Conférence de Thomas Pesquet
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Fiche n° 7 : Y a-t-il de l’eau ailleurs que sur la Terre ? Niveau : Thème travaillé en physique-chimie : Cycle 4 Organisation et transformations de la matière Résumé de l’activité Dans le cadre de la conférence de Thomas Pesquet en liaison directe depuis la Station spatiale internationale (ISS), on peut s’interroger sur la présence d’eau dans l’Univers, ailleurs que sur la Terre. Pour cela, plusieurs documents seront étudiés par les élèves lors de présentations à l’oral devant l’ensemble à la classe puis lors de la résolution d’une tâche complexe. Objectifs d’apprentissage Les élèves vont s’intéresser à la présence d’eau dans l’Univers en amont et en aval de la conférence de Thomas Pesquet. Ils s’interrogeront d’abord sur la présence dans l’Univers de l’eau sous ses différents états (solide, liquide et gazeux) avant de chercher à comprendre comment l’eau s’écoule à la surface de Mars. Cela leur permettra de relier des connaissances et des compétences associées à deux sous-thèmes du programme de chimie : les états de la matière et l’organisation de la matière dans l’Univers. Connaissances et compétences associées au programme de physique-chimie Thème : Organisation et transformations de la matière Décrire la constitution et les états de la matière — Caractériser les différents états de la matière (solide, liquide et gaz). — Caractériser les différents changements d’état d’un corps pur. Décrire l’organisation de la matière dans l’Univers — Comprendre que la matière observable est partout de même nature et obéit aux mêmes lois. >> La matière constituant la Terre et les étoiles. >> Les éléments sur Terre et dans l’Univers. Compétences travaillées (d’après le volet 2 du programme de physique-chimie) Compétences Pratiquer des démarches scientifiques Domaine du socle : 4 S’approprier des outils et des méthodes Domaine du socle : 2 Pratiquer des langages Domaine du socle : 1 Principales capacités visées Interpréter des résultats expérimentaux, en tirer des conclusions et les communiquer en argumentant. Effectuer des recherches bibliographiques. Lire et comprendre des documents scientifiques. Utiliser la langue française en cultivant précision, richesse de vocabulaire et syntaxe pour rendre compte des observations, expériences, hypothèses et conclusions. S’exprimer à l’oral lors d’un débat scientifique. Déroulement de l’activité © Éditions Nathan, 2017 — 25 avenue Pierre de Coubertin 75013 Paris. Dans un entretien donné en 2016, Thomas Pesquet a dit qu’il rêvait d'être le commandant de la première mission humaine qui se rendra sur Mars. Trouvera-t-il de l’eau sur cette planète ? Si oui, sous quel(s) état(s) ? De façon plus générale, si l’eau est présente en très grande quantité sur Terre, est-ce aussi le cas dans le reste de l’Univers ? Pour répondre à ces questions, l’activité s’effectue en deux étapes : • avant la conférence de Thomas Pesquet, les élèves travaillent par groupes sur quatre sujets différents qu’ils présenteront ensuite à l’oral au reste de la classe : — les différents états de l’eau ; — la présence d’eau dans l’Univers hors du système solaire ; — la présence d’eau dans le système solaire : l’exemple des comètes ; — la présence d’eau dans le système solaire : l’exemple de la planète Mars. Pour préparer ces présentations à l’oral, chaque groupe d’élèves doit lire un ou deux documents et chercher éventuellement sur Internet des informations supplémentaires sur le sujet étudié. Après les présentations à l’oral devant la classe, les élèves peuvent réfléchir aux questions à poser à Thomas Pesquet lors de la conférence sur le thème de l’eau dans l’Univers. Remarque : les niveaux de difficulté des quatre sujets sont différents : le premier sujet sur les différents états de l’eau est le plus simple, tandis que les deuxième et quatrième sujets sont les plus difficiles. Il est possible de mettre en place une différenciation