2nde chapitre 1

Pb : Notre planète se caractérise par l'abondance de l'eau liquide lui donnant le qualificatif de "planète bleue" : pourquoi ? L'eau liquide est-elle une exclusivité de la Terre ?

Le point triple est, en thermodynamique, un point du diagramme de phase qui correspond à la coexistence de trois états (liquide, solide et gazeux) d'un corps pur. Il est unique et s'observe seulement à une température et une pression données.

Exemple : le point triple de l'eau est à : T = 273,16 K (soit 0,01 °C) et P = 611 Pa (soit 0,006 atm).

Remarque : il est très probable que de l'eau ait coulé sur Mars il y a 4 Ga...

Planètes telluriques	Pression atmosphérique en atm	Température moyenne de surface en °C
Mercure	moins de 0.00000000002	180
Vénus	90	475
Terre	1	15
Mars	0.01	-55

Image prise au-dessus de Mars et couvrant 18 km en largeur. Au centre on voit un chenal au fond d'une des vallées : l'eau y a coulé.
© NASA. THEMIS.

De nos jours, l'eau sous forme liquide ne peut plus exister sur Mars car la pression atmosphérique est trop faible et tout liquide s'évaporerait instantanément. A une époque reculée, que l'étude des cratères d'impact place il y a environ 4 milliards d'années, l'atmosphère de Mars était probablement similaire à celle de la Terre et permettait l'existence d'eau liquide.

La dernière sonde (Mars explorer) a confirmé en revanche l'abondance de la glace aux pôles.

Europe, le plus lointain satellite de Jupiter serait recouvert d'une couche d'eau de 100km, dont une dizaine de km en superficie est gelée (pack de banquise à -150°C), le reste étant visqueux (température proche de 0°C). Le volcanisme silicaté et le gradient géothermique permettraient de comprendre le maintien de l'état liquide de l'océan d'Europe, malgré les -150°C à -200 °C de température de surface.

Pb : comment expliquer que la Terre bénéficie d'une température moyenne de 15°C permettant l'existence de l'eau à l'état liquide indispensable à la vie ?

Modéliser l'effet de serre pour une atmosphère peu épaisse (cas de Mars et de la Terre)

La majeure partie de l'énergie rayonnée par le Soleil se situe dans des longueurs d'onde auxquelles l'atmosphère est transparente (c'est-à-dire entre 0,2 et 0,5 µm (applette Corps Noir).

Au contraire, une planète rayonne principalement dans les longueurs d'onde de l'infrarouge, entre 4 et 12 µm. Ces longueurs d'onde sont fortement absorbées par les gaz à effet de serre de l'atmosphère (applette Atmosphère et Rayonnements). (Voir aussi Quelles sont les propriétés communes des gaz à effet de serre ?).

Lorsqu'une molécule de gaz absorbe un photon infrarouge, elle le réémet rapidement. Le point fondamental est que cette réémission se fait dans une direction aléatoire . Ainsi, si on suppose que l'atmosphère est suffisamment mince (c'est-à-dire que le photon réémis ne va pas être à nouveau absorbé par une autre molécule de gaz), alors environ la moitié du rayonnement infrarouge émis par la surface de la planète repart dans l'espace (la part réémise par l'atmosphère vers le haut), tandis que l'autre moitié retourne à la surface (la part réémise par l'atmosphère vers le bas).

Source : Gilles Delaygue (Centre Européen de Recherche et d'Enseignement des Géosciences de l'Environnement, Aix en Provence) et Benoît Urgelli (ENS Lyon / DGESCO)

Un lien pour bien comprendre comment on arrive à ce bilan à l'équilibre : http://www.lmd.jussieu.fr/~jldufres/Exposes/anim_effet_serre.pdf

Peut-on faire l'analogie avec une serre ?

Serre d'ananas à Ponta Delgada (São Miguel, Açores) - Photo E.Lacouture

Le terme d'« effet de serre » est employé par analogie avec ce qui se passe dans les serres des agriculteurs. L'atmosphère piège les infrarouges thermiques rayonnés par le sol de la même façon qu'une plaque de verre piège le rayonnement infrarouge émis par le sol et les plantes, augmentant ainsi la température du sol.

