Terre et atmosphère

J’ai calculé le rayon terrestre à une échelle permettant à la terre de figurer sur cette œuvre soit : 6370 kilomètres x 0,0060 = 38 centimètres.
Avant de commencer l’explication de cette toile, rendons hommage à l’astronome grec Eratosthène qui avait trouvé la longueur du rayon terrestre (à 30 km près) en 200 avant Jésus-Christ. Pour trouver un rayon terrestre de 6400 kilomètres Eratosthène a mesuré au fond d’un puit l’angle que faisaient les rayons du soleil dans la ville d’Assouan puis dans la ville d’Alexandrie séparées toutes deux par 820 kilomètres. Le 21 juin au solstice d’été le soleil était exactement à la verticale de la ville d’Assouan alors qu’à Alexandrie les rayons du soleil faisaient un angle de 7°20′ à la même date et à la même heure. En négligeant les 3° de différence de longitude la longueur de la circonférence terrestre passant par ces deux villes peut être calculée : 820 km = 7°20′. La circonférence de la Terre le long du méridien Assouan-Alexandrie est donc de : 820 km x 360/7,33 = 40250 km. On déduit la longueur du rayon terrestre en écrivant 40250 km = 2IIR.
En partant du centre de la terre jusqu’à sa surface voyons maintenant la structure interne de notre planète. La Terre est constituée de trois parties : le noyau, le manteau et la croûte continentale et océanique (p 105 : la Terre une planète singulière).
Commençons par le noyau divisé en deux parties : le noyau interne et le noyau externe. En partant du centre de la terre le noyau interne mesure environ 1370 kilomètres, il s’arrête à 5000 km sous la surface terrestre. Le noyau interne ou graine est solide, et tout comme le noyau externe il est constitué d’un alliage de fer (environ 80 %) et de nickel (5 %). Il est séparé du noyau externe par la discontinuité de Lehmann qui limite deux milieux de même composition mais de viscosité différente. Sur l’œuvre le fer est représenté en billes marron foncé et le nickel en jaune. J’ai représenté une plus forte proportion de nickel qu’en réalité (seulement 5 %) afin « d’éclairer » en jaune le centre de la terre.
Nous continuons jusqu’au noyau externe (p 105). Il commence à 5000 kilomètres de profondeur pour « remonter » jusqu’à 2900 km à la limite du manteau dont il est séparé par la discontinuité de Gutenberg. Son épaisseur est donc d’un peu plus de 2000 kilomètres. Le noyau externe est constitué d’un alliage métallique à l’état liquide, il est symbolisé par des formes courbes jaunes. Cette composition métallique très dense conduit bien la chaleur et sa viscosité est comparable à celle de l’eau. A l’intérieur de ce noyau des mouvements de convection font naître le champ magnétique terrestre.
Page 105 : sur l’œuvre on retrouve dans le noyau externe un alliage de fer (80 %) et de nickel (5 %) toujours en petites boules jaunes et marrons. Environ 15 % d’éléments plus légers tel le silicium le soufre l’oxygène sont représentés en petites billes de couleur rouge marron et vert. Page 218 la Planète Terre : ces échanges chimiques proviendraient de la couche D » et discontinuité de Gutenberg. En effet des expériences réalisées avec les enclumes diamant permettent d’obtenir les pressions et températures régnant à la limite manteau-noyau et ont révélé que le fer peut s’immiscer entre les grains des roches du manteau, réagir avec elles et donner naissance à une couche de pérovskite isolante ainsi qu’à des alliages métalliques FeSi et à de la wüstite FeO. Les courants de convection tendraient ensuite à dissiper les produits de la réaction sous la zone descendante et par l’intermédiaire de la couche D », Fe pourrait migrer vