10coursgéologie

Thème LA PLANETE TERRE ET SON ENVIRONNEMENT
Quelle place occupe la Terre dans le système solaire ?
Introduction : la place du système solaire dans l’univers.
- L’univers est constitué d’un ensemble de centaines de millions de galaxies.
- Une galaxie est un ensemble de quelques
centaines de milliards d’étoiles, qui se déplacent
dans le milieu interstellaire. Notre galaxie se
nomme la Voie Lactée.
Vue artistique de la Voie Lactée.
© http://www.science-et-vie.net/definition-voie-lactee-201.html
- Une étoile est un corps céleste constitué de gaz chauds et qui émet de la lumière. Le soleil est l’étoile la plus
proche de la Terre.
La deuxième étoile la plus proche de nous est Proxima du Centaure (270 000 UA) soit 4 années lumière
(al) !!!
- Le système solaire est un ensemble formé d’une étoile (le soleil) source d’énergie, et de différents objets de
tailles variables qui gravitent autour. Le soleil est situé au centre du système solaire. C’est une sphère de
1.400.000 km de diamètre, formée de gaz H et He à très haute température. Il contient à lui seul 99 % de la
matière du système solaire. Le système solaire est âgé de 4,6 Ga (= 4,6 giga années soit 4,6 milliards d’années).
1. La Terre est une planète du système solaire.
Autour du soleil gravitent différents objets comme les planètes, les satellites, les astéroïdes et les comètes.
Certains ont été vus dans le TP1 (planètes telluriques et gazeuses, corps de glace).
- Les planètes sont des corps célestes non lumineux par eux-mêmes, en mouvement autour d’une étoile.
Planète tellurique (ou interne)
Planète gazeuse (ou externe)
4 (Mercure, Vénus, la Terre et Mars)
4 (Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune)
Proches du soleil
Eloignées du soleil
Surface rocheuse silicatée (famille des principaux
Pas de surface solide. Formées de gaz (hydrogène et
minéraux terrestres), noyau en fer
hélium)
Forte masse volumique
Faible masse volumique (proche de 1 g.cm-3)
(3 à 5 g.cm-3)
Petites (diamètre inférieur à 12 800 km)
Grosses (diamètre variant entre 50 000 et 150 000 km)
Activité interne sur la Terre, peut-être Vénus
Pas d’activité interne (pas de sol)
Activité externe sur toutes sauf Mercure (pas
Activité externe sur toutes (ex. : tache rouge de
d’atmosphère)
Jupiter)
Eau liquide en surface uniquement sur Terre
Pas d’eau
Tableau comparatif des planètes telluriques et gazeuses.
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Lithosphère
Gaz (H
et He)
0 Km
1500 Km
0 Km
150 Km
Liquide
Manteau
H et He
2900 Km
Noyau
(fer et nickel)
57000 Km
Noyau
(roches ?
fer ?)
6400 Km
Coupe d’une planète tellurique (la Terre)
71400 Km
Coupe (très simplifiée) d’une planète gazeuse (Jupiter)
- La lithosphère est l’enveloppe la plus superficielle de la Terre. Elle correspond aux plaques tectoniques en
mouvement.
- Lithosphère et manteau sont constitués de roches silicatées.
- Le noyau terrestre est métallique : constitué d’un alliage de fer et de nickel.
- Pour Jupiter, on suppose l’existence d’un noyau rocheux (avec aussi du fer ?), le reste de la planète est
constitué d’hydrogène (H) et d’hélium (He). Avec la hausse de la pression, ces gaz passent à l’état liquide en se
dirigeant vers l’intérieur de la planète. La coupe est extrêmement simplifiée.
-
Les satellites sont des corps gravitant autour d’une planète. On en dénombre une centaine dans le
système solaire. Ils sont plus petits (200 à 2 600 km de diamètre). Ils sont :
- Telluriques (= rocheux) : Lune (satellite de Terre), Io (satellite de Jupiter).
- Ou de glace (= mélange glace et roches) : Titan (satellite de Saturne). Pluton, neuvième « planète », se
rapproche de cette catégorie (mais ce n’est pas un satellite).
NB : Il y a du volcanisme actif sur Io. Terre et Io sont donc les deux seuls corps du système solaire où on observe
un volcanisme actif.
