ENSM-SE / processus naturels /
terre_ronde
Avertissement au lecteur
Malgré plusieurs années d’existence, des modifications diverses et des ajouts variés, ce poly n’est toujours pas un cours complet. Ce n’est d’ailleurs pas son objectif. Sans doute trouverez-vous parfois au long de ces cent quarante pages, ici ou là, un fourmillement rebutant de connaissances typiques d’un cours, trop (?) pointues. Mais son propos est in fine de venir en aide au lecteur dans sa compréhension des processus naturels en le baladant dans des échelles de temps ou d’espace très variés et en tirant ici ou là sur la pelote par de multiples brins.
Car l’homme est bien devenu la 1ere espèce dont l’activité influencera le futur de notre planète. Il ne faut ni s’en enorgueillir ni en avoir peur, mais garder à l’esprit que les générations que nous formons aujourd’hui auront à agir demain en étant capable de considérer leur action en termes de problèmes globaux, dans leur complexité et dans le respect de l’autre, animal, végétal, minéral. Pour ces générations, de plus en plus peuplées et actives, appréhender de manière globale les processus naturels devient nécessité, car ces processus sont au cœur de toute politique de mitigation [1] , véritable pilier du développement durable. Viser à limiter l'intensité de certains aléas tels que ceux liés à des phénomènes climatiques et géologiques impose en effet d’en saisir les processus et les interactions. Et même si nous devions en venir à considérer cette politique de mitigation comme inaccessible (en terme de coût aussi bien que de technique), il resterait à fournir l’indispensable effort d’adaptation aux changements d’environnement qui, de toute manière, attendent notre espèce et auxquels, de toutes façons, nous n’échapperons pas !
La dilapidation des ressources naturelles est, pour les combustibles fossiles, irréversible pour la fraction déjà consommée. Elle est peut-être même impossible à réduire pour les sociétés les moins industrialisées [2] . Face à cette situation, le plus dérangeant n’est pas tant la disparition d’une énergie quand d’autres sont renouvelables et seront largement à la disposition de l’homme dans le futur, que l’épuisement d’un gisement source d’une foule d’applications autres qu’énergétiques. Nous, « Homo-Industrialicus » aurons à porter la culpabilité de la disparition de cette richesse aux yeux de ceux qui suivront. Oui, sur ce plan là, l’irréversibilité des nos actes est lourde. Peut-être cette responsabilité imposera-t-elle un changement de comportement de nos sociétés ?
S’agissant d’éléments utiles à la fabrication de nos objets et outils manufacturés, l’épuisement de la ressource est virtuel. Le recyclage devenu la norme constituera le nouveau gisement, délocalisé et permanent, dont la raréfaction sera presque seulement dépendante de la taille de la population mondiale [3] .
L’utilisation des
deux ressources vitales, l’air dont nous commençons à peine à saisir
l’importance d’une gestion, et l’eau, tombée du ciel et donc
toujours considérées comme bénédiction des dieux (utilisez à votre convenance
le singulier ou le pluriel), seront au cœur des préoccupations humaines
demain. Protéger et gérer nécessite une compréhension claire du cycle de
l’eau et des interactions entre tous les réservoirs. Passant par nos
besoins, cette eau merveilleuse rejoint un cours d’eau,
« diluteur » muet des rejets dont nous le chargeons, dont nous ne
connaissons que la surface. Parfois seulement (hélas), la vie de ce fleuve
vient nous rappeler au détour d’une angoisse médiatisée que nous nous
sommes forgé un vrai souci (eg. Les PCB du Rhône). Certes, les pays
industrialisés ont pris conscience qu’ils ont les moyens de
s’éviter des problèmes à venir et l’eau de nos rivières devient
chaque jour moins sale. Pour le reste, l’immensité océanique si mal
connue
[4]
sert
encore trop souvent de boîte de Pandore à nos déchets, de garde-manger
inépuisable (?), de moyen de circulation sans entretien pour nos marchandises
[5]
sur des
bateaux pollueurs (fortunes de mer, dégazages, conteneurs etc.) parfois des
quasi-épaves flottantes
[6]
…
Tous ces problèmes ne sont pas récents. Le Nouvel Obs écrivait en 2000, N°1879, « 40 000 navires de plus
de 300 tonneaux sillonnent en permanence les océans et un bateau rejoint tous
les trois jours le fond des mers » et de rajouter, presque en commentaire par anticipation à notre
propos, « Mais plus que naufrages et dégazages
sauvages, c’est la terre et ses fleuves poubelles qui polluent massivement
la mer »
Bref, inconsciemment ou pas, l’homme d’aujourd’hui a largement mutualisé ses déchets, et choisi une démarche communautaire conflictuelle [7] pour gérer la ressource. Il eut mieux valu une approche systémique à l’échelle de la ressource et des déchets générés, pour une gestion commune…
Toutefois, notre regard est en train de changer. La perception de la finitude du milieu qui nous accueille (espace et temps), dont la mondialisation n’est qu’une des manifestations, est en train de se faire jour. Elle vient s’ajouter à celle de la diversité croissante et non finie des connaissances indispensables à la prise en compte de la complexité des processus mis en jeux.