Malheureusement, l'analogie est trompeuse. Dans une serre, le réchauffement s'explique essentiellement par l'absence de convection (l'air chaud ne peut pas sortir) et non par l'absorption des radiations infrarouges.

En 1909, Robert Williams Wood (1868-1955) construisit deux serres similaires, l'une avec des plaques de verre (transparentes au visible et opaques aux infrarouges), l'autre avec des plaques en sel gemme (transparentes au visible et aux infrarouges). Dans les deux cas, l'air ne peut sortir. La température dans les deux serres augmenta de la même façon, démontrant ainsi que « cet effet thermique s'explique essentiellement par l'absence d'advection ». On estime que cet effet thermique est environ quatre fois plus importante que l'absorption du rayonnement infrarouge par le verre.

Source : Gilles Delaygue (Centre Européen de Recherche et d'Enseignement des Géosciences de l'Environnement, Aix en Provence) et Benoît Urgelli (ENS Lyon / DGESCO)

Pour aller plus loin sur la modélisation de l'effet de serre : http://planet-terre.ens-lyon.fr/article/explication-effet-de-serre.xml

Remarque 1 : Vénus possède une atmosphère très dense riche en CO2 et en vapeur d'eau d'où sa température de surface très élevée (475°C). Sur Mars, l'effet de serre est beaucoup moins important car la couche atmosphérique est peu épaisse.

Remarque 2 : dans les basses couches de l'atmosphère, l'ozone est un gaz qui amplifie l'effet de serre et dans les hautes couches, il filtre certaines radiations solaires dangereuses pour les êtres vivants (d'où notre inquiétude quand un "trou" est constaté dans la couche d'ozone...)

En 1995, Michel Mayor et Didier Queloz découvrent la première planète en dehors du système solaire. En 2006, ils découvrent la première exoplanète tellurique, du même type que la Terre. Depuis, plus de 400 exoplanètes ont été découvertes, révélant un monde extrêmement diversifié, remettant en cause notre vision des systèmes planétaires.

Pb : Existe-t-il une nouvelle planète, analogue à la Terre, situé dans la « zone habitable » de son étoile, et donc susceptible d’abriter une autre forme de vie ?

Activité : lecture d'un article récent de la revue Pour la Science (Octobre 2011, n°408) et saisie d'informations : pdf1, pdf2

On estime que la zone d'habitabilité autour du Soleil s'étend entre 0,95 à 1,67 unités astronomiques.

Les découvertes les plus récentes faites sur Terre mais également sur d'autres mondes du Système Solaire nous amènent à redéfinir ce qu'est la zone habitable du Système Solaire. Aujourd'hui, cette zone n'est plus seulement définie comme la région où l'eau peut rester liquide à la surface d'une planète. La recherche astrobiologique dans les milieux extrêmes terrestres nous montre que des oasis existent dans les environnements les plus hostiles et ouvrent de nouveaux horizons pour la recherche de la vie sur d'autres planètes. Au-delà de la Terre, Mars et Europe ne sont plus les seules à être considérées comme potentiellement habitables pour des formes de vie. Des satellites, tels que Ganymède, Callisto, et Titan apparaissent comme de nouveaux candidats. Désormais, l'habitabilité peut être considérée à l'échelle d'une planète mais aussi à l'échelle de niches parfois microscopiques, à la surface ou à l'intérieur d'une planète. La vie n'a pas nécessairement besoin du Soleil et peut survivre des kilomètres sous la surface. L'éventail des habitats extrêmes terrestres inclut des environnements acides, alcalins, chauds, froids, hypersalins, soumis à des rayonnements intenses ou à l'aridité.

Des environnements analogues existent sur d'autres planètes et l'exploration planétaire de ces 20 dernières années nous fournit une vision complètement nouvelle sur le potentiel de la vie dans notre proche voisinage planétaire. L'étude des milieux extrêmes terrestres nous interroge sur les limites de la vie.

Remarque : D'ici 3 ou 4 ans, une sonde déjà partie et financée en partie par la France arrivera près de Saturne à la recherche de molécules prébiotiques sur Titan. Dans quelques années, des sondes partiront à la recherche d'océans liquides sur les satellites de Jupiter.


Modèle de structure interne pour Europe. Rayon du satellite : 1 500 km dont 100 km de glace H2O en surface	Extrait du manuel de 2nde Belin-2010 p18