13La Terre, une planète du Système solaire

Trois sondes robotisées ont été envoyées dans l’espace. L’une après l’autre, elles envoient une image vers la Terre, comme une carte postale. La première vient de Vénus : une boule pâle enveloppée d’épais nuages, où il fait assez chaud pour faire fondre le plomb et où l’air presse sur le sol d’un poids écrasant. La deuxième vient de Mars : un désert rouge, froid et poussiéreux, sous un ciel ténu. La troisième sonde a tourné sa caméra vers chez nous : une boule bleue et blanche, avec des océans, des nuages et de la glace. Trois planètes, voisines autour du même Soleil. Pourquoi une seule d’entre elles est-elle bleue ?

Tu sais déjà

Les livres de physique ont montré que le Soleil est une étoile, une énorme boule de gaz chaud qui brille par elle-même, et qu’une planète est un gros corps rond qui tourne autour d’une étoile et ne brille pas par elle-même : nous la voyons parce qu’elle renvoie la lumière de son étoile. Le Soleil et tout ce qui tourne autour de lui forment le Système solaire. Chaque planète parcourt autour du Soleil un chemin appelé son orbite, et tourne sur elle-même autour d’un axe. L’air qui nous entoure presse sur tout ce qu’il touche : c’est la pression de l’air. La masse volumique d’un matériau indique combien pèse un volume donné de ce matériau : un centimètre cube d’eau pèse 1 gramme, donc sa masse volumique est de 1 gramme par centimètre cube ; un matériau de masse volumique plus grande que l’eau y coule, un matériau de masse volumique plus petite y flotte. Enfin, environ sept dixièmes de la surface de la Terre sont couverts par l’océan (Chapitre 3).

13.1 Huit planètes autour du Soleil

Huit planètes tournent autour du Soleil. Dans l’ordre, de la plus proche à la plus lointaine, ce sont Mercure, Vénus, la Terre, Mars, Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune. Une phrase peut aider à retenir cet ordre : Me Voici Toute Mignonne, Je Suis Une Nébuleuse (Mercure, Vénus, Terre, Mars, Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune).

Le dessin ci-dessous montre les huit planètes côte à côte, dessinées à la même échelle : si une planète est deux fois plus large qu’une autre, son cercle est lui aussi deux fois plus large.

Les quatre planètes les plus proches du Soleil sont petites. Les quatre suivantes sont des géantes : Jupiter est environ 11 fois plus large que la Terre. Et le Soleil ? Dessiné à la même échelle que les planètes ci-dessus, ce serait un disque d’environ 40 centimètres de diamètre — plus large que cette page.

La taille n’est pas la seule différence. Le tableau ci-dessous donne, pour chaque planète, son diamètre, sa masse volumique (en grammes par centimètre cube) et sa distance au Soleil.

Les masses volumiques partagent les planètes en deux familles, sans rien entre les deux : les quatre premières sont denses, plus de 3.9 grammes par centimètre cube, comme la roche et le métal ; les quatre dernières sont légères, moins de 1.7 gramme par centimètre cube.

Définition 13.1 (Planètes rocheuses et planètes géantes)

Une planète rocheuse est une petite planète dense, faite de roche et de métal, avec une surface solide sur laquelle une sonde peut se poser : Mercure, Vénus, la Terre et Mars. Une planète géante est une très grosse planète de faible masse volumique, faite surtout de gaz et de liquides, sans surface solide où se poser : Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune.

La photographie de Jupiter montre des bandes de nuages, claires et sombres, et un ovale rouge : la Grande Tache rouge, une tempête géante plus grande que la Terre entière, qui souffle depuis des centaines d’années. Sous les nuages, il n’y a pas de sol : seulement des gaz, surtout de l’hydrogène et de l’hélium, de plus en plus denses à mesure que l’on descend.

Remarque 13.2 (Une planète plus légère que l’eau)

Saturne est la seule planète dont la masse volumique est plus petite que celle de l’eau : environ 0.7 gramme par centimètre cube. S’il existait une baignoire assez grande pour la contenir, Saturne flotterait !

