo terrestre: Si on suppose qu’il existe un champ magnétique initial : On a un matériau conducteur, le fer, qui est mis en mouvement par la convection dans le noyau externe. Ceci génère un courant électrique. Tout courant électrique génère un champ magnétique : celui-ci va s’additionner au champ précédent et le renforcer. Comme la convection continue, on a en permanence génération de courant électrique, et en permanence le champ magnétique total se renforce. 4) Dynamo terrestre Champ magnétique induit + Champ magnétique constant + Mouvement d’un matériau conducteur Courant électrique La dynamo terrestre: Grâce à ce modèle on montre que: Le champ magnétique de la Terre est auto-entretenu : s’il existe, alors forcément il se maintient et se renforce. Comment est-il apparu ? Le champ initial est peut-être le champ magnétique solaire ou peut-être issu du chaos et du hasard (un petit champ qui a pris le pas sur les autres). Sa puissance devrait sans cesse augmenter !! Il existe une résistance qui limite le mouvement des électrons. Essayons d’estimer la vitesse de convection dans le noyau terrestre externe. On peut pour cela utiliser le déplacement historique du pôle magnétique par rapport au pôle géographique. Entre 1576 et 1823, le pôle magnétique a dérivé de 35° dans une direction puis de 36° dans l’autre direction. 5) Dessinez le mouvement correspondant sur une coupe de la Terre, en y reportant la limite noyau-manteau. Essayons d’estimer la vitesse de convection dans le noyau terrestre externe. On peut pour cela utiliser le déplacement historique du pôle magnétique par rapport au pôle géographique. Entre 1576 et 1823, le pôle magnétique a dérivé de 35° dans une direction puis de 36° dans l’autre direction. 5) Dessinez le mouvement correspondant sur une coupe de la Terre, en y reportant la limite noyau-manteau. Essayons d’estimer la vitesse de convection dans le noyau terrestre externe. On peut pour cela utiliser le déplacement historique du pôle magnétique par rapport au pôle géographique. Entre 1576 et 1823, le pôle magnétique a dérivé de 35° dans une direction puis de 36° dans l’autre direction. 5) Dessinez le mouvement correspondant sur une coupe de la Terre, en y reportant la limite noyau-manteau. 6) Calculez la vitesse de déplacement du pôle magnétique à la limite noyau-manteau. (d’abord en vitesse angulaire, puis en vitesse linéaire). Essayons d’estimer la vitesse de convection dans le noyau terrestre externe. On peut pour cela utiliser le déplacement historique du pôle magnétique par rapport au pôle géographique. Entre 1576 et 1823, le pôle magnétique a dérivé de 35° dans une direction puis de 36° dans l’autre direction. 5) Dessinez le mouvement correspondant sur une coupe de la Terre, en y reportant la limite noyau-manteau. 6) Calculez la vitesse de déplacement du pôle magnétique à la limite noyau-manteau. (d’abord en vitesse angulaire, puis en vitesse linéaire). Vitesse angulaire : 𝜔 = 𝜃1+𝜃2 𝑡2−𝑡1 Conversion en radians : 𝜔 = 35+36 = 1823−1576 = 0,29°/an 0,29× 𝜋 180 = 5,02 x 10-3 rad/an 6) Calcule la vitesse de déplacement du pôle magnétique à la limite noyau-manteau. (d’abord en vitesse angulaire, puis en vitesse linéaire). Vitesse angulaire : 𝜔 = 𝜃1+𝜃2 𝑡2−𝑡1 Conversion en radians : 𝜔 = 35+36 = 1823−1576 = 0,29°/an 0,29× 𝜋 180 = 5,02 x 10-3 rad/an Vitesse linéaire : V = 𝜔 ∙ 𝑅= 5,02 x 10-3 x (6371-2900) = 17,4 km/an. 7) Comparez aux autres vitesses de convection que vous connaissez 7) Comparez aux autres vitesses de convection que vous connaissez Vitesse linéaire convection : v = 17,4 km/an. Vmanteau = 1-15 cm/an 5 ordres de grandeur plus rapide que dans le manteau Ici c’est perceptible à l’échelle humaine, donc assez rapide à l’échelle des temps géologiques ! Les courants marins profonds ont des vitesses du même ordre de grandeur : 30 km/an
