La Terre
L’atmosphère et la magnétosphère de la Terre
La structure interne de la Terre et la tectonique
Le réchauffement climatique
L’atmosphère et la magnétosphère de la Terre
Après Vénus, nous arrivons à la Terre. Avec un diamètre de 12 800 kilomètres, légèrement supérieur à celui de Vénus, la Terre est la plus grande planète du système solaire interne. Elle orbite autour du Soleil à une distance moyenne de 150 millions de kilomètre en une année.
Cette distance sert de définition pour l’unité astronomique, une unité de distance utilisée pour mesurer les distances dans le système solaire. Le plan de l’orbite de la Terre autour du Soleil est appelé le plan de l’écliptique et sert également de référence dans le système solaire.
Les saisons
La Terre tourne sur elle-même en un peu moins de 24 heures, ce qui donne lieu à l’alternance des jours et des nuits.
Son axe de rotation est incliné de 23 degrés par rapport à la direction perpendiculaire au plan de l’écliptique. Cet axe garde une direction plus ou moins fixe par rapport aux étoiles, mais au cours de l’orbite terrestre, sa direction par rapport au Soleil change. C’est cette particularité qui donne lieu aux saisons.
Ainsi, à la fin du mois de juin, l’hémisphère nord de notre planète est légèrement penchée vers le Soleil et reçoit plus de rayonnement : les journées sont plus longues et les températures plus chaudes, l’été commence dans l’hémisphère nord.
Au contraire, à la fin du mois de décembre, c’est l’hémisphère sud qui est penchée vers le Soleil. Dans l’hémisphère nord, les journées sont plus courtes et les températures plus basses, c’est l’hiver qui commence.
Dans les périodes de transition, aucune des hémisphères n’est privilégiée, les températures sont moyennes, tout comme la longueur des journées, c’est soit le printemps, soit l’automne.
L’atmosphère de la Terre
L’une des caractéristiques qui distinguent notre planète est la composition de son atmosphère. Cette dernière contient 78 pour cent d’azote, 21 pour cent d’oxygène, le reste étant constitué de gaz rares comme l’argon, de gaz carbonique, de vapeur d’eau et de traces d’autres constituants, sans oublier de nombreuses particules en suspension.
En guise de comparaison, les planètes Vénus et Mars ont une atmosphère dominée par le gaz carbonique, avec un peu d’azote et pratiquement pas d’oxygène.
La grande quantité d’oxygène présente est une conséquence directe du phénomène terrestre le plus remarquable : la vie. C’est en effet le développement d’organismes vivants qui a lentement transformé notre atmosphère en y injectant de l’oxygène.
Les limites de l’atmosphère ne sont pas bien définies. La densité décroît avec l’altitude mais l’atmosphère est encore détectable à des milliers de kilomètres d’altitude.
Les variations de température avec l’altitude ont permis de définir plusieurs couches dans l’atmosphère.
A partir du sol, la température décroît jusqu’à atteindre un minimum de -55 degrés Celsius à une hauteur d’environ 10 kilomètres. Cette couche s’appelle la troposphère et contient les trois quarts de la masse totale de l’atmosphère. C’est là que se produisent tous les phénomènes météorologiques comme les nuages ou la pluie.
Au-dessus de la troposphère, la température remonte jusqu’à atteindre zéro degré Celsius vers une altitude de 50 kilomètres : c’est la stratosphère. On y trouve en particulier les molécules d’ozone qui jouent un rôle essentiel en absorbant les rayons ultraviolets du Soleil, les empêchant d’atteindre le sol. C’est d’ailleurs cette absorption qui produit l’augmentation de température dans la stratosphère.
Ensuite la température recommence à descendre jusqu’à 85 kilomètres, c’est la mésosphère, puis à remonter, c’est la thermosphère, la couche dans laquelle les petits corps du système solaire se consument en donnant lieu à des météores ou étoiles filantes.