L’approche systémique de l’interface
géosphère ∩ Atmo-hydro-sphère ∩
biosphère
est une absolue
nécessité pour mieux aider à comprendre et à réduire la vulnérabilité des
enjeux qui nous attendent… Ce dernier point n’est déjà plus notre
propos, et nous limiterons les objectifs de ce poly à fournir quelques unes
des clefs indispensables pour
appréhender les processus naturels
de manière globale.
Il s’agit là
d’une obligation particulière, qui impose une remobilisation très forte
de nos modes de fonctionnement. J’emprunterai à Edgar Morin la prise de
conscience qu’il nous faut faire que la cause profonde du danger qui nous
guette « est d'abord dans l'organisation de notre
savoir en systèmes d'idées, de théories, d'idéologies », que la
science peut, par spécialisation excessive,
conduire vers « une nouvelle ignorance liée au développement de la science
elle-même, à l'usage dégradé de la raison. Tant que nous ne relions pas les
connaissances selon les principes de la connaissance complexe, nous restons
incapables de connaître le tissu commun des choses… …les erreurs
progressent en même temps que nos connaissances. N'est-il pas urgent de
réinterroger une raison qui a produit en son sein son pire ennemi, la
rationalisation?
Utiliser ce poly
dans le but d’assembler vos savoirs en une trame vous donnant à lire la complexité du monde est beaucoup plus fondamental que
d’apprendre par cœur tel ou tel nom de roche ou de minéral.
C’est en le lisant que vous distinguerez quels sont les bagages nécessaires,
quels viatiques il vous faudra porter pour connaître le tissu commun des choses
sur 5.6 milliard d’années d’une histoire toujours renouvelée (à
différentes échelles), de l’inerte au vivant, ou comme l’aurait dit
C. Allègre, « de la pierre à l’étoile ».
De la sorte, j’espère que le promeneur trouvera dans cette lecture un tremplin vers de nombreux sites web ou bouquins et une aide pour relier entre eux les multiples savoirs qu’il aura ainsi acquis ou replacés.
Bonne
lecture…
J.L.B.
ouvrages consultés et illustrations
Bonne lecture
retour
Introduction
Un trop bref historique
Une remarque s’impose : la géologie et
sa sœur jumelle au combien plus âgée, l’astronomie, se distinguent considérablement
des autres sciences car l’expérience qu’elles étudient est unique, et contient
ses expérimentateurs. Ni l’astronome ni le géologue ne peuvent agir sur le
milieu qu’ils étudient, pour des raisons d’échelle de temps ou d’espace, et ils
doivent donc se contenter de l’observer ponctuellement de l’intérieur ; le
risque de se tromper est donc grand ! Aussi, la collection des
informations sur des temps qui dépassent souvent la durée de vie des
observateurs a-t-elle joué et joue-t-elle encore un rôle essentiel dans le
progrès de ces sciences. La bibliothèque d’Assurbanipal
contenait au ~
[8]
VII° siècle des tablettes astronomiques
dont les plus anciennes remontent sans doute au ~XX° siècle. Ces tablettes évoquent la marche en
zigzag des planètes par rapport aux constellations, et contiennent des tables
des éclipses passées, qui servaient à prédire celles à venir. On comprend bien
ici comment le développement de ces sciences passe largement par le stockage et
l’analyse d’observations fiables, et donc parallèlement par l’accroissement des
performances des instruments de l’observation. Toutefois, nous en arrivons vite
à un tel degré d’accumulation de résultats, de multiplicité des méthodes
d’études, que le nombre des paramètres mesurés devient trop important pour que
nous puissions les appréhender dans leur ensemble. Cela nous force souvent à recourir
à l’image (e.g. les cartes), dont « l’immanence » parle mieux à notre
cerveau que de longues colonnes de nombres. Néanmoins, pour bien comprendre les
systèmes naturels complexes, il devient urgent d’apprendre à combiner l’ensemble
des informations, en se dépouillant de l’inutile par la sélection des
observations, et en confrontant l’information à la théorie éphémère, dans un
aller-retour ouvert et fécond sans hiérarchie de valeurs. Porte ouverte ?