-
Les petits objets (< à 200 km) comprennent les astéroïdes qui sont de petits corps rocheux (présence
d’une ceinture d’astéroïdes entre Mars et Jupiter) et les comètes constituées d’un noyau de glace et de
poussière.
Pour conclure. La Terre est la seule planète du système solaire pourvue d’eau sous les 3 états, d’une atmosphère
riche en O2 et qui possède des formes de vie.
En complément, vous pouvez voir les sites internet :
neufplanetes.org
http://www.planete-astronomie.com/__medias/Rotation/Rotation_Systeme_Solaire.swf
http://www.espace-sciences.org/animations/systeme-solaire.htm
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2. Le Soleil est une source d’énergie.
Toute planète du système solaire reçoit de l’énergie solaire : la Terre reçoit en moyenne une
constante de 1370 W.m-2 à la surface de son atmosphère (c’est la constante solaire). La quantité
d’énergie reçue par unité de surface diminue avec l’éloignement au soleil. Cette diminution est
proportionnelle à l’inverse du carré de la distance. Voir graphique du flux solaire reçu en fonction de la
distance.
Énergie reçue
(unité arbitraire)
Énergie reçue par les planètes en fonction de
leur distance au soleil
Mercure
Terre
Jupiter
Distance au soleil (UA)
Toutefois, l’énergie solaire reçue par la Terre est variable selon la latitude : il fait plus chaud à
l’équateur qu’aux pôles (TP2).
Cause : c’est la sphéricité de la Terre qui est à l’origine de cette inégale répartition.
Conséquence : existence de bandes climatiques réparties selon les latitudes.
Pôle Nord
Terre
S
O
L
E
I
L
Équateur
Pôle Sud
Répartition de l’énergie solaire suivant les
latitudes
Plus on s’approche de l’équateur plus l’angle d’incidence est élevé (proche de 90°) donc plus l’énergie
reçue est importante (la surface éclairée par le rayon est petite, donc l’énergie est plus « concentrée »).
C’est l’inverse vers les pôles.
Légendes communes aux deux schémas :
Surface éclairée
Rayon incident
Angle d’incidence
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L’énergie reçue dépend également de la période de l’année : il fait plus chaud en été qu’en hiver (TP2).
Cause : l’axe de rotation de la Terre est incliné de 23,5° par rapport à la verticale.
Conséquence : existence de saisons (été lorsque l’axe de rotation est incliné vers le soleil et
inversement).
Axe de rotation
PN
PN
France
France
S
O
L
E
I
L
Equateur
Equateur
PS
PS
Été (sostice)
Hiver (solstice)
Répartition de l’énergie solaire au cours de l’année
Pour le schéma, seule la France a été prise en exemple. Pour les légendes, voir au-dessus.
- En été dans l’hémisphère nord, l’angle d’incidence est élevé (le soleil est haut dans le ciel) et l’énergie
reçue est importante. Ceci est couplé avec des jours longs.
- En hiver dans l’hémisphère nord, l’angle d’incidence est petit (le soleil est bas dans le ciel) et
l’énergie reçue est faible. Ceci est couplé avec des jours courts.
Bien entendu, du fait de cette configuration, les saisons sont inversées entre l’hémisphère nord et
l’hémisphère sud.
Enfin, notez que ce n’est pas la distance au soleil qui provoque les saisons (idée souvent la plus
répandue : en effet, la Terre est plus proche du soleil vers le 6 janvier, or c’est vers cette date que les
températures sont les plus basses !).
Application : graphiques et TP.
Lien internet : http://culturesciencesphysique.ens-lyon.fr/par_type_de_ressource/documents/Eclairement.swf
L’énergie est donc répartie inégalement sur Terre (dans le temps et dans l’espace). Quelles sont
les conséquences de cette inégale répartition au niveau de l’atmosphère et de l’hydrosphère.
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3. La Terre possède deux enveloppes fluides : l’atmosphère et l’hydrosphère.
On considère que la Terre possède quatre enveloppes externes dont le fonctionnement est observable
depuis le sol mais également depuis l’espace par des satellites (artificiels) :
Exemple de satellite « artificiel ».
