Terre

Composition et structure




La Terre est une planète tellurique, ou en d'autres mots une planète solide, contrairement aux géantes gazeuses comme Jupiter. Il s'agit de la plus grande des quatre planètes telluriques, que ce soit en termes de grandeur ou masse. De ces quatre planètes, la Terre a aussi la plus grande densité, la plus forte gravité et le plus puissant champ magnétique.

Forme

La forme de la Terre est une ellipsoïde, une forme ronde légèrement aplatie aux pôles. Le diamètre approximatif de référence est de 12 742 km.

La rotation de la Terre crée un léger bourrelet équatorial, ce qui fait en sorte que le diamètre à l'équateur est 43 km plus long que le diamètre pôle Nord et pôle Sud. Les plus grandes déviations du sol de la Terre sont le Mont Everest (8848 m au dessus du niveau de la mer) et la fosse des Mariannes (10,911 m sous le niveau de la mer). Par contre, à cause de l'aplatissement, l'objet le plus éloigné du cœur de la Terre est en fait le volcan Chimborazo en Équateur.

Composition chimique

Oxyde Pourcentage
SiO2 59.71
Al2O3 15.41
CaO 4.90
MgO 4.36
Na2O 3.55
FeO 3.52
K2O 2.80
Fe2O3 2.63
H2O 1.52
TiO2 0.60
P2O5 0.22
total 99.22

La masse de la Terre est d'approximativement 5,98×1024 kg. Elle est composée principalement de fer (32,1%), d'oxygène (30,1%), de silicium (15,1%), de magnésium (13,9%), de soufre (2,9%), de nickel (1,8%), de calcium (1,5%) et d'aluminium (1,4%), le 1,2% restant consistant en de légères traces d'autres éléments. À cause de l'attirance des éléments plus lourds vers le centre de gravité de la Terre, le cœur de la Terre est cru être composé majoritairement de fer (88,8%), avec une plus petite quantité de nickel (5,8%), de soufre (4,5%) et moins d'1% d'autres éléments.

Le géochimiste F. W. Clarke a calculé que 47% de la croûte terrestre est faite d'oxygène présent principalement sous forme d'oxydes, dont les principaux sont les oxydes de silicium, aluminium, fer, calcium, magnésium, potassium et sodium. La silice est le constituant majeur de la croûte sous forme de pyroxénoïdes, les minéraux les plus communs des roches magmatiques et métamorphiques. Après une synthèse basée sur l'analyse de 1672 types de roches, Clarke a obtenu les pourcentages suivants de composition en masse:

Structure géologique



La Terre est constituée de plusieurs couches internes identifiables à peu près concentriques : la croûte terrestre (océanique ou continentale), le manteau supérieur, le manteau inférieur, le noyau externe et interne. La lithosphère est constituée de la croûte et de la zone supérieure du manteau supérieur. L'asthénosphère est la zone inférieure du manteau supérieur (en dessous de la lithosphère).

La croûte terrestre de la Terre est relativement jeune, par rapport à la Terre elle-même. Pendant la période relativement courte de 500 millions d'années environ où l'érosion et les processus tectoniques ont détruit, puis recréé la plupart des couches superficielles de roches à la surface de la Terre, la presque totalité des traces de l'histoire géologique de sa surface (cratères d'impact, par exemple) ont disparu. Plus de 99 % de la surface terrestre aurait moins de 2 milliards d'années.

Cette structure est connue au moyen de l'étude de la propagation des ondes sismiques entre une source et différents points de la surface terrestre.

La vitesse d'une onde sismique change en effet assez brutalement au passage entre deux couches de composition ou phase minérale différentes. Ces limites ont parfois reçu des noms particuliers, tels que la discontinuité de Mohorovicic, la discontinuité de Lehmann ou la discontinuité de Gutenberg.

La constitution de la Terre s'explique par son mode de formation, par accrétion de météorites, qui a produit une stratification en phase fluide par masse volumique décroissante depuis les couches internes vers les couches externes.

Plaques tectoniques


Selon la théorie de la tectonique des plaques, la partie supérieure de l'intérieur de la Terre est composé de 2 couches: la lithosphère, comprenant la croûte, et la partie solide du manteau. Au-dessous de la lithosphère se trouve l'asthénosphère, qui forme le cœur du manteau. L'asthénosphère ressemble à du liquide extrêmement chaud et visqueux.

