La planète terre et son environnement

Remarque: étant donné mon manque de compétence, cette partie est strictement scolaire et n'a d'autre but que l'aide de mes élèves.

L'astrophysique n'est pas une science expérimentale : on n'expérimente pas avec des planètes. Plus qu'avec d'autres sciences on peut saisir avec les philosophes combien "toute science est avant tout une phénoménologie" , c'est-à-dire une connaissance des phénomènes. C'est avant tout une science d'observation. Ensuite, elle est un prolongement de la physique dans le domaine de l'infirment grand et il est certainement légitime que l'on extrapole les théories obtenues dans le domaine accessible à l'expérience (le présent, mesurable). C'est donc avant tout sur les progrès des mathématiques que l'astrophysique se fonde. À ce niveau il est hors de question de pouvoir montrer combien la physique - et plus encore la physique de l'infirment grand - est dépendante des progrès continuels des mathématiques (et encore récemment en mécanique analytique avec le développement de l'étude des systèmes chaotiques ou bien sûr la mécanique quantique avec la théorie des groupes...). Une telle partie ne peut être enseignée que par ceux qui ont de solides bases mathématiques et physiques... n'est-ce pas un peu tôt en classe de seconde ?

Un cours tout à fait dans la ligne du programme est disponible sur internet sous le titre Introduction à l'Environnement et au Développement Durable; voir la chapitre 1 : Aux origines de notre planète : hhttp://www.uved.fr/index.php?id=270 (le niveau est un peu élevé pour des secondes mais on peut trouver toutes sortes de réponses à des questions posées dans les travaux pratiques ou les exercices liés à ce programme)

1. La Terre est une planète du système solaire

1.1 Il existe 6 type d'objets célestes (dans notre système solaire mais on extrapole à l'ensemble de l'univers)

• étoiles : ce sont de gigantesques masses de gaz légers (H, He) et chauds dans lesquelles se produisent des réactions thermonucléaires engendrant des photons (particules de lumière). Ex: le Soleil
• planètes* : ce sont des corps de gros diamètre (> 1000 km) en orbite, le plus souvent circulaire, autour du Soleil (où d'une autre étoile pour un autre système). On distingue les planètes telluriques (de même structure que la Terre: Mercure, Vénus et Mars), les planètes gazeuses géantes (Jupiter, Neptune, Uranus, Saturne).
• satellites : ce sont de petits corps (diamètre < à celui de la planète associée) qui gravitent autour d'une planète; la Lune est le satellite de la Terre (c'est aussi un corps tellurique); Titan est un satellite de Saturne qui est un corps de glace.
• astéroïdes : ce sont des blocs rocheux de petite taille (<< 1000 km) gravitant autour du Soleil sur une orbite grossièrement circulaire située au niveau d'une ceinture entre Mars et Jupiter.
• comètes: ce sont des corps de glace et de poussière en orbite très elliptique autour du Soleil.
• météorites: ce sont des fragments de roche venant de l'espace et qui ne sont plus sur un orbite mais qui tombent à la surface d'une planète.

*Depuis août 2006 Pluton, trop petite (insuffisamment massique) et ne tournant pas autour du soleil (mais autour de l'ensemble des objets célestes proches dont elle ne peut suffisamment s'éloigner pour que l'on puisse dire qu'elle gravite, seule, autour du soleil; elle se trouve bien trop dépendante des champs de gravité des autres objets célestes du système solaire, notamment de Neptune dont elle perturbe la rotation - ce qui a d'ailleurs permis de la découvrir en 1930) n'est plus considérée comme une planète. Le système solaire ne contient plus que 8 planètes authentifiées.

1.2 Les planètes du système solaire

Les planètes telluriques sont composées de couches concentriques de densité de plus en plus faible vers l'extérieur de la planète. Le noyau est le plus lourd (Fe-Ni) et est entouré d'un manteau de roches alumino-silicatées (Si, Al, O); une atmosphère de gaz légers (H, He, N2, CO2, O2...) entoure l'ensemble.