pédagogique en faisant par exemple des groupes homogènes d’élèves et en proposant le premier sujet aux élèves les plus en difficulté et le deuxième sujet ou le quatrième sujet aux élèves les plus aguerris. • après la conférence de Thomas Pesquet, les élèves effectueront une tâche complexe pour expliquer comment l’eau s’écoule à la surface de Mars. La résolution de cette tâche complexe peut se faire par groupes. Dans ce cas, il peut être intéressant de mettre en place cette fois-ci des groupes d’élèves hétérogènes afin que les élèves les plus en difficulté puissent être aidés par les autres élèves. Matériel — Ordinateurs avec accès Internet. — Vidéo sur la présence de l’eau liquide sur Mars, à visionner directement sur Internet. © Éditions Nathan, 2017 — 25 avenue Pierre de Coubertin 75013 Paris. AVANT LA CONFÉRENCE Situation déclenchante Dans un entretien donné en 2016, Thomas Pesquet a dit qu’il rêvait d'être le commandant de la première mission humaine qui se rendra sur Mars. Trouvera-t-il de l’eau sur cette planète ? Si oui, sous quel(s) état(s) ? De façon plus générale, si l’eau est présente en très grande quantité sur Terre, est-ce aussi le cas dans le reste de l’Univers ? L’eau dans l’Univers Doc 1 : Une goutte d’eau Comment changer l’état de l’eau ? Lorsque la glace est légèrement chauffée, elle commence à fondre et devient liquide. Si on continue à chauffer l’eau liquide, elle se transformera en vapeur d’eau à la température de 100° Celsius à la surface de la Terre. D’après : http://www.esa.int/Our_Activities/Human_Spaceflight/Lessons_online/Une_goutte_d_eau © Éditions Nathan, 2017 — 25 avenue Pierre de Coubertin 75013 Paris. Schéma © Laurent Blondel — Corédoc L'eau liquide, sans laquelle la vie ne pourrait exister, est la substance la plus commune sur la surface de la Terre. Le corps humain est constitué d'environ 70% d'eau. L'eau peut exister sous 3 états : solide (la glace), liquide (appelé communément l’eau), gazeux (la vapeur d’eau). L’état de l’eau peut être changé en chauffant ou en refroidissant l’eau par exemple. Doc 2 : Où y a-t-il de l’eau dans l’Univers ? Or, l’espace interstellaire est justement, le plus souvent, chaud, vide et traversé par un rayonnement ultraviolet. C’est pourquoi il y a très peu d’eau dans l’Univers. La quantité d’eau effectivement présente est très difficile à estimer. On l’évalue à environ un millionième de la masse totale de l’Univers visible. Sous forme de vapeur ou de glace, on trouve l’eau principalement dans l’atmosphère des étoiles froides, dans les disques de gaz et de poussière qui entourent les étoiles jeunes, dans les enveloppes d’étoiles en fin de vie, dans certains nuages de gaz de l’espace interstellaire, et bien sûr dans le système solaire. Par ailleurs, l’eau ne peut subsister à l’état liquide que dans certaines conditions très particulières, des conditions que l’on ne peut rencontrer que sur des planètes et leurs satellites : pour l’instant, la seule région de l’Univers où les scientifiques ont pu détecter de l’eau liquide est le système solaire. D’après : http://www.cnrs.fr/cw/dossiers/doseau/decouv/univers/eauCosmos2.html Doc 3 : Cycle de l’eau sur une comète Dans le système solaire, les comètes sont composées de glaces et de poussières, qui perdent régulièrement une partie de leurs composants lorsqu’elles passent près du Soleil. Quand la lumière du Soleil chauffe le noyau gelé d'une comète, la glace dans le sol de la comète sublime, c’est-à-dire qu’elle passe directement de l’état solide à l’état gazeux. Le gaz qui en résulte s'échappe de la comète, emportant avec lui des poussières solides : c’est ce mélange de gaz et de poussière qui rend observables de nombreuses comètes depuis la Terre. De plus, à partir des données fournies par la sonde Rosetta sur la comète Tchouri, des chercheurs ont apporté en 2015 la première preuve observationnelle de l’existence d’un cycle quotidien de la glace à la surface de la comète. En effet, lors de la rotation