13.2 À quelle distance les planètes sont-elles les unes des autres ?

Les planètes ne sont pas seulement très différentes par leur taille ; elles sont aussi très éloignées les unes des autres. La Terre est à environ 150 millions de kilomètres du Soleil. Neptune, la planète la plus lointaine, est 30 fois plus loin : à environ 4500 millions de kilomètres. Le dessin ci-dessous place les huit planètes sur une même ligne, à leur distance du Soleil, à l’échelle.

Les quatre planètes rocheuses sont toutes proches du Soleil ; les quatre planètes géantes sont loin, séparées par d’immenses intervalles. L’écart entre Mars et Jupiter, à lui seul, environ 550 millions de kilomètres, est plus de deux fois plus grand que la distance du Soleil à Mars.

Il est difficile de dessiner les tailles et les distances à la même échelle : les planètes deviennent des points invisibles. Une maquette à l’échelle aide à imaginer les deux à la fois.

Méthode 13.3 (Construire une maquette du Système solaire à l’échelle)

1. Choisis la taille de la Terre dans la maquette, par exemple 1 cm.
2. Cherche combien de kilomètres réels représente 1 cm de la maquette : divise le diamètre réel de la Terre (12 756 km) par sa taille dans la maquette.
3. Divise chaque taille réelle et chaque distance réelle par ce nombre. Change ensuite d’unité pour obtenir quelque chose de facile à imaginer (centimètres, mètres, kilomètres).

Exemple 13.4 (Une bille pour la Terre)

Si la Terre est une bille de 1 cm de large, 1 cm représente 12 756 km. Le Soleil, de 1 391 400 km de diamètre, devient une boule de $1\,391\,400 \div 12\,756 \approx 109$ cm de large : une boule plus haute qu’un jeune enfant. La Terre est à 150 millions de km du Soleil : $149\,600\,000 \div 12\,756 \approx 11\,700$ cm, soit environ 117 mètres, la longueur d’un terrain de football.

Dans cette maquette, tout le Système solaire jusqu’à Neptune s’étale sur un cercle de 7 km de diamètre, avec une grosse boule au milieu, et huit billes et boules, la plus grosse de la taille d’un pamplemousse, dispersées autour. Le Système solaire est surtout fait de vide.

13.3 Vénus, la Terre et Mars

Vénus, la Terre et Mars sont voisines, toutes trois des planètes rocheuses. Vénus a presque la même taille que la Terre : son diamètre vaut 95 % de celui de la Terre. Mars est plus petite : son diamètre vaut environ la moitié de celui de la Terre. Pourtant, ces trois planètes ne pourraient guère être plus différentes.

Vénus. Vénus est enveloppée d’une épaisse couche d’air, faite surtout de dioxyde de carbone, avec des nuages denses d’acide sulfurique, un acide brûlant. Son air est si épais qu’il presse sur le sol 92 fois plus fort que l’air de la Terre sur le nôtre. À la surface, la température est d’environ 464 $^\circ$C : assez pour faire fondre le plomb. Aucune eau ne peut y rester liquide.

Mars. Mars est un désert froid, sec et poussiéreux. Son air est lui aussi fait surtout de dioxyde de carbone, mais il est très ténu : il presse sur le sol environ cent fois moins que l’air de la Terre. La température moyenne est de $-65$ $^\circ$C. On y trouve de l’eau aujourd’hui, mais gelée : sous forme de glace dans les calottes polaires et sous le sol près des pôles. Pourtant, Mars n’a pas toujours été ainsi : il y a des milliards d’années, des rivières coulaient sur Mars, des lacs se formaient et des crues la balayaient.

La Terre. Entre les deux, la Terre a un air qui presse sur le sol avec environ 1 bar (l’unité utilisée pour comparer la pression de l’air sur les planètes), une température moyenne de 15 $^\circ$C et des océans d’eau liquide.