© http://ccrs.nrcan.gc.ca/resource/tutor/fundam/chapter2/02_f.php
- L’atmosphère : enveloppe gazeuse qui entoure la planète (applications des satellites : domaine de la
météorologie, avec le déplacement des nuages ; mesure de la concentration en ozone dans
l’atmosphère…) ;
- L’hydrosphère : enveloppe qui regroupe l’eau sous ses états liquide et solide (applications des
satellites : suivi des courants marins, de la température de l’eau…) ;
- La lithosphère : enveloppe formée de l’ensemble des roches superficielles (applications des satellites :
suivi du déplacement des plaques tectoniques par GPS) ;
- La biosphère : enveloppe qui contient l’ensemble des êtres vivants (applications des satellites : suivi
des cultures (maturité), de la déforestation…).
Ces enveloppes interagissent entre elles (échanges) et sont fragiles. L’homme peut bouleverser
leur fonctionnement.
3.1 L’atmosphère terrestre.
On considère que sa limite supérieure se trouve vers 1.000 km d’altitude, mais elle est
essentiellement concentrée dans les 40 premiers kilomètres.
L’atmosphère est constituée de N2 (78%), d’O2 (21%) et de gaz rares (1%) et est stratifiée en
couches distinctes. Le profil thermique de l’atmosphère montre clairement l’existence de couches
différentes : la couche la plus basse (environ 10 Km) est la troposphère. C’est dans cette couche que se
passent l’essentiel des phénomènes météorologiques et la température baisse avec l’altitude. La
stratosphère vient ensuite (jusqu’à 50 Km), où la température augmente. Un peu au-dessus de la
séparation troposphère-stratosphère se trouve la couche d’ozone (O3), qui protège la Terre du
rayonnement UV mutagène. Par la suite viennent la mésosphère puis l’ionosphère. Voir le TP3 ,
document 1.
L’atmosphère contient également des gaz à effet de serre (GES) en très faibles quantités,
particulièrement H2O, CO2 (0.038% soit 380 ppm ou parties par million), CH4 (0,00018% soit 1800 ppb
ou parties par milliard). Ces gaz sont indispensables au maintien d’une température compatible avec la
vie. En effet, la Terre chauffée par le soleil évacue cette chaleur sous forme d’un rayonnement
infrarouge vers l’espace. En traversant l’atmosphère, ce rayonnement est absorbé par les GES. Ces
derniers émettent à leur tour un rayonnement IR dont une partie est renvoyée vers le sol. Ainsi, la
température de surface est augmentée de 33°C (donc il fait +15°C en moyenne au lieu de -18°C sans
effet de serre). Schéma de l’effet de serre, voir TP3.
Cet effet de serre existe également sur les autres planètes telluriques pourvues d’une atmosphère, particulièrement Vénus.
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L’effet de serre. © http://www.ac-nancy-metz.fr/enseign/SVT/program/fichacti/fich2/effet-serre/serre2.gif
L’atmosphère est brassée en permanence par des vents dont les vitesses sont variables mais
assez élevées (de l’ordre de la dizaine de m.s-1). Ainsi, en cas de pollution, les polluants vus lors du TP5
(radioactivité, cendres, SO2…) se dispersent rapidement mais atteignent de nombreuses régions. La
différence de pression entre les zones de haute (anticyclone) et de basse pression (dépression) est un des
moteurs des vents.
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3.2 L’hydrosphère terrestre.
Les océans contiennent 97% des réserves d’eau sur Terre, mais cette eau est toutefois impropre à la
consommation car salée (proche de 35 g.L-1). L’eau au fond des océans est à une température de 3°C
environ.
Les océans sont animés de mouvements de deux types :
-
Les courants de surface, dont les moteurs sont les vents (exemple, le Gulf stream
p68).
Les courants profonds (circulation thermohaline), dont les moteurs sont les
différences de masses volumiques de l’eau, liées à la température et à la salinité de
l’eau de mer (page 71). Voir TP4.
La circulation thermohaline. © http://www.cea.fr/var/cea/storage/static/fr/jeunes/themes/climat/LeClimat/images/schema_07b.jpg
Leurs vitesses de déplacement sont différentes (vitesse de quelques mm par jour seulement pour
les courants profonds ; jusqu’à 1 à 2 m/s pour les courants superficiels) mais beaucoup plus faibles que
celles des vents ; les polluants (pétrole) se déplacent peu, mais restent plus longtemps (TP5).