La surface des planètes est habituellement criblée d'impacts météoritiques sauf si des coulées volcaniques (par exemple sur la Lune) ou une tectonique de plaques (comme sur la Terre et peut-être Vénus) en a caché les traces. Plus la surface d'une planète tellurique présente de volcans, failles et fossés d'effondrement (et moins elle présente de cratères météoritiques) plus on estime son activité interne importante (Terre et Vénus > Mars > Lune) à moins que l'on ne puisse supposer une érosion importante (comme sur Mars). On considère que le système solaire s'est constitué vers 4,5 Ga et que tous les corps du système ont le même âge. Le bombardement météoritique principal aurait eu lieu entre -4,5 Ga et 3,8 Ga.

C'est la masse d'une planète qui retient par gravité ses composants qui tendent à s'échapper grâce à l'énergie thermique.
L'énergie thermique d'une planète peut être d'origine interne (chaleur accumulée lors de sa formation ou lors de chocs avec des météorites, ou encore radioactivité) ou externe (énergie reçue du Soleil). L'énergie solaire reçue par une planète est inversement proportionnelle au carré de la distance de celle-ci à son étoile.
La Terre, en position moyenne, retient à la fois des éléments lourds et légers. Mercure, trop proche du Soleil n'a quasiment pas d'atmosphère alors que Vénus et la Terre ont des atmosphères importantes (Vénus: 350 km d'épaisseur de dioxyde de carbone - Terre: 500 km de diazote et de dioxygène). Sur Mercure la gravité est forte mais la température est trop élevée.
Une planète très éloignée du Soleil comme Neptune a une température de surface froide (-200°C), sa densité est faible (1,7 à comparer à 5 pour la Terre), malgré son énorme diamètre (4 fois celui de la Terre); son atmosphère très épaisse (4500 km) est composée de gaz (H, He, CH4 ?....). La gravité est trop faible pour retenir des éléments lourds comme le fer (Fe), le silicium (Si), l'oxygène (O).....

La constante solaire est la quantité d'énergie solaire reçue à la surface de l'atmosphère d'une planète . Elle est exprimée en quantité de chaleur (en Joule, J) par unité de temps (en seconde, s) et ou en watt (W) par unité de surface (donc en W.m^-2 ) puisque 1 W = 1 J.s^-1 . Pour Mercure elle est de 9.000 W.m^-2; sur Terre de 1.400 W.m^-2 et sur Neptune < 500 W.m^-2.

1.3 La Terre est chauffée non uniformément par le Soleil

L'atmosphère de la Terre absorbe et réfléchit une partie de l'énergie lumineuse du Soleil et l'énergie moyenne reçue à la surface du sol est de l'ordre de 25% de la constante solaire (350 W.m^-2). Selon l'inclinaison de la surface (et donc de la latitude de la région) recevant les rayons du Soleil - supposé infiniment éloigné (et donc les rayons arrivant sur terre étant supposés parallèles) - l'énergie reçue est plus ou moins grande par unité de surface et de temps. Cette différence détermine la répartition des climats en fonction de la latitude.
Mais la Terre tourne aussi autour du Soleil en une année en gardant un angle à peu près constant par rapport au plan de l'écliptique (environ 23°), ce qui fait que l'on distingue 2 minima et maxima ou solstices, séparés par les équinoxes.

L'effet de serre est l'augmentation de température (à la surface de la Terre) due à certains composants de l'atmosphère (CO₂, H₂O...) qui absorbent les rayons infrarouges (énergie lumineuse dans le domaine des IR) réémis par la terre. On estime à -18°C la température moyenne (sous toutes les latitudes, en toute saison et à toute heure) à la surface de la terre sans effet de serre, à la place des 14°C actuellement observés.