Au-delà de 500 kilomètres environ, on parle de l’exosphère. A ce niveau, les principaux constituants sont l’hydrogène et l’hélium. Ceux-ci ne sont plus guère liés à la Terre et peuvent donc échapper à sa gravité et fuir vers le milieu interplanétaire.
Le magnétisme de la Terre
Un autre élément tout aussi important dans le voisinage de la Terre est le champ magnétique. Comme nous pouvons le vérifier tous les jours à l’aide d’une boussole, la Terre est pourvue d’un champ magnétique. Celui-ci trouve probablement son origine dans les courants électriques qui circulent dans la partie liquide du noyau de fer de notre planète.
L’axe du champ magnétique n’est pas aligné sur l’axe de rotation, mais incliné d’environ 11 degrés. Ceci explique que le pôle nord magnétique se trouve au Canada, relativement loin du pôle nord géographique défini par l’axe de rotation.
L’action du champ magnétique donne naissance à une région de l’espace, appelée la magnétosphère, dans laquelle le mouvement des particules est dicté par le champ magnétique terrestre.
La forme de la magnétosphère est définie par l’interaction des particules du vent solaire avec notre champ magnétique et dépend donc de l’activité de notre étoile. Dans la direction du Soleil, la magnétosphère s’étend en moyenne jusqu’à 60 000 kilomètres, mais dans la direction opposée, elle s’étire en formant une queue qui peut s’étendre jusqu’à des millions de kilomètres.
Lorsque les particules du vent solaire atteignent notre planète, la plupart sont déviées par le champ magnétique et contournent la magnétosphère. Les quelques particules qui réussissent à pénétrer sont piégées et se mettent à tourner en spirale autour des lignes de champ et à voyager alternativement d’un pôle magnétique à l’autre.
Ce mouvement donne naissance à deux zones riches en particules, les ceintures de rayonnement de Van Allen, du nom de leur découvreur. Chacune de ces zones a la forme d’un anneau qui entoure la Terre. La première se trouve à environ 5000 kilomètres d’altitude et contient surtout des protons énergétiques. La seconde se trouve à 25 000 kilomètres et contient des électrons et des protons d’énergie moindre. Notons que les ceintures de Van Allen constituent la première grande découverte faite par les satellites artificiels.
De temps à autre, en particulier après une éruption solaire, des électrons et des protons énergétiques réussissent à pénétrer dans la haute atmosphère au niveau des régions polaires. Elles ionisent alors les atomes et les molécules présentes et donnent lieu à un phénomène lumineux appelé aurore boréale ou australe selon le pôle en question.
Une aurore australe filmée depuis la station spatiale en 2011. Crédit : NASA
La structure interne de la Terre et la tectonique
Le système solaire interne
La structure interne de la Terre et la tectonique
Les monts Everest (à droite) et Makalu (à gauche), vus depuis la station spatiale internationale, au coeur de l’un des résultats les plus spectaculaires de la tectonique des plaques, le massif de l’Himalaya. Crédit : NASA
La structure interne de la Terre
L’observation des tremblements de terre et des ondes sismiques qu’ils produisent nous permet d’étudier la structure interne de notre planète. En observant en différents points du globe les vibrations créées par un tremblement de terre, il est possible de reconstruire la trajectoire que les ondes sismiques ont parcouru dans le globe. Comme cette trajectoire dépend de la nature des matériaux rencontrés, elle nous permet de remonter à la structure interne de notre planète.
Un autre moyen d’étude est l’analyse des roches éjectées par les volcans, qui nous révèle quant à elle la composition chimique des couches profondes.
Ce type d’étude a révélé que notre planète est constituée de trois couches qui diffèrent essentiellement par leur composition chimique.
La première couche en s’enfonçant dans le globe est l’écorce. Son épaisseur est d’une dizaine de kilomètres sous les océans et d’une quarantaine sous les continents. Cette couche est composée de roches sédimentaires, de granite et de basalte, ces constituants ayant été plus ou moins mélangés sous l’effet de l’activité géologique intense de la Terre.
En dessous se trouve le manteau, une couche solide d’environ 3000 kilomètres de profondeur, formée de silicates riches en fer et en magnésium.