Il n’est que de regarder par exemple nos débats modernes qui rassemblent
souvent Grands Scientifiques et Politiques pour constater que l’argumentaire
idéologique est encore largement présent, et pas toujours seulement chez le
Politique !…
Par contre, Anaxagore avait eu à la même époque (~V° siècle) l’intuition que les planètes et
Si, au ~II°
siècle, Hipparque allait faire l’invention
géniale de la précession des équinoxes (
[9]
),
il allait hélas aussi réinventer le géocentrisme. Pire, il allait être suivi
quatre siècles plus tard par Ptolémée.
Dans son ouvrage « de Megalê Syntaxi »,
rédigé en grec mais très répandu grâce à une traduction latine (« Almagestum »), Ptolémée invente en effet la théorie des
épicycles. Cette idée est si brillante qu’elle nous inspirera jusqu’à la renaissance.
Il est vrai que le discours sur les astres de Ptolémée s’ajuste parfaitement à
plusieurs siècles d’observations, et fait naître des tables numériques et des
règles de calcul très performantes, qui permettent de prédire avec précision le
positionnement des planètes et des étoiles. Les connaissances des grecs nous
seront transmises par les Arabes, enrichies de nouvelles observations acquises
par la construction d’observatoires réputés, comme celui de Bagdad au IX°
siècle. Le principal mérite reconnu aux romains est d’avoir su archiver et
traduire les connaissances de leurs administrés.
Les tables de calcul de Ptolémée seront
réécrites au XIII° siècle sous Alphonse X de Castille (Tables
Alphonsines), car le rôle essentiel de l’astronomie et de la médecine
de l’époque se confond encore, comme dans l’antiquité, avec ce que nous nommons
aujourd’hui astrologie. On voit encore mal comment, face à tant de cyclicité,
tant de prédictibilité, l’esprit humain pourrait un jour admettre
définitivement qu’il n’est pas régit par un Ordre supérieur. Même de nos jours,
bousculée par l’astronomie moderne, la « science divinatoire» a
certes quitté le panthéon astronomique, mais c’est pour mieux crédibiliser le
thème astral, le tarot ou la boule...
Pour la première fois depuis Aristarque,
le Soleil revient au centre de notre monde avec les redécouvertes de Copernic (« Commentariolus » écrit en 1514 et « De Revolutionibus orbium coelestium », 1543). Il
remplace les sphères de Ptolémée par des «orbes» solides qui entraînent chacune
des planètes autour du Soleil. Pourtant, l’œuvre de Copernic n’est déterminante
que parce qu’elle implique l’héliocentrisme. Elle ne repose sur aucune observation
nouvelle, et si Copernic place le Soleil au centre du monde, c’est seulement
parce qu’il est l’astre le plus brillant et que c’est de lui qu’émanent chaleur
et lumière. En outre, il considère comme les philosophes anciens que le
mouvement circulaire et uniforme est le seul possible car «le plus
parfait ». Dans la 2° moitié du XVI° siècle, Tycho
Brahe fait construire par Frédéric, roi de Danemark, un observatoire
remarquablement instrumenté, qui lui permet d’accumuler 20 ans d’observations
systématiques de
L’Eglise ne s’opposa pas tout de suite au
système de Copernic. Elle, qui considérait la création de Dieu comme parfaite
et donc immuable(
[10]
),
n’y voyait qu’une nouvelle méthode de calcul des tables des planètes. Ce n’est que
lorsqu’elle réalisa que cela remettait en cause le géocentrisme d’Aristote qu’elle
réagit, en brûlant vif en 1600 le disciple de Copernic Giordano
Bruno qui affirmait que les étoiles sont d’autres soleils, puis
en condamnant Galilée en 1633. En effet,
grâce à l’usage de la lunette (1610), les observations de Galilée sur la
rotation du Soleil, les satellites de Jupiter et les phases de Vénus,
témoignaient avec une précision redoutable en faveur du système de Copernic.