2. La Terre possède une atmosphère et une hydrosphère : deux enveloppes externes perpétuellement en mouvement

Les fluides (gazeux ou liquides) peuvent s'écouler en fonction des forces de gravité (force d'attraction dirigée vers le centre de la Terre d'autant plus forte que la masse du fluide est importante et donc que la densité d'un volume donné est grande...) et de la force de Coriolis (1935 ) qui dévie tout mouvement dans le sens du vecteur vitesse d'un corps en rotation (la terre tournant sur elle-même dans le sens inverse de celui des aiguilles d'une montre si on la regarde du pôle N puisque le soleil se "lève" à l'Est...). Du point de vue mécanique c'est une force d'inertie. On peut aussi considérer les forces s'exerçant entre deux fluides voisins en contact (frottement, pression d'un fluide englobant un autre...).
Les masses de fluides voisines, mais de densité ou de température différente, se mélangent fort mal.

L'atmosphère (4/5 d'N₂ et 1/5 d'O₂ pour 0,04% de CO₂) s'étend jusqu'à 800 km d'altitude mais 9/10 de sa masse est concentrée dans les 100 premiers kilomètres ou la pression diminue très rapidement dès que l'on s'élève (1000 hPa au sol, 100 hPa à 20 km d'altitude et moins de 10-3 hPa à 100 km). Donc la pression "initiale" est forte au sol et faible en altitude. Une masse d'air à une altitude d'équilibre lorsque sa pression est identique à celle de l'air qui l'entoure, ce qui a peut de chances de se produire (et alimente les courants ascendants et descendants).
Si le bilan radiatif global de la terre est nul (la terre reçoit autant d'énergie qu'elle en réémet et donc sa température est stable sur de longues échelles de temps), il y a un déséquilibre énergétique entre les latitudes tropicales (<30°; qui reçoivent PLUS d'énergie qu'elles n'en émettent) et les latitudes plus élevées (>45°N ou S); qui reçoivent MOINS d'énergie qu'elle n'en restituent). Les mouvements des masses d'air (vents, tempêtes) et d'eau (courants) vont transporter les excédents énergétiques (des zones tropicales) vers les zones polaires en déficit. En absence de mouvement le refroidissement au pôle s'amplifierait indéfiniment, tout comme le réchauffement à l'équateur.
Les vents sont les mouvements des masses d'air. Une masse d'air se déplace principalement du fait de sa température (l'air chaud monte, l'air froid descend vers le sol) parce que l'air chaud est moins dense que l'air froid. Une masse d'air chaud délimite donc une zone de basse pression, une masse d'air froid, une zone de haute pression. La teneur en eau peut modifier légèrement la densité de l'air; on retiendra surtout que l'air froid est sec et l'air chaud est humide. L'air chaud monte à l'équateur et se répartit en altitude aux latitudes intertropicales puis redescend au niveau des zones subtropicales désertiques. Il existe aussi un fort mouvement descendant au niveau de chaque pôle.
Les mouvements dessinent des cellules de convection oblique par rapport aux méridiens du fait de la force de Coriolis. Donc la force de Coriolis (maximale aux pôles et minimale à l'équateur) dévie par exemple les mouvements des masses d'air vers l'Est dans l'hémisphère Nord pour des trajets des latitudes basses aux latitudes élevées. (Bordas 2d p 65). Le moteur des masses d'air est donc double: la gravité et la force de Coriolis. Température, densité, vitesse, latitude... sont des paramètres et non des forces.

Les courants sont les mouvements des masses d'eau. La surface de l'océan n'est pas plane mais présente des reliefs détectés par satellite (altimétrie radar avec une précision de l'ordre du centimètre) qui ont surtout permis de mieux comprendre d'une part la déformation permanente de la surface du globe (géodésie) et d'autre part le complexe phénomène des marées (Bordas 2d p 69). En surface les masses d'eau sont entraînées par frottement par le mouvement des masses d'air (carte Bordas 2c p 69). En profondeur et pour les mouvements verticaux le moteur principal semble être la gravité suite à la différence de densité entre deux masses en contact, une masse de faible densité au milieu d'une masse plus grande de plus forte densité a tendance à remonter en surface et inversement. L'augmentation de température ou la salinité de l'eau diminuent la densité d'une masse d'eau (et inversement).(Bordas p 69-70-71).