La lithosphère flotte essentiellement sur l'asthénosphère et est brisées en pièces qui sont appelées plaques tectoniques. Ces plaques sont des segments rigiques qui bougent en relation avec les autres de trois façons: en convergence, en divergence, et par transcurence. C'est ainsi que sont créés les tremblements de terre, l'activité volcanique ainsi que les montagnes.

Les plaques les plus rapides pour bouger sont les plaques océaniques, bougeant à environ 70 millimètres par année. À l'opposé, la plaque la plus lente est la plaque eurasienne, progressant à environ 21 millimètres à l'année.

Forme de la Terre

La conception sphérique de la Terre remonte à l'antiquité grecque, vers le Ve siècle av. J.-C., et plus spécifiquement aux pythagoriciens. On retrouve cette conception chez Parménide, Platon ou Aristote. Au IIIe siècle av. J.-C., Ératosthène donna une estimation du rayon terrestre très proche de la réalité. Le géographe Ptolémée fournit au IIe siècle des informations géographiques qui répondaient bien aux besoins de son époque, et encore jusqu'à la Renaissance.

La civilisation arabo-musulmane conserva la connaissance d'une Terre sphérique et au IXe siècle, le Calife Al-Mamun, à Bagdad, fit procéder à une mesure d'une partie d'un méridien, conduisant à une bonne approximation de la circonférence de la Terre. Dans le monde chrétien, cette idée fut parfois remise en cause, par exemple au VIe siècle par Cosmas Indicopleustès. En effet, les Pères de l'Église ne pouvaient concilier la vision du monde sphérique d'Aristote constitué de deux zones polaires et deux zones tempérées, séparées par une zone torride infranchissable, avec l'universalité du message du Christ, ce message ne pouvant parvenir à d'hypothétiques habitants des antipodes. Jusqu'au XIIe siècle, on s'attacha donc à représenter le monde sous forme symbolique, mais des philosophes ou des religieux tels Isidore de Séville, Bède le Vénérable, Jean Scot Erigène, Gerbert d'Aurillac, Thomas d'Aquin, Albert le Grand ou Roger Bacon avaient très bien intégré la représentation sphérique.

Les récits de voyages de missionnaires, de Marco Polo et de l'explorateur Jean de Mandeville (avec son Livre des merveilles du monde) répandirent dans la société l'image d'une terre sphérique, autour de laquelle on pouvait théoriquement faire une « circumnavigation ». L’Imago mundi du cardinal Pierre d'Ailly retenait cette représentation sphérique. On sait que Christophe Colomb était sans doute influencé par le Livre des merveilles du monde de de Mandeville, et qu'il possédait un exemplaire de l’Imago mundi. Ce dernier sous-estimait cependant grandement le rayon terrestre, ce qui permit à Colomb d'envisager de façon raisonnable la possibilité de rejoindre les Indes par l'Ouest. Une connaissance plus précise de ce rayon aurait découragé toute tentative de traversée de l'Océan.

Les voyages des Portugais dès le début du XVe siècle pour rejoindre les Indes en contournant l'Afrique, la redécouverte des textes grecs à la Renaissance, en particulier la Géographie de Ptolémée, leur diffusion au moyen de l'imprimerie ont également largement contribué à propager les représentations modernes de la Terre, avec le Nord vers le haut des cartes, les méridiens, les parallèles, l'équateur et les deux tropiques. Le plus ancien globe terrestre connu est fabriqué par Martin Behaim vers la fin du XVe siècle, peu avant que Vasco de Gama, Christophe Colomb ou Magellan entreprennent leurs voyages. On y voit l'Europe, l'Afrique et l'Asie, mais bien entendu, ni les Amériques, ni l'Océanie.

Mercator a, en dessinant ses cartes, mentionné et dessiné un énorme continent austral : « Terra incognita australis » (terre australe (du sud) inconnue). Cette « terre australe inconnue » a été dessinée au Sud car Mercator croyait que sans ce poids, la Terre allait se renverser ! Les réflexions et travaux en géographie (relevés cartographiques, projection de Mercator) au XVIe siècle… ont permis de faire évoluer notre connaissance de la Terre.

C'est seulement au XVIIIe siècle que l'aplatissement des pôles est reconnu, avec les expéditions menées au Pérou et en Laponie.