Parallèlement, le médecin Fernel avait tenté
dès 1530 de mesurer un arc de 1° en partant de Paris. Après avoir parcouru 1°
de latitude vers le nord, il revint à son point de départ par le coche, en
comptant le nombre de tours de roue effectué par celui-ci. Après moult
corrections de topographie, il obtint la valeur de
Dans Philosophiae naturalis
principia mathematica , qui est souvent considérée, avec le De revolutionibus de Copernic, comme une des œuvres majeures
de l’esprit humain, Isaac Newton
allait enfin formuler en 1687 la synthèse tentée pendant tant de siècles entre
les phénomènes terrestres et célestes, et mise au goût du jour par Copernic,
Brahe, Galilée et Kepler. Principe de l’inertie, loi de l’accélération F = mg, et enfin principe
de l’action et de la réaction constituent la base de l’ouvrage. Ensuite, à
partir des lois de Kepler, Newton remonte à la cause première, la gravitation
universelle: «Deux corps quelconques s’attirent
en raison directe de leurs masses, et en raison inverse du carré de la distance
de leur centre de gravité». Certes, la vulgarisation définitive des
idées des grecs anciens et des coperniciens devra attendre les vues prises des
grands télescopes et des satellites qui nous en apporteront la confirmation par
l’image, mais avec Newton les outils du raisonnement sont déjà en place et la
planétologie peut dès lors avancer à grand pas.
Au début
du XVIII° siècle, à la suite d’une mesure erronée de la longueur du méridien
Dunkerque-Perpignan, Cassini
prétendait, en désaccord avec les idées de Newton, que
Néanmoins, dès la fin du XIX° siècle, Wiechert avait montré par l'analyse des mouvements du globe que
1 - l'atmosphère - Associée à l’hydrosphère, elle regroupe
les éléments volatils et gaz rares; son histoire est encore largement controversée
2 - le manteau - Il est solide et de nature silicatée; la croûte
terrestre, elle aussi de nature silicatée ne représente qu’une pellicule
superficielle à la surface du manteau dont elle dérive ; longtemps mise en
doute, la séparation du manteau en deux réservoirs largement indépendants est
maintenant reconnue, avec un manteau inférieur relativement primitif et un manteau
supérieur appauvri parce qu’ayant donné naissance à la croûte terrestre.
3 - le noyau - Il est liquide et de nature métallique
(fer) ; le cœur, ou graine, est solide.
Les mêmes coupures, avec présence d'un noyau métallique Fe ou
Fe+S, sont observables sur les autres planètes dites « telluriques » ou planètes rocheuses proches du soleil (Fig. 1a), alors
que les planètes plus éloignées, à cœur rocheux de petite taille, dites « joviennes » ou planètes gazeuses, n'ont pas de noyau métallique
Fe ou Fe+S (Fig. 1b). Les télescopes puissants du XX° siècle auront largement
contribué à l’observation des 9 planètes de notre système (Tableaux 1 à 3),
mais il reste beaucoup à faire pour en comprendre la physique, la chimie, et
par delà, l’origine et le devenir.