Chaud et froid. Près du Soleil, une planète reçoit beaucoup de sa lumière et de sa chaleur ; loin de lui, très peu. Donc plus une planète est loin du Soleil, plus elle devrait être froide. Le diagramme ci-dessous montre que c’est vrai à partir de la Terre et au-delà : les planètes géantes, lointaines, sont des mondes gelés. Mais regarde Vénus : elle est presque deux fois plus loin du Soleil que Mercure, et pourtant elle est plus chaude ! Son épais air de dioxyde de carbone retient la chaleur du Soleil comme une lourde couverture et ne la laisse pas s’échapper. Mercure, presque sans air, ne peut pas garder sa chaleur.

13.4 Ce qui rend la vie possible sur la Terre

La Terre est la seule planète où nous savons que la vie existe. Les êtres vivants ont besoin de plusieurs conditions réunies, et la Terre les a toutes.

• De l’eau liquide. Tous les êtres vivants ont besoin d’eau liquide : la Terre a des océans, des rivières et des lacs.
• Des températures douces. À la surface de la Terre, l’eau gèle à 0 $^\circ$C et bout à 100 $^\circ$C (physique). Avec une moyenne de 15 $^\circ$C, les températures de la Terre restent surtout entre les deux, et son eau reste donc liquide.
• La bonne distance au Soleil. Plus près du Soleil, comme Vénus, une planète risque de devenir trop chaude ; plus loin, comme Mars, trop froide. La Terre est à la bonne distance pour avoir de l’eau liquide.
• Une atmosphère. La couche d’air qui entoure la Terre garde sa surface chaude la nuit, donne aux êtres vivants les gaz dont ils ont besoin, et presse assez sur les océans pour que leur eau reste liquide. Sur Mars, l’air est si ténu que l’eau liquide ne peut pas durer longtemps en surface : elle gèle ou se transforme en vapeur.

Remarque 13.5 (Y a-t-il eu de la vie sur Mars ?)

Puisque Mars a eu autrefois des rivières et des lacs, les scientifiques se demandent si de minuscules êtres vivants ont pu y vivre, il y a très longtemps, quand Mars était plus chaude et humide. Les scientifiques ne s’attendent pas à trouver des êtres vivants sur Mars aujourd’hui ; avec des robots mobiles, ils cherchent dans ses roches des traces d’une vie qui aurait existé il y a très longtemps.

13.5 La Terre vue de l’espace

Pendant des milliers d’années, les hommes n’ont pu qu’imaginer à quoi leur planète ressemblait vue de l’extérieur. Le 24 décembre 1968, les astronautes d’Apollo 8, en orbite autour de la Lune, ont vu la Terre se lever au-dessus de l’horizon gris de la Lune, et l’un d’eux, Bill Anders, a pris la photographie ci-dessous.

Vue de l’espace, la Terre est surtout bleue : l’océan couvre environ sept dixièmes de sa surface. Des nuages blancs de gouttelettes d’eau tourbillonnent au-dessus, et de la glace blanche couvre les pôles. Les terres sont brunes là où elles sont sèches, vertes là où poussent des plantes. L’air lui-même est invisible, mais les nuages qui y flottent montrent qu’il est là. De toutes les planètes du Système solaire, seule la Terre montre ces couleurs réunies : de l’eau liquide, des nuages et des plantes vivantes.

Histoire des sciences — Le point bleu pâle

Le 14 février 1990, la sonde spatiale Voyager 1 se trouvait à environ 6 milliards de kilomètres du Soleil, plus loin que Neptune. Avant de laisser le Système solaire derrière elle, elle a tourné sa caméra et pris une image de la Terre. Sur la photographie, notre planète n’est qu’un seul point brillant, plus petit qu’un grain de poussière, pris dans un rayon de soleil. L’astronome Carl Sagan a écrit à son sujet : « Regardez encore ce point. C’est ici. C’est chez nous. C’est nous. »

13.6 Exercices

Exercice 13.1 ★

Range les huit planètes du Système solaire dans l’ordre, de la plus proche du Soleil à la plus lointaine. Souligne les planètes rocheuses.

Solution

Solution de Exercice 13.1.