Atmosphère

La Terre est entourée d'une enveloppe gazeuse qu'elle retient par attraction gravitationnelle : l'atmosphère.

Cette atmosphère donne à la planète un reflet bleuté depuis l'espace, d'où son surnom de « planète bleue » : la constitution et la densité de l'atmosphère sont telles que la lumière incidente du Soleil et la lumière réfléchie par les continents et les mers sont diffractées (donnant sa couleur au ciel, et par réflexion, aux étendues d'eau).

Constitution

Cette enveloppe, dont la masse globale est de l'ordre de 5×1018 kg (un millionième de la masse de la Terre), est contenue à 99% dans les 30 premiers kilomètres (50% dans les 5 premiers kilomètres).

La basse atmosphère (du niveau de la mer jusqu'à environ 45 km) est composée de gaz « permanents », gaz dont les proportions restent constantes, et de gaz de concentration variable avec l'altitude.

L'azote, l'oxygène et l'argon constituent, en volume, 99,997% des gaz permanents (voir tableau ci-dessus) ; le brassage vertical de l'air permet de conserver une répartition constante à tous les niveaux, même pour les gaz les plus légers, tels que l'hélium ou l'hydrogène.

Les gaz à concentration variable sont essentiellement la vapeur d'eau H2O ; et dans une moindre mesure le dioxyde de carbone CO2, le dioxyde de soufre SO2 et l'ozone O3. L'atmosphère terrestre peut être considérée, à un instant donné, comme un mélange thermodynamique d'air sec et de vapeur d'eau.

Les particules liquides, solides, liquides ou mixtes en suspension dans l'atmosphère constituent l'aérosol atmosphérique.

Ces particules jouent un rôle primordial dans les phénomènes de condensation (nuages) et de formation de cristaux de glace, ainsi qu'à différents processus physico chimiques dans l'atmosphère. Leur concentration varie de plusieurs puissances de 10 (de plusieurs ordres de grandeurs) en fonction du lieu et du temps ; en concentration élevée, elles constituent un facteur de pollution. Les particules se classent en :

* particules d'Aitken : 1 nm < d < 0,1 µm
* grosses particules : 0,1 µm < d < 5 µm
* particules géantes : 5 µm < d < 50 µm environ

L'atmosphère atténue de façon importante le rayonnement solaire reçu au sol ; suivant l'importance de la couverture nuageuse, le sol reçoit de 68% à 28% (ou moins) du rayonnement solaire parvenant à l'atmosphère.

Structure de l'atmosphère


La composition chimique de l'atmosphère, sa température, ou les phénomènes qui y sont observés présentent des discontinuités marquées lorsque l'altitude augmente. Ces discontinuités correspondent à des couches homogènes dont les propriétés évoluent de façon continue ; ce sont (par altitude croissante) :

* la troposphère
* la stratosphère
* la mésosphère
* la thermosphère
* l'exosphère

Les limites de ces couches (d'altitude variable) ont reçu des désignations particulières : tropopause, stratopause, mésopause et thermopause.

Satellites de la Terre


La Lune est un satellite naturel, situé à environ 380 000 km de la Terre. Relativement large, son diamètre est environ le quart celui de la planète Terre. Il s'agit du plus large satellite naturel dans le système solaire relativement à la taille de la planète autour duquel il orbite. Les satellites naturels orbitant autour des autres planètes sont communément appelés lunes, en référence à la Lune de la Terre.

L'attraction gravitationnelle entre la Terre et la Lune cause les marées sur Terre. Le même effet à lieu sur la Lune, faisant en sorte que sa vitesse de rotation est la même que le temps qu'il lui faut pour orbiter autour de la Terre, présentant ainsi toujours la même face vers la planète. En orbitant autour de la Terre, différentes parties du côté visible de la Lune sont illuminées par le Soleil, causant les phases lunaires.

À cause de la force présente, la Lune s'éloigne de la Terre à un rythme d'environ 38 mm par an. Sur plusieurs millions d'années, ces simples petites modifications, ainsi que l'allongement du jour terrestre de 23 microsecondes, peuvent créer d'énormes changements. Durant la période du Dévonien, à approximativement 410 millions d'années d'aujourd'hui, il y avait 400 jours dans une année, chaque jour durant 21,8 heures.