3.3 Les vents et courants répartissent l’énergie solaire sur toute la Terre.
Distribution moyenne
annuelle du rayonnement
solaire absorbé et du
rayonnement infrarouge émis
par la terre au sommet de
l’atmosphère. © Hatier
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La Terre reçoit plus d’énergie à
l’équateur et moins aux pôles (voir 2 du
cours). En revanche, elle émet presque autant
d’IR quelle que soit la latitude. En
conséquence, il y a un excès d’énergie à
l’équateur et un déficit aux pôles ! Cette
différence provoque la naissance des vents et
des courants. Ces derniers transportent donc
cet excès d’énergie vers les pôles, ce qui en
contrepartie refroidit l’équateur. Toutefois, le
système n’est pas efficace à 100%, puisqu’il
fait toujours plus chaud aux pôles qu’à
l’équateur (mais les contrastes sont atténués).
4. Des échanges se produisent entre les enveloppes externes.
Les enveloppes externes ne sont pas isolées les unes des autres : des éléments ou molécules
peuvent être échangés, par exemple l’eau et le carbone dans leurs cycles respectifs (c’est le cas aussi
pour l’oxygène). On parle de couplages entre les enveloppes.
Nous nous sommes limités au cycle du carbone dans le TP6. La compréhension de ce cycle
permet d’envisager la notion de réchauffement climatique actuel, avec la libération de grandes quantités
de CO2 dans l’atmosphère (par combustion des énergies fossiles essentiellement, c’est-à-dire le pétrole,
le charbon et le gaz).
Quelques éléments du cycle sont représentés ici :
Les flèches de ce cycle représentent les échanges entre enveloppes (dont certains ont été mis en
évidence dans le TP6). Prenons deux exemples pour l’illustrer :
- Le carbone contenu dans les roches carbonatées (craie, calcaire), donc dans la
lithosphère, passe dans l’hydrosphère (rivières) lors de l’érosion (par dissolution). Il
peut de nouveau repasser dans la lithosphère lorsque les ions précipitent sous forme
de roches carbonatées dans l’océan.
- Le carbone contenu dans la molécule de CO2 (donc dans l’atmosphère), se retrouve
dans les molécules organiques des végétaux lors de la photosynthèse (donc dans la
biosphère), puis peut être fossilisé sous forme de charbon (lithosphère), processus
qui prend du temps. Actuellement, la combustion de ces ressources par l’homme
libère de grandes quantités de CO2 dans l’atmosphère. Ce processus provoque
l’augmentation de la teneur atmosphérique en CO2, et comme c’est un GES, on
assiste à une augmentation assez rapide de la température moyenne sur Terre.
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Pour se rendre compte de la localisation des réserves en carbone, on peut observer le tableau
suivant :
Masse de C par enveloppe (en
% (/ total)
giga tonnes, soit 109 tonnes)
Atmosphère : 750 Gt.
0,0006 (soit 6.10-4)
Hydrosphère : 39 100 Gt.
0,03 (soit 3.10-2)
Lithosphère : 120 027 000 Gt.
99,97
Biosphère : 2 000 Gt.
0,0017 (soit 1,7.10-3)
Total : 120 068 850 Gt
100
Le C dans les différentes enveloppes.
On se rend compte de l’importance de la masse de carbone sur Terre, et surtout que les roches
constituent le réservoir essentiel (donc les différents compartiments du cycle du carbone sont très
déséquilibrés). Ce sont surtout les calcaires et craies qui stockent le carbone (charbon et pétrole sont
plus anecdotiques). Le carbone est stocké depuis des centaines de millions d’années dans ces roches
(longue durée de vie), alors qu’il ne persiste qu’une centaine d’années dans l’atmosphère (d’où le
problème des rejets actuels qui vont persister au-delà d’une vie humaine).
5. L’atmosphère est en constante évolution.
Nous venons de voir que l’homme est capable de modifier la composition de l’atmosphère avec
le CO2 (c’est modification est toutefois infime compte tenu de la faible concentration en CO2 - environ
380 ppm- , mais perceptible à l’échelle d’une vie humaine). Nous avons d’ailleurs vu dans le TP7 que
l’atmosphère s’est considérablement modifiée depuis son apparition.