Expérience excellente:
"Embouteiller les nuages", Nicolas Constans et François Graner, La Recherche, 401, octobre 2006, 87
Dans une bouteille en plastique transparente et aisément déformable, laisser quelques centimètres d'eau au fond. La coucher ouverte et y introduire une allumette que l'on vient juste d'éteindre afin que de la fumée se dégage dans la bouteille. La refermer et la replacer verticalement. Comprimer fortement puis relâcher plusieurs fois. Il apparaît des "nuages".
On peut faire la même expérience sans fumée et les nuages n'apparaissent pas.
Explication: Ce sont les particules contenues dans la fumée qui servent à la nucléation des microgouttes d'eau du nuage artificiel. La vaporisation a lieu à la suite des compression-dépression successives qui échauffent l'eau de l'air (en comprimant un gaz on augmente les chocs entre molécules) puis la refroidissent (les molécules ont dépensé de l'énergie en étant comprimées contre les parois et en s'entrechoquant). C'est lors du refroidissement que l'eau de l'air se condense en microgouttes. Lorsqu'il n'y a pas de particules dans l'air, les microgouttes se désintègrent rapidement car elles sont trop petites (la capillarité tend à diminuer la surface exposée à l'air). Il faudrait des températures très froides pour qu'elles subsistent (comme l'haleine en hiver). Les particules protègent des microgouttes qui se placent dans leurs anfractuosités et limitent surtout la compression des microgouttes et donc les chocs entre molécules qui les composent.

3. La vie modifie les enveloppes externes de la Terre

3.1 Écosphère et biosphère

Les spécialistes distinguent l'écosphère, couche terrestre théorique où peut se développer la vie et la biosphère qui est la zone où se développe de façon stable la vie terrestre. La biosphère regroupe en fait l'ensemble des écosystèmes terrestres (un écosystème étant formé de l'ensemble des êtres vivants (ou biocénose) d'un lieu particulier ou biotope).
Écosphère et biosphère chevauchent l'hydrosphère, l'atmosphère mais aussi la lithosphère (la couche la plus externe du globe terrestre) mais avec des extensions différentes.

3.2 Cycles biogéochimiques

On désigne par cycle biogéochimique le parcours sur terre d'un élément. Étant donné la composition des êtres vivants 3 cycles biogéochimiques sont fondamentaux.
* l'eau (H2O) est le composant majoritaire des êtres vivants. Mais ceux-ci la consomment et en produisent lors de nombreuses réactions chimiques (une hydrolyse consomme de l'eau...).
* Le carbone est l'élément de base des substances organiques (CHONS). Mais on le trouve aussi dans l'atmosphère (dioxyde de carbone), dans les eaux sous forme dissoute (acide carbonique, bicarbonate, carbonate) et dans les sédiments et les roches carbonatées (calcaires, gypse...) mais aussi dans les roches carbonées (charbons, gaz naturel, hydrocarbures...). (voir page sur les carbonates et le cycle du carbone)
* l'oxygène provient de l'eau, lors de la photosynthèse, mais il est aussi réduit en eau lors de la respiration des êtres vivants. De nombreux minéraux contiennent de l'oxygène (ce sont des oxydes).

3.3 À la recherche de l'évolution de la vie sur Terre

La composition de l'atmosphère de la Terre a probablement évolué au cours des temps géologiques.
La paléoécologie n'est pas une science expérimentale (les lois expérimentales sont sans cesse vérifiées par les expériences) car le passé n'est pas accessible à l'expérience (on ne peut pas prouver (au sens expérimental) avec une expérience qu'une action s'est passée de telle manière et non d'une autre manière : si l'on réalise une expérience actuellement dans les conditions que l'on suppose exister par le passé, cela ne prouve que la validité de l'expérience actuelle). Les roches et les inclusions gazeuses dans les roches les plus anciennes ou dans des glaces nous permettent de supposer que l'atmosphère de la Terre a beaucoup changé depuis 4,5 Ga, âge supposé de la Terre.