Mercure, Vénus, la Terre, Mars, Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune. Les planètes rocheuses sont les quatre premières.

Exercice 13.2 ★

Recopie et complète : « Une planète rocheuse est petite et …, avec une … solide. Une planète géante est très grande, de faible …, faite surtout de … et de … »

Solution

Solution de Exercice 13.2.

« Une planète rocheuse est petite et dense, avec une surface solide. Une planète géante est très grande, de faible masse volumique, faite surtout de gaz et de liquides. »

Exercice 13.3 ★

D’après le tableau de ce chapitre, quelle planète a le diamètre le plus proche de celui de la Terre ? Quelle est la plus grande planète ? La plus petite ?

Solution

Solution de Exercice 13.3.

Vénus (12 104 km, contre 12 756 km pour la Terre). La plus grande est Jupiter (142 984 km) ; la plus petite est Mercure (4 879 km).

Exercice 13.4 ★

Vrai ou faux ? Corrige les phrases fausses. (a) Vénus est couverte d’océans. (b) Mars est plus froide que la Terre. (c) Les planètes géantes sont les quatre planètes les plus proches du Soleil. (d) Saturne est moins dense que l’eau.

Solution

Solution de Exercice 13.4.

(a) Faux : Vénus n’a pas d’eau liquide ; il y fait bien trop chaud. (b) Vrai ($-65$ $^\circ$C en moyenne, contre 15 $^\circ$C). (c) Faux : les quatre planètes les plus proches du Soleil sont les planètes rocheuses ; les planètes géantes sont les quatre plus lointaines. (d) Vrai : environ 0.7 gramme par centimètre cube.

Exercice 13.5 ★★

Le diamètre de Mercure est de 4 879 km, celui de la Terre de 12 756 km. Calcule le diamètre de Mercure en pourcentage de celui de la Terre, arrondi à l’unité.

Solution

Solution de Exercice 13.5.

$4879 \div 12756 \approx 0.382$, soit 38 % : Mercure est un peu plus large que le tiers de la Terre.

Exercice 13.6 ★★

Combien de Terres, côte à côte, tiendraient sur le diamètre de Saturne (120 536 km) ? Arrondis à l’unité. Saturne est-elle une planète rocheuse ou une planète géante ?

Solution

Solution de Exercice 13.6.

$120536 \div 12756 \approx 9.4$ : environ 9 Terres. Saturne est une planète géante.

Exercice 13.7 ★★

Les astronomes ont découvert des planètes autour d’autres étoiles. La planète A a une masse volumique de 1.1 gramme par centimètre cube et elle est 9 fois plus large que la Terre. La planète B a une masse volumique de 5.0 grammes par centimètre cube et elle est un peu plus petite que la Terre. Laquelle est une planète rocheuse, et laquelle une planète géante ? Explique.

Solution

Solution de Exercice 13.7.

La planète A est une planète géante : elle est très grande et sa masse volumique, 1.1 gramme par centimètre cube, est faible, comme celle des planètes géantes du Système solaire (entre 0.7 et 1.7). La planète B est une planète rocheuse : elle est petite et sa masse volumique, 5.0, est élevée, comme celle des planètes rocheuses (entre 3.9 et 5.5).

Exercice 13.8 ★★

D’après le diagramme des températures des planètes : (a) de combien de degrés Vénus est-elle plus chaude que la Terre ? (b) De combien de degrés Mars est-elle plus froide que la Terre ?

Solution

Solution de Exercice 13.8.

(a) $464 - 15 = 449$ degrés de plus. (b) $15 - (-65) = 80$ degrés de moins.

Exercice 13.9 ★★

Mercure est la planète la plus proche du Soleil, mais Vénus est la plus chaude. Explique pourquoi.

Solution

Solution de Exercice 13.9.

Vénus a une atmosphère très épaisse de dioxyde de carbone, qui retient la chaleur du Soleil comme une lourde couverture et ne la laisse pas s’échapper. Mercure, plus proche du Soleil, n’a presque pas d’air : elle ne peut donc pas garder sa chaleur.