Notons ici que
la distribution des masses volumiques des corps du système solaire n’est pas
quelconque (tableau 2 et fig.2). Situées au voisinage du Soleil, les planètes
rocheuses et leurs satellites ont une masse volumique élevée (r>3Kg/dm3) dans la première
séquence. Elles sont donc très largement appauvries en éléments légers par rapport
au reste. Mercure, Vénus et Mars voient leur masse volumique décroître avec la
distance au Soleil. Le couple Terre-Lune n’obéit pas à cette loi (r= 5.52 et r=3.34 respectivement), même si le
barycentre des deux masses volumiques (pondéré par les volumes) occupe une
place moins anormale (r= 5.46). La naissance tourmentée de ce couple, que l’on
pourrait presque considérer comme une planète double, est une cause probable de
perte supplémentaire en éléments légers (cf. chapitre 4). Jupiter (en vert) est
la première des planètes externes (gazeuses) ; elle appartient à la
deuxième séquence, mais montre encore de nombreux satellites dont le masse
volumique moyenne supérieure à 2 les situe encore dans la première séquence de
la figure 2. Saturne (deuxième planète gazeuse) et son cortège (violet),
apparaissent clairement comme les corps les moins denses de notre
système ; ils constituent toute la troisième séquence et la partie
«légère» de la deuxième. Enfin, Uranus (marron), Neptune (bleu) et Pluton (cyan)
se rangent par ordre croissant de masse volumique avec leur distance au Soleil,
et appartiennent toutes trois à la séquence moyenne, de densité voisine de
celle du Soleil (en jaune). Une telle distribution des masses volumiques autour
d’un minimum assez éloigné du Soleil (Saturne) impose une histoireprécoce
complexe à notre étoile et à son cortège de planètes, nous y reviendrons.
Tableau 1:
Les planètes du système solaire et leurs satellites
|
VÉNUS |
MERCURE |
TERRE |
MARS |
JUPITER |
SATURNE |
URANUS |
NEPTUNE |
PLUTON |
|
|
|
Lune |
Phobos Deimos |
Métis |
Atlas Epiméthée Pandore Phoebé |
Miranda . |
Triton Néréide |
Charon |
Tableau 2: Planétologie comparée : rayons et
masses volumiques du Soleil, des planètes et de leurs satellites
|
Corps |
Rayon |
Masse Volumique |
|
Corps |
Rayon |
Masse Volumique |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Soleil |
695000 |
1.41 |
|
|
|
|
|
Mercure |
2440 |
5.42 |
Saturne |
60268 |
0.69 |
|
|
Venus |
6052 |
5.25 |
Pandore |
45 |
0.7 |
|
|
Terre |
6378 |
5.52 |
Prométhée |
50 |
0.7 |
|
|
Lune |
1737 |
3.34 |
Epiméthée |
55 |
0.7 |
|
|
Mars |
3397 |
3.94 |
Janus |
90 |
0.67 |
|
|
Phobos |
10 |
2 |
Phoebé |
110 |
0.7 |
|
|
Deimos |
6 |
1.7 |
Hypérion |
150 |
1.4 |
|
|
Jupiter |
71492 |
1.33 |
Mimas |
196 |
1.17 |
|
|
Léda |
8 |
2.7 |
Encelade |
250 |
1.24 |
|
|
Adraste |
10 |
4.5 |
Thétis |
530 |
1.21 |
|
|
Ananké |
15 |
2.7 |
Dioné |
560 |
1.43 |
|
|
Sinope |
18 |
3.1 |
Iapetus |
730 |
1.21 |
|
|
Lysithée |
18 |
3.1 |
Rhéa |
765 |
1.33 |
|
|
Métis |
20 |
2.8 |
Titan |
2575 |
1.88 |
|
|
Carmé |
20 |
2.8 |
Uranus |
25559 |
1.29 |
|
|
Pasiphae |
25 |
2.9 |
Miranda |
236 |
1.15 |
|
|
Elara |
38 |
3.3 |
Ariel |
579 |
1.56 |
|
|
Thébé |
50 |
1.5 |
Umbriel |
585 |
1.52 |
|
|
Amalthée |
90 |
1.8 |
Obéron |
761 |
1.64 |
|
|
Himalia |
93 |
2.8 |
Titania |
789 |
1.7 |
|
|
Europe |
1569 |
3.01 |
Neptune |
24764 |
1.64 |
|
|
Io |
1815 |
3.55 |
Triton |
1350 |
2.07 |
|
|
Callisto |
2403 |
1.86 |
Pluton |
1137 |
2.05 |
|
|
Ganymède |
2631 |
1.94 |
Charon |
586 |
1.83 |
Tableau
3: planétologie comparée
|
Planète |
Mercure |
Vénus |
Terre |
Lune |
Mars |
Jupiter |
Saturne |
Uranus |
Neptune |
Pluton |
|
Distance au soleil (u.a.