Enfin, au centre se trouve au noyau essentiellement composé de fer et d’un peu de nickel. Ce noyau est en fait composé de deux couches : le noyau externe, liquide, et le noyau interne, solide. Au centre, la température est d’environ 5000 degrés Celsius et la pression plusieurs millions de fois celle de la surface.
La tectonique des plaques
L’une des caractéristiques qui fait de la Terre une planète très spéciale est la présence d’une tectonique des plaques.
La croûte et la partie externe du manteau forment une couche de quelques dizaines de kilomètres, appelée la lithosphère, qui se distingue par sa rigidité. En dessous se trouve l’asthénosphère, une couche moins rigide sur laquelle la lithosphère peut lentement se déplacer.
La lithosphère n’est pas faite d’un seul bloc, mais divisée en plusieurs plaques qui peuvent légèrement se déplacer les unes par rapport aux autres en glissant sur l’asthénosphère.
Ces plaques se déplacent sous l’effet de la convection dans le manteau. En effet, l’énergie produite par la désintégration de noyaux radioactifs au centre de la Terre est transportée vers l’extérieur par un phénomène de convection, les roches chaudes remontant vers la surface, les roches refroidies plongeant vers les profondeurs.
Ces mouvements de matière dans l’asthénosphère provoquent le déplacement des plaques de la lithosphère, un phénomène que l’on désigne sous le nom de tectonique des plaques. Ainsi par exemple, la plaque qui porte l’Amérique du Sud se sépare de celle qui porte l’Afrique à une vitesse d’environ trois centimètres par an.
La tectonique des plaques est responsable de la plupart des formations géologiques présentes sur Terre. Ainsi, lors de la collision de deux plaques, une chaîne de montagnes peut naître. C’est par exemple la collision des plaques portant l’Inde et la Chine qui a donné naissance à l’Himalaya. Il arrive également qu’une plaque plonge sous une autre – on parle de subduction – en menant au même résultat, comme dans le cas des Andes.
Les conséquences de l’activité géologique
L’une des conséquences les plus importantes de la tectonique des plaques est le renouvellement de la surface terrestre. Au milieu de l’océan atlantique se trouve une énorme crête appelée le rift océanique. A cet endroit, deux plaques se séparent et permettent à des roches fondues du manteau de remonter à la surface.
Le phénomène opposé se produit dans les zones de subduction où une plaque redescend vers les profondeurs.
Ainsi par le jeu de ces deux phénomènes, de la matière du manteau remonte en permanence à la surface avant de replonger après des centaines de millions d’années. La conséquence est un renouvellement permanent de la surface de la Terre, sans équivalent dans le système solaire.
Ceci explique en particulier que même si la Terre a été soumise à un intense bombardement météoritique dans sa jeunesse, toute trace a été effacée il y a très longemps et les cratères météoritiques sont maintenant rares à la surface de notre planète.
Une conséquence de l’activité de notre planète est l’injection de gaz carbonique dans l’atmosphère.
En effet, le gaz carbonique atmosphérique se dissout facilement dans les eaux de pluie et est rapidement injecté dans le sol sous forme de carbonates ou bien dissous dans les océans. S’il restait emprisonné dans les roches ou les océans, l’effet de serre sur notre planète diminuerait et la température se mettrait à chuter, comme ce fut le cas sur Mars.
L’injection dans l’atmosphère du gaz emprisonné dans les laves volcaniques permet au niveau de gaz carbonique d’être stable et assure une température modérée pour notre atmosphère.
Le système solaire interne
Le réchauffement climatique
La température moyenne de la Terre dans son ensemble n’est pas stable mais varie avec le temps, comme le prouve l’analyse des couches géologiques. Notre planète était par exemple plus froide d’une dizaine de degrés il y a 20 000 ans, lors de l’apogée de la dernière époque glaciaire.