de la comète, qui effectue un tour complet en un peu plus de 12 heures, les différentes régions subissent des conditions d'éclairage variées. Quand une région de la comète se trouve dans l’ombre, la surface refroidit très rapidement : on observe alors des signes révélateurs de glace sur cette région de la comète. En revanche, quand le Soleil brille sur cette région, il n’y a plus de glace car la glace sublime dans les premiers centimètres du sol, se transformant en gaz qui s'échappe de la comète. D’après : http://www.esa.int/fre/ESA_in_your_country/France/Rosetta_observe_le_cycle_de_la_glace_d_eau_sur_la_comete © Éditions Nathan, 2017 — 25 avenue Pierre de Coubertin 75013 Paris. Schéma © Laurent Blondel — Corédoc Pour fabriquer de l’eau H2O, il faut de l’hydrogène H et de l’oxygène O. L’hydrogène ne manque pas dans l’Univers puisqu’il représente à lui seul plus de 70 % de toute la masse visible de l’Univers. En revanche, l’oxygène est plus rare : il ne représente qu’environ 1 % de cette masse. Mais surtout, des conditions précises doivent être réunies pour que des molécules d’eau puissent se former à partir de ces deux constituants et perdurer dans l’espace interstellaire. Le milieu doit être : — « froid » car la molécule d’eau ne supporte pas des températures supérieures à quelques milliers de degrés Celsius, mais pas trop car sinon les réactions de formation de cette molécule deviennent très lentes ; — exempt de rayonnement ultraviolet, car ce rayonnement dissocie les petites molécules. Doc. 4 : De l'eau sur Mars De toutes les planètes, Mars est celle qui ressemble le plus à la Terre. Un visiteur trouverait qu'une journée sur Mars est à peine plus longue qu'une journée sur Terre. Mars a également une inclinaison semblable à celle de la Terre, elle a donc aussi des saisons. Mars et la Terre ont toutes les deux des calottes polaires blanches. Celles de Mars sont plus petites et moins épaisses, elles se développent donc plus vite en hiver et disparaissent pratiquement en été. Elles sont bien plus froides que les calottes polaires de la Terre, elles contiennent du dioxyde de carbone gelé ainsi que de l'eau glacée. Mars est en pleine ère glaciaire à l'heure actuelle mais plusieurs éléments laissent à penser qu’elle a été plus chaude et plus humide dans le passé. Des canaux sinueux qui ressemblent à des lits de rivière desséchés ont été observés sur les images prises par les sondes spatiales. Elles indiquent que d'énormes volumes d'eau se sont autrefois écoulés à la surface – alimentés peutêtre par la fonte des glaces. Il peut également y avoir eu de la pluie et de la neige. Nombre de ces canaux semblent avoir jadis rempli de gros cratères ou s’être déversés dans les plaines septentrionales. Certains scientifiques évoquent la présence d’un grand océan qui couvrait la moitié nord de Mars. Où cette eau est-elle passée? Certains pensent qu'elle s'est échappée dans l'espace. Le reste est certainement gelé dans le sol. D’après : https://www.esa.int/esaKIDSfr/SEMW3WWJD1E_OurUniverse_0.html Doc 5 : De l’eau liquide coule aujourd’hui sur Mars De l'eau à l'état liquide coule à la surface de Mars : c'est ce qu’a annoncé la Nasa en 2015 en présentant une étude menée depuis plusieurs années. Ces écoulements, suspectés depuis longtemps, ne correspondent en rien au cycle de l'eau terrestre. Ils seraient créés par l'absorption de l'humidité de l'atmosphère par des sels minéraux. De récentes découvertes ont démontré que Mars a été habitable dans un passé lointain. Combien de temps a duré cet épisode ? On l'ignore. Et à quand remonte-t-il ? Des milliards d'années sûrement mais combien ? Des réponses à ces questions dépend la possibilité qu'une forme de vie ait pu émerger, voire perdurer si ces conditions favorables à la vie sont toujours présentes aujourd'hui sur Mars. Cette possibilité peut sembler saugrenue tant la planète Mars apparaît aujourd'hui peu propice à l'apparition de la vie. Mais elle prend tout son sens avec l'annonce de la Nasa qui confirme que de l'eau à l'état liquide s'écoule sur les flancs d'un cratère. Certes, ce n'est pas de l'eau de source et elle ne reste liquide que très peu de temps. Son destin est soit de geler soit de s'évaporer. Mais ces phénomènes représentent un indice fort laissant à supposer qu'un environnement habitable aujourd'hui n'est pas à exclure. D’après : http://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/nasa-eau-liquide-coule-mars-59927/ © Éditions Nathan, 2017 — 25 avenue Pierre de Coubertin 75013 Paris. 