Vue de la Terre, la Lune est juste assez éloignée pour avoir la même taille apparente que le Soleil. La forme angulaire des deux corps sont ressemblantes car même si le diamètre du Soleil est 400 fois plus grand que celui de la Lune, celle-ci est 400 fois plus rapprochée de la Terre que ce dernier. Ceci permet les éclipses totales sur Terre.



La théorie acceptée sur les origines de la Lune est celle d'un impact géant entre un objet de la taille de Mars appelé Théia et la Terre nouvellement formée. Cette hypothèse explique en partie le fait que la composition de la Lune ressemble particulièrement à celle de la croûte terrestre.

---> Voir L'histoire de la Terre <--- (liens direct)

La Terre a aussi deux satellites co-orbitaux, l'astéroïde (3753) Cruithne et 2002 AA29, ainsi que des quasi-satellites, 2003 YN107 (jusqu'en 2006) et 2004 GU9.

Accélération de la pesanteur

L'accélération de la pesanteur (ou « champ de pesanteur ») varie légèrement à la surface de la Terre pour trois raisons :

* Elle dépend de l'altitude, l'accélération étant inversement proportionnelle au carré de la distance entre le centre de gravité de la Terre et le point où il est mesuré.
* La Terre n'est pas parfaitement sphérique, mais un peu aplatie aux pôles, la gravitation est plus forte aux pôles, pour la même raison.
* La Terre tourne sur elle-même, ce qui fait qu'un objet à l'équateur donne l'impression d'être un tout petit peu plus léger (voir Force centrifuge).

D'autres facteurs peuvent influer de façon minime sur le champ de pesanteur local (Voir Gravimétrie) :

* La composition du sous-sol (roches, grottes…)

L'accélération de la pesanteur peut se calculer comme suit :

g=9,780318 [m/s2] × (1 + 5,3024×10–3 × sin2(L) + 5,9×10–6 × sin2(2×L) – 3,15×10–7 × h)

où :

* L=la latitude
* h=l'altitude en mètre.

Au niveau de la mer, h=0 m :

* à l'équateur (L=0°) : g=9,7803 m/s²
* à la latitude (L=45°) : g=9,8063 m/s²
* aux pôles (L=90°) : g=9,8322 m/s²

Anecdote

La Terre est la seule planète tournant autour du Soleil qui ne soit pas dotée d'un nom standardisé pour toutes les langues issu de la mythologie grecque ou romaine (en français toutefois, "Terre" s'apparente à Terra, déesse romaine de la terre, Gaïa en grec) et où la vie est connue. Le nom donné à la Terre, comme le Soleil et la Lune, est fonction des langues, à la différence des autres noms de planètes et astres qui est issu d'une norme donnée par les savants des diverses époques.

La position de la Terre dans l'Univers fut la source de longs débats opposant durant des siècles philosophes, savants et religieux de tous bords. Pendant longtemps la Terre fut considérée comme au centre de l'Univers, conception défendue par Aristote ou Ptolémée. Dans cette conception, le géocentrisme affirmait que tous les objets célestes, Soleil, Lune, planètes et étoiles, (astres) gravitaient autour de la Terre. Copernic, reprenant le modèle d'Aristarque de Samos, argumenta pour l'héliocentrisme, c'est-à-dire, une Terre en orbite autour du Soleil, avec la Lune, satellite naturel de la Terre (traité publié en 1543 : De revolutionibus orbium coelestium libri VI). Tycho Brahé proposa un système mixte dans lequel le Soleil tournait autour de la Terre, et les autres planètes autour du Soleil. L'idée de Copernic fut soutenue par Kepler et Galilée. Les ellipses képlériennes y firent beaucoup en permettant des tables d'une précision jamais égalée, et en expliquant les variations de latitude des planètes par rapport au plan de l'écliptique.

La question n'a plus guère de sens aujourd'hui, le choix d'un référentiel étant arbitraire et dépendant de la commodité que ce référentiel apportera à l'objet étudié. Le choix d'un référentiel dans lequel s'expriment simplement les lois de la physique conduit à prendre en première approximation un référentiel lié au Soleil. Le choix d'un référentiel correspondant à notre vision propre conduit à choisir un référentiel lié à la Terre. L'étude des galaxies conduira à prendre d'autres référentiels.