Ces variations sont néanmoins très lentes, la température n’a ainsi fluctué que de 0,2 degré entre l’an mille et la fin du XIXe siècle. Le fait qui inquiète la communauté internationale à l’heure actuelle est l’accélération du phénomène, qui se produit dorénavant à une cadence inégalée dans le passé.
Ainsi, depuis la fin du XIXe siècle, en une centaine d’années à peine, la température moyenne du globe a augmenté de 0.85 degré. Pire, les simulations par ordinateur semblent indiquer que le réchauffement va s’accélérer et la température moyenne pourrait en conséquence augmenter de 2,7 à 4,5 degrés d’ici la fin du XXIe siècle.
C’est ce phénomène que l’on appelle le réchauffement climatique (ou réchauffement global ou planétaire).
L’effet de serre
Les variations de température de l’atmosphère sont généralement liées à différents facteurs comme les fluctuations de l’activité du Soleil ou de la vitesse de rotation de la Terre. Mais la majorité des scientifiques pensent que la cause majeure du réchauffement actuel de la planète est un phénomène différent, appelé l’effet de serre.
Il s’agit d’un processus par lequel une grande partie de l’énergie du Soleil qui atteint la Terre est emmagasinée par l’atmosphère de notre planète, plutôt que réfléchie et renvoyée vers l’espace.
La nature du rayonnement qu’émet un corps dépend de sa température. Le Soleil, avec une température de surface de 6000 degrés émet principalement dans le domaine visible et son énergie traverse facilement notre atmosphère.
Mais, comme la température de la Terre est beaucoup plus basse que celle du Soleil, notre planète réémet cette énergie sous forme de rayonnement infrarouge. Or, certains gaz de l’atmosphère comme le dioxyde de carbone, le méthane et le protoxyde d’azote, bien que transparents dans le domaine visible, sont opaques à la lumière infrarouge. Ils bloquent donc le rayonnement réémis, absorbent son énergie et se réchauffent.
Une grande partie de l’énergie solaire qui nous atteint est ainsi absorbée par l’atmosphère terrestre, un phénomène que l’on retrouve également à une échelle plus spectaculaire sur la planète Vénus.
La responsabilité humaine dans le réchauffement
La cause la plus probable de l’accélération de l’effet de serre et du réchauffement climatique depuis la fin du XIXe siècle est l’impact de l’homme sur son environnement.
D’énormes quantités de gaz à effet de serre sont en effet relâchées dans l’atmosphère par diverses activités modernes comme l’utilisation de combustibles fossiles dans l’industrie et les transports, ainsi que certaines pratiques agricoles comme le déboisement et l’élevage de bovins.
On estime ainsi par exemple que la concentration du dioxyde de carbone dans l’atmosphère a augmenté de 30 pour cent depuis le début de l’ère industrielle, ce qui contribue de manière non négligeable à l’effet de serre.
Les effets du réchauffement
Les effets du réchauffement se font déjà voir avec, par exemple, le retrait de certains glaciers, une montée d’une dizaine de centimètres du niveau des océans par expansion thermique de l’eau, ainsi que la réduction d’épaisseur de la calotte polaire arctique.
L’accélération du phénomène au cours du XXIe siècle devrait conduire à des effets plus marqués, en particulier une augmentation plus nette du niveau moyen des océans et des variations extrêmes dans les conditions météorologiques, avec à la clé vagues de chaleur et périodes de fortes précipitations.
Les effets se feront bientôt sentir sur les populations humaines avec plus d’inondations, plus de périodes de sécheresse, des problèmes d’approvisionnement en eau potable, le développement de maladies comme la malaria, la disparition de certaines zones côtières ou d’îles à basse altitude.
A plus long terme, on peut envisager des phénomènes comme la fonte de la calotte glaciaire qui recouvre le Groenland, ce qui résulterait en une montée de 6 mètres du niveau des océans, avec un impact sur la plupart des régions côtières du monde.
Sur les 150 dernières années, les glaciers alpins comme celui d’Aletsch en Suisse ont perdu la moitié de leur volume en moyenne. Auteur: Olivier Esslinger
Sources:
L’atmosphère et la magnétosphère de la Terre