Exercice 13.10 ★★

La Terre est à 150 millions de kilomètres du Soleil et Mars à 228 millions de kilomètres. De combien de millions de kilomètres Mars est-elle plus loin du Soleil ? De quel pourcentage la distance de Mars est-elle plus grande que celle de la Terre (arrondis à l’unité) ?

Solution

Solution de Exercice 13.10.

$228 - 150 = 78$ millions de kilomètres de plus. $78 \div 150 = 0.52$ : la distance de Mars est plus grande de 52 % que celle de la Terre.

Exercice 13.11 ★★★

Un ami dit : « Mars a toujours été un désert sec ; il n’y a jamais eu d’eau là-bas. » À l’aide de ce chapitre, réponds-lui : qu’avait Mars il y a des milliards d’années, où est son eau aujourd’hui, et pourquoi l’eau liquide ne peut-elle pas durer à sa surface maintenant ?

Solution

Solution de Exercice 13.11.

Il y a des milliards d’années, Mars avait des rivières, des lacs et des crues : elle était plus chaude et plus humide. Aujourd’hui, son eau est gelée, dans la glace des calottes polaires et sous le sol près des pôles. L’eau liquide ne peut plus durer à sa surface parce que Mars est très froide ($-65$ $^\circ$C en moyenne) et parce que son air est si ténu que l’eau gèle ou se transforme vite en vapeur.

Exercice 13.12 ★★★

On dit parfois que Vénus est la jumelle de la Terre. Son diamètre vaut 95 % de celui de la Terre, et l’attraction de la pesanteur à sa surface vaut 8.9 sur une échelle où celle de la Terre vaut 9.8. (a) Calcule l’attraction de la pesanteur de Vénus en pourcentage de celle de la Terre, arrondie à l’unité. (b) Donne deux points sur lesquels Vénus ressemble à une jumelle de la Terre, et deux points sur lesquels elle ne lui ressemble pas.

Solution

Solution de Exercice 13.12.

(a) $8.9 \div 9.8 \approx 0.908$, soit 91 %. (b) Comme une jumelle : presque la même taille (95 % du diamètre de la Terre), presque la même attraction de la pesanteur, et c’est elle aussi une planète rocheuse. Pas comme une jumelle : elle est beaucoup plus chaude (464 $^\circ$C contre 15 $^\circ$C), son air est bien plus épais et fait de dioxyde de carbone avec des nuages d’acide, et elle n’a pas d’eau liquide.

13.7 Problème : Cartes postales de trois planètes

Problème 13.1

Problème du week-end — trois cartes postales de l’espace, et la force avec laquelle l’air de Vénus presse sur son sol

Trois sondes robotisées envoient chacune une carte postale, avec quelques nombres écrits au dos.

De Vénus	De la Terre	De Mars
Distance au Soleil : 108 millions de km.	Distance au Soleil : 150 millions de km.	Distance au Soleil : 228 millions de km.
Diamètre : 12 104 km.	Diamètre : 12 756 km.	Diamètre : 6 792 km.
Masse volumique : 5.2 g/cm$^3$.	Masse volumique : 5.5 g/cm$^3$.	Masse volumique : 3.9 g/cm$^3$.
Température moyenne : 464 $^\circ$C.	Température moyenne : 15 $^\circ$C.	Température moyenne : $-65$ $^\circ$C.
L’air presse sur le sol avec 92 bars. D’épais nuages d’acide.	L’air presse sur le sol avec 1 bar. Des océans et des nuages.	L’air presse sur le sol avec 0.01 bar. De la glace aux pôles.

Partie I — Les planètes comparées.

1. Range les trois planètes dans l’ordre de leur distance au Soleil.
2. De combien de millions de kilomètres Vénus est-elle plus proche du Soleil que la Terre ? De combien de millions de kilomètres Mars est-elle plus loin ?
3. Calcule le diamètre de Mars en pourcentage de celui de la Terre, arrondi à l’unité. Mars fait-elle environ le quart, la moitié ou les trois quarts de la largeur de la Terre ?
4. Ces trois planètes sont-elles des planètes rocheuses ou des planètes géantes ? Quels nombres des cartes postales te l’indiquent ?