La composition chimique de l’atmosphère au cours du temps (Belin 2000).
La première atmosphère de la Terre, dite atmosphère primitive n’est que peu connue car il ne
reste pas de témoins de sa composition. Cependant, on sait qu’elle a progressivement été remplacée.
L’H2O, présente initialement en forte quantité est passée dans les océans avec le refroidissement de la
planète ; le CO2 a été stocké dans les roches carbonatées et carbonées (en grandes quantités comme
on peut le voir dans le tableau précédent) ; O2 est apparu, quant à lui, avec la vie, notamment la
photosynthèse (effectuée dans un premier temps par les bactéries, car les plantes vertes n’existaient pas
encore).
Lorsque l’on prélève de la glace polaire par carottage (en Antarctique ou au Groenland), on peut
étudier la composition de l’air contenu dans cette glace (il reste des bulles d’air fossilisées), ainsi que les
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températures depuis 700 000 ans (par une méthode de géochimie trop complexe à expliquer à votre
niveau). On constate de rapides variations de la température au cours du temps. En effet, on
remarque un cycle dominant de 100 000 ans, avec une courte période chaude de 10 000 ans environ,
puis une période froide de 90 000 ans (avec baisse lente de la température). Le retour vers une période
chaude se fait rapidement. Je vous conseille d’aller voir vos graphiques du livre page 99 pour illustrer
mes propos. Une période froide est qualifiée de « glaciaire », une chaude « d’interglaciaire ». Ainsi le
climat oscille naturellement entre des périodes froides et chaudes. Constat supplémentaire, les
évolutions de la température sont identiques à celles de la concentration en CO2 (on parle de corrélation
entre les deux évolutions). Plus la quantité de CO2 est élevée, et plus la température augmente (et
inversement). Ce lien s’explique par le fait que le CO2 est un GES (vous noterez donc que la
concentration en CO2 n’est pas du tout stable au cours du temps ; il s’agit d’un phénomène tout à fait
normal).
De nos jours, la concentration en CO2 augmente très rapidement, et ce depuis l’âge industriel :
elles est passée de 280 ppm vers 1800 à 390 ppm (actuellement). Nul doute que ce CO2 a une origine
humaine (combustion des énergies fossiles, déforestation…). Par ailleurs, la température terrestre a
particulièrement augmenté durant ce temps, et surtout depuis la fin des années 1970. Les années 2000 à
2010 sont les plus chaudes jamais enregistrées depuis les premiers relevés météorologiques.
Évolution des
températures de surface
globales, d'après la
Climate Research Unit
(U.K.).
Le GIEC (Groupe Intergouvernemental sur l'évolution du climat) estime le réchauffement à
+1,8°C à +4°C (données de 2007) d’ici 2100 ! (ça peut ne pas paraître beaucoup, mais les conséquences
seraient dramatiques, avec tempêtes plus violentes, sécheresses plus fortes, épisodes de fortes pluies,
hausse du niveau marin avec disparition des pays les plus bas…). Pour finir, à la sortie d’un hiver qui
peut vous paraître froid, sachez que réchauffement climatique n’est pas incompatible avec un hiver
froid. Ne confondez pas le temps au jour le jour (= la météo) avec le climat (moyenne sur l’ensemble du
globe). Sachez d’ailleurs que mondialement, janvier 2010 est le quatrième mois de janvier plus chaud
jamais enregistré depuis 1880 (en moyenne globale, la température a été supérieure de 0,6°C à la
moyenne des mois de janvier) ! (comme quoi un phénomène local ne reflète pas ce qui se déroule sur
l’ensemble du globe).
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© http://blogs.tv5.org/.a/6a00d83452081969e2012877a9b389970c-pi
Conclusion.
La Terre est une planète tellurique unique dans le système solaire. Elle possède des activités
interne et externe. Son activité externe, qui se manifeste par les vents et les courants, est due à l’inégale
répartition de l’énergie solaire.
La Terre a évolué depuis son apparition, il y a 4,5 Ga. Cette évolution naturelle se poursuit, mais
dorénavant l’homme intervient lui aussi. Il est à l’origine de diverses pollutions ainsi que de la
destruction de milieux naturels, ce qui fragilise les équilibres en place.
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