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L'eau et la vie grâce à la position de la Terre dans le système solaire

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Objectifs :

Comment peut-on expliquer la présence de Vie sur la planète Terre ?
Quels paramètres favorisent la présence d’eau liquide à la surface d’une planète ?

L’Univers « connu » est hiérarchisé. Il est formé d’une multitude de galaxies dont la « Voie Lactée » qui comprend entre autres notre système solaire.
La planète Terre est la seule planète où on peut détecter de la Vie.
L’observation de la planète Terre par les images satellitales révèle une particularité : elle est la seule planète à posséder à sa surface de l’eau liquide (70 % de se surface sont recouverts par les océans). On l’appelle la planète bleue. La présence de Vie peut être corrélée à la présence de cette eau liquide.
L’eau existe sous trois états : solide (glace), liquide et gaz. Les changements d’états de l’eau pourraient dépendre de la température mais aussi de la pression.

1. Influence de la distance au Soleil sur la température de surface

Approche expérimentale :
Si on éclaire un objet par une source lumineuse et que l’on éloigne progressivement cet objet de la source de lumière, on constate que la quantité de lumière reçue par cet objet diminue.

Ainsi, à l’échelle du système solaire, plus une planète est éloignée du Soleil (source de lumière) moins elle reçoit d’énergie solaire. Or, la quantité d’énergie solaire reçue par une planète conditionne sa température à la surface.
Donc, plus une planète est éloignée du Soleil, plus sa température de surface est faible (Tableau 1.).

Planète	Mercure	Vénus	Terre	Mars	Jupiter	Saturne	Uranus	Neptune
Distance au soleil (en millions de km)	58	108	150	228	778	1427	2871	4497
Température théorique (en °C)	+140	+30	-18	-60	-175	-180	-220	-230
Température réelle (en °C)	+140	+470	+15	-50	-175	-195	-220	-230

Tableau 1. Comparaison des températures de surface théoriques et réelles des
planètes du système solaire

On constate que les planètes Vénus, Terre et Mars ont une température réelle de surface supérieure à la température théorique calculée en fonction de la distance.

Ces trois planètes possèdent une atmosphère.

2. Influence de l'atmosphère sur la température de surface

a. Influence de la gravité sur la présence d'une atmosphère

La loi de la gravitation universelle établie par Newton propose que « Deux corps quelconques s’attirent en raison directe de leur masse et en raison inverse du carré de la distance et leur centre de gravité ».
Ainsi, plus la masse d’une planète sera élevée, plus elle aura la capacité de retenir des molécules permettant le maintien d’une enveloppe gazeuse à sa périphérie.
Une molécule gazeuse dans une atmosphère a une vitesse thermique directement proportionnelle à la température régnant dans l’atmosphère. Si cette vitesse est supérieure à la vitesse d’évasion de la planète (vitesse minimale que doit atteindre un corps pour s’éloigner indéfiniment d’une planète) alors la molécule gazeuse échappe à l’atmosphère.

Ainsi, pour qu’une planète puisse retenir une atmosphère, il faut que sa masse soit suffisante et que la température à sa surface ne soit pas excessivement élevée.

Planète	Mercure	Vénus	Terre	Mars
Masse volumique (en g. cm^-3)	5,4	5,3	5,5	3,9
Présence d'une atmosphère	-	+	+	+
Pression atmosphérique (en hPa)	2.10^-9	9.10⁴	10⁵	6

Tableau 2. Comparaison des masses volumiques et caractéristiques physiques
des atmosphères des planètes du système solaire

On constate que les planètes telluriques, bien qu’elles aient des masses volumiques proches ne possèdent pas toutes une atmosphère (elle est inexistante sur Mercure). La distance de la planète au Soleil est aussi un paramètre qui conditionne la présence et la densité de l’atmosphère.

b. Influence de la composition de l'atmosphère

Si on compare la composition en gaz des atmosphères de Vénus, la Terre et Mars on constate que la présence de gaz tels que le dioxyde de carbone ou la vapeur d’eau favorise une augmentation de la température réelle de surface par rapport à la température théorique (Tableau 3.).

Planètes		Vénus	Terre	Mars
Pression atmosphérique par rapport à la P. atmos. terrestre		93	1	1/140
Composition de l'atmosphère (en %)	CO₂	93	0,03	95
	N₂	3	78	5
	0₂	-	21	-
	H₂O	0,1	1 à 3	traces
Température moyenne de surface (en °C)		470	15	-50
Température moyenne théorique (en °C)		30	-18	-60

Tableau 3. Comparaison des compositions caractéristiques chimiques et physiques des atmosphères des planètes du système solaire

Ces gaz sont appelés gaz à effet de serre. Ce sont des gaz qui peuvent absorber les rayonnements infrarouges émanant de la surface de la planète et réémettre des rayonnements infrarouges à la surface de la planète. Ainsi, ils permettent de chauffer une deuxième fois la planète après qu’elle ait reçue le rayonnement issu du Soleil (Doc. 1.).

Doc. 1. Principe de l'effet de serre

Dioxyde de carbone et vapeur d’eau sont responsables de l’effet de serre naturel. Il existe sur la planète Terre un effet de serre additionnel dû à la présence dans l’atmosphère de gaz émis par les activités humaines (ozone, Halocarbones, méthane,…). Cet effet de serre additionnel est aujourd’hui responsable du dérèglement climatique.

3. Les conditions nécessaires à la présence d'eau liquide

L’état de l’eau à la surface d’une planète dépend directement de la température de surface réelle et de la pression atmosphérique (dépendante de la présence de gaz à la surface de la planète).
Sur Terre, à la pression atmosphérique de 1 bar l’eau se solidifie à 0°C et se vaporise à 100°C.

Approche expérimentale :
On place un récipient rempli d’eau dans une cloche à vide dans laquelle il règne une température constante de 22°C. On fait alors le vide dans la cloche (on diminue la pression atmosphérique). On constate que l’eau entre en ébullition à 22°C.

Le diagramme suivant appelé « diagramme des phases » indique l’état de l’eau dans différentes conditions de température et pression (Doc. 2.). Si on tient compte des conditions de température de surface et de pression atmosphérique on constate qu’à la surface de Mars l’eau ne peut exister que sous forme gazeuse et solide aux pôles. A la surface de Vénus, l’eau ne peut exister que sous forme gazeuse (dans l’atmosphère).

Doc. 2. Diagramme des phases et état de l’eau sur Vénus, Terre et Mars

Par contre, la Terre est originale puisque l’eau est présente sous forme liquide et dans certaines conditions de température elle peut être aussi présente sous forme solide ou gazeuse.

L'essentiel :

Ainsi, la présence d’eau liquide à la surface d’une planète dépend de deux paramètres physiques : les conditions de température de surface et la pression atmosphérique. Ces deux paramètres dépendent de la position de la planète dans le système solaire et des caractéristiques physiques de la planète.

La Terre occupe une position originale et est la seule planète à réunir toutes les conditions pour que l’eau existe sous ses trois états, notamment à l’état liquide.

L’eau sous son état liquide constitue un milieu favorable à la naissance et au développement de la Vie. On définit donc une zone d’habitabilité dans le système solaire qui correspond à une zone où l’eau peut rester sous forme liquide à la surface d’une planète. Elle serait comprise entre 0,95 et 1,67 UA (1 UA équivaut à la distance Terre-Soleil soit 150 millions de km).