Partie II — L’air.

5. Sur quelle planète l’air est-il le plus épais ? Sur laquelle est-il le plus ténu ?
6. Combien de fois moins l’air de Mars presse-t-il sur son sol que l’air de la Terre sur le nôtre ?
7. Vénus est plus proche du Soleil que la Terre, mais cela seul n’explique pas une température de 464 $^\circ$C. Que fait l’air de Vénus à la chaleur du Soleil ?
8. Combien de fois plus fort que sur la Terre l’air presse-t-il sur le sol de Vénus ? Pourquoi une sonde qui se pose sur Vénus doit-elle avoir des parois très solides ?

Partie III — L’eau et la vie.

9. À la surface de la Terre, l’eau gèle à 0 $^\circ$C et bout à 100 $^\circ$C. À l’aide des températures moyennes, explique pourquoi l’eau est liquide sur la Terre.
10. Que deviendrait un verre d’eau posé sur le sol de Vénus ? Sur le sol de Mars ?
11. Mars avait des rivières et des lacs il y a des milliards d’années. Que nous apprend cela sur le climat de Mars autrefois, comparé à celui d’aujourd’hui ?
12. Écris le dos de la carte postale de la Terre : en quelques phrases, donne quatre raisons pour lesquelles la vie est possible sur la Terre.

Solution

Solution de Problème 13.1.

1. Vénus (108 millions de km), la Terre (150), Mars (228).

2. $150 - 108 = 42$ : Vénus est 42 millions de kilomètres plus proche. $228 - 150 = 78$ : Mars est 78 millions de kilomètres plus loin.

3. $6792 \div 12756 \approx 0.532$, soit 53 % : Mars fait environ la moitié de la largeur de la Terre.

4. Toutes trois sont des planètes rocheuses : leurs masses volumiques (5.2, 5.5 et 3.9 grammes par centimètre cube) sont élevées, et leurs diamètres sont petits comparés à ceux des planètes géantes.

5. L’air le plus épais est celui de Vénus (92 bars) ; le plus ténu celui de Mars (0.01 bar).

6. $1 \div 0.01 = 100$ : l’air de Mars presse cent fois moins que l’air de la Terre.

7. Son épais air de dioxyde de carbone retient la chaleur du Soleil et ne la laisse pas s’échapper, comme une lourde couverture.

8. $92 \div 1 = 92$ : sur le sol de Vénus, l’air presse 92 fois plus fort que sur le sol de la Terre. Une sonde doit avoir des parois très solides pour ne pas être écrasée (et elle doit aussi résister à la chaleur et aux nuages d’acide).

9. La température moyenne de la Terre, 15 $^\circ$C, est comprise entre 0 $^\circ$C et 100 $^\circ$C : l’eau n’est ni gelée ni en ébullition, elle reste donc liquide.

10. Sur Vénus, à 464 $^\circ$C, bien au-dessus de 100 $^\circ$C, l’eau se mettrait aussitôt à bouillir et se transformerait en vapeur. Sur Mars, à $-65$ $^\circ$C, bien en dessous de 0 $^\circ$C, elle gèlerait (et se transformerait lentement en vapeur, parce que l’air est très ténu).

11. Il y a très longtemps, Mars était plus chaude et plus humide qu’aujourd’hui : de l’eau liquide pouvait couler à sa surface. Son climat a beaucoup changé : c’est aujourd’hui un désert froid et sec.

12. Par exemple : « Chères sondes, ici, sur la Terre, nous avons de l’eau liquide, dans les océans, les rivières et les lacs. Nos températures sont douces, 15 $^\circ$C en moyenne, entre le gel et l’ébullition de l’eau. Nous sommes à la bonne distance du Soleil, ni trop près ni trop loin. Et notre atmosphère nous garde au chaud, donne aux êtres vivants les gaz dont ils ont besoin et permet à l’eau de rester liquide. Voilà pourquoi la vie est possible ici. »