1) Avec les autres élèves de votre groupe, préparer une présentation à l’oral de quelques minutes devant le reste de la classe sur un des sujets ci-dessous : a. Les différents états de l’eau. Pour préparer cette présentation à l’oral, lire le document 1 et chercher éventuellement sur Internet ou au CDI des informations supplémentaires sur ce sujet. b. La présence d’eau dans l’Univers hors du système solaire. Pour préparer cette présentation à l’oral, lire le document 2 et chercher éventuellement sur Internet ou au CDI des informations supplémentaires sur ce sujet. c. La présence d’eau dans le système solaire : l’exemple des comètes. Pour préparer cette présentation à l’oral, lire le document 3 et chercher éventuellement sur Internet ou au CDI des informations supplémentaires sur ce sujet. d. La présence d’eau dans le système solaire : l’exemple de la planète Mars. Pour préparer cette présentation à l’oral, lire les documents 4 et 5 et chercher éventuellement sur Internet ou au CDI des informations supplémentaires sur ce sujet. 2) Présenter à l’oral au reste de la classe le sujet sur lequel vous avez travaillé précédemment. 3) Poser des questions aux autres groupes lorsqu’ils présentent leurs sujets dès qu’une notion n’est pas comprise. Conclusion D’après un article paru dans le magazine Télérama publié en août 2016*, Thomas Pesquet rêve d'être le commandant de la première mission humaine qui se rendra sur Mars : « J'aurai la cinquantaine. Alors pourquoi pas ? » (* : http://www.telerama.fr/monde/l-astronaute-francais-thomas-pesquet-un-heros-presque-comme-tout-le-monde,146779.php). 4) Thomas Pesquet trouvera-t-il de l’eau sur Mars s’il arrive à être le commandant de la première mission humaine se rendant sur cette planète ? Si oui, dans quel(s) état(s) se trouvera l’eau ? 5) Réfléchir à des questions à poser à Thomas Pesquet lors de sa conférence sur la présence de l’eau dans l’Univers. © Éditions Nathan, 2017 — 25 avenue Pierre de Coubertin 75013 Paris. APRÈS LA CONFÉRENCE 1) Avez-vous pu poser vos questions à Thomas Pesquet ? Des questions proches des vôtres ont-elles été posées ? 2) Cette conférence a-t-elle répondu aux questions que vous vous posiez sur la présence d’eau dans l’Univers ? 3) Que retenez-vous principalement de cette conférence interactive ? 4) Avez-vous apprécié cette conférence ? Pourquoi ? 5) Pour aller plus loin et pour comprendre comment l’eau peut s’écouler à la surface de Mars, effectuer la tâche complexe ci-après. © Éditions Nathan, 2017 — 25 avenue Pierre de Coubertin 75013 Paris. L’eau liquide sur Mars Doc 1 : De l’eau liquide coule sur Mars De l'eau à l'état liquide coule à la surface de Mars. Cette possibilité peut sembler saugrenue tant la planète Mars apparaît aujourd'hui peu propice à l'apparition de la vie. Mais elle prend tout son sens avec l'annonce de la Nasa en 2015 qui a confirmé que de l'eau à l'état liquide s'écoule sur les flancs d'un cratère. Certes, ce n'est pas de l'eau de source : elle est saturée en sel et, dans cette atmosphère froide (bien au-dessous de 0 °C) et à très basse pression (quelques millièmes de la pression terrestre au sol), elle ne reste liquide que très peu de temps. Son destin est soit de geler soit de s'évaporer. D’après : http://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/nasa-eau-liquide-coule-mars-59927/ Doc 2 : Changements d’état et pression atmosphérique Changements d’état L’eau peut changer