[11]
) |
0.387 |
0.723 |
1.000 |
|
1.523 |
5.202 |
9.538 |
19.l8l |
30.057 |
39.44 |
|
Période de révolution (jours) |
87.969 |
224.701 |
365.256 |
27.321 |
686.980 |
4332.589 |
10759.22 |
30685.4 |
60189.0 |
90465.0 |
|
Temps de rotation |
58.65j |
-243.01 |
23.934 h |
Id |
24.622h |
9.841 h |
10.233 h |
l7.2 h |
l7.8h |
L6.38 h |
|
Obliquité de l’axe
de rotation |
0° |
- 2° |
23.44° |
L 6.41 ° |
23.98° |
3.08° |
29° |
97.92° |
28.80° |
? |
|
Inclinaison sur l’écliptique |
7.00 |
3.39 |
- |
1.32 |
1.85 |
1.3 |
2.49 |
0.77 |
1.77 |
17.2 |
|
Excentricité de l’orbite |
0.205 |
0.006 |
0.016 |
0.055 |
0.093 |
0.048 |
0.055 |
0.047 |
0.008 |
J 0.250 |
|
Rayon équatorial (km) |
2439 |
6052 |
6378 |
1738 |
3397 |
71998 |
60000 |
26145 |
24300 |
l20O? |
|
Rayon polaire |
2439 |
6052 |
6356.5 |
1738 |
3380 |
66770. |
54000 |
? |
23650 |
? |
|
Aplatissement |
O |
O |
r 0.003 |
0 |
0.005 |
0.062 |
0.105 |
? |
0.02 |
? |
|
Masse (unité de masse :Terre) |
0.055 |
0.815 |
1.000 |
0.12 |
0.107 |
317.893 |
95.147 |
14.54 |
17.23 |
0.002 ? |
|
Densité moyenne |
5.42 |
5.25 |
5.52 |
3.34 |
3.94 |
1.314 |
0.69 |
1.19 |
1.71 |
r 0.6-l.7? |
|
Pesanteur à l’équateur |
3.78 |
8.60 |
9.78 |
1.63 |
3.72 |
22.88 |
9.05 |
7.77 |
11.00 |
r 4.3? |
|
Vitesse de libération (km/s) |
4.3 |
10.3 |
1.2 |
2.37 |
5.0 |
59.5 |
36.6 |
21.22 |
23.6 |
5.3 ? |
|
Nombre de satellites connus |
O |
O |
1 |
- |
2 |
17 |
21 |
15 |
8 |
|
|
Champ magnétique |
1/100 du
champ terrestre |
non |
3.3.10-5T à 7.10-5
T |
Faible Et
fossile |
2/100 du
champ terrestre |
4. lO-4
T à 15.10-4
T |
oui |
oui |
oui? |
? |
|
Température au sol |
+430°C- |
|
+ |
+ - |
|
|
|
|
|
? |
|
Albédo |
0.055 |
0.7 |
039 |
0. 1 2 |
0. 1 54 |
0.45 |
0.45 |
0.46 |
0.53 |
0.6 |
|
Atmosphère |
non |
C02 96:5%
N2 3.5% |
N2 78% O2 21% |
Non |
CO2 95% N2 5 % |
He 17% H2 82% |
93% H2 |
H2 |
Oui mal
connue |
oui |
|
Pression au sol |
- |
95 bars |
1 bar |
- |
qq mbar |
? |
? |
? |
? |
? |
|
Particularités géologiques remarquables |
Pas d’évolution depuis 3.5. l09 années au
moins |
Révolution
Rétrograde Atmosphère dense |
.Présence
de vie Un gros satellite : la Lune |
Satellite
de la Terre |
Présence de
glace d’eau |
Rayonne 2.5
fois + d’énergie qu’il n’en reçoit
Anneaux |
Rayonne 1.8
fois + d’énergie qu’il n’en reçoit
Anneaux |
Présence d’anneaux Révolution rétrograde |
La plus
dense des géantes Anneaux |
Peut-être
un ancien satellite de Neptune? |
|
Principaux atomes reconnus (à la surface pour les planètes
telluriques) |
Si O Fe Ti |
Si Al Mg Fe O |
Si O Al Mg Mn Fe K Ca Ti |
Si Al O Ca Mg Fe |
Si O Al Mg Fe S Mg Ca |
Présence d’un
petit noyau de silicates et de glaces entouré d’hydrogène et d’hélium sous forte pression et sans
doute à l’état métallique |
? |
|||
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