d’état si on la chauffe ou si on la refroidit. Par exemple, à la surface de la Terre, la glace devient de l’eau liquide à 0 °C et l’eau liquide devient de la vapeur d’eau à 100 °C. Les valeurs des températures de changement d’état dépendent également de la pression atmosphérique. Schéma © Laurent Blondel — Corédoc Pression atmosphérique Les molécules des gaz de l’atmosphère sont très espacées les unes des autres et il n’y a pas de matière entre elles. Elles ont un mouvement incessant et désordonné et elles se déplacent en ligne droite à grande vitesse tant qu’elles ne rencontrent pas d’obstacle. Elles changent de direction uniquement après un choc avec la paroi d’un récipient ou après une collision avec une autre molécule. La pression atmosphérique rend compte des chocs des molécules des gaz de l’atmosphère sur la paroi d’un récipient ou sur l’eau par exemple. Ainsi la pression atmosphérique sur Terre est beaucoup plus importante que la pression atmosphérique sur Mars car la densité atmosphérique terrestre est beaucoup plus grande que la densité atmosphérique martienne. © Éditions Nathan, 2017 — 25 avenue Pierre de Coubertin 75013 Paris. Doc. 3 : De l'eau bouillante coule sur Mars On le sait désormais, de l'eau à l'état liquide ruisselle périodiquement à la surface de la planète Mars. C'est cette eau qui est responsable de l'apparition saisonnière des étranges stries noires qui se forment sur certaines pentes de cratères martiens. Fort de cette découverte, la tentation est donc grande de comparer les formations géologiques terrestres façonnées par les cours d'eau, à celles du relief martien. Mais est-ce qu'un liquide coule de la même manière sur Terre et sur la planète rouge ? Pour répondre à cette question, les scientifiques ont recréé à l'aide d'un caisson de dépressurisation de plongée sousmarine les conditions de température et de pression qui règnent à la surface de Mars. En effet, l'atmosphère de la planète rouge ayant été peu à peu soufflée par les éruptions solaires, elle a fini par se réduire à une mince couche dont la pression n'est plus que de 6 à 9 millibars (contre 1013 millibars sur Terre). Puis, les scientifiques ont placé un glaçon de 70 grammes au sommet d'un plan incliné recouvert de sable, et l'ont laissé fondre afin d'observer comment l'eau allait s'y infiltrer. Sans surprise, dans des conditions de pression comparable à la Terre, l'eau vient imprégner le sable et y dessiner de larges auréoles humides sans pour autant modifier cette surface. En revanche, à faible pression, le scénario est très différent. Comme on peut le constater dans la vidéo à visionner à l’adresse ci-dessous, l'eau fait jaillir les grains de sable comme du pop-corn au fur et à mesure de sa progression. https://www.sciencesetavenir.fr/espace/planetes/video-de-l-eau-bouillante-coule-sur-mars_101687 Pourquoi ce phénomène ? Parce qu'à cette pression très faible, l'eau se met à bouillir à une température beaucoup plus basse. Aussi contre-intuitif que cela puisse paraître, à une pression de 6 millibars, l'eau se met bouillir à 0°C. Or, durant l'été martien, la température peut grimper à 20°C. De ce fait, l'eau qui affleure à la surface de Mars peut alors se mettre à bouillir à gros bouillons. Il ne faut pas non plus sous-estimer l'effet de la salinité de l’eau martienne sur la morphologie du relief de la planète rouge. Bien plus visqueuse que l’eau pure, l’eau liquide saturée en sel agit à la manière d'une coulée de boue et entraîne avec elle le sable à travers de véritables ravines. D’après : https://www.sciencesetavenir.fr/espace/planetes/video-de-l-eau-bouillante-coule-sur-mars_101687 Tâche complexe à réaliser : En utilisant les trois documents ci-dessus et en mobilisant des connaissances, expliquer comment l’eau s’écoule à la surface de Mars. Comparer ensuite l’écoulement de cette eau sur les pentes martiennes avec l’écoulement de l’eau sur Terre. © Éditions Nathan, 2017 — 25 avenue Pierre de Coubertin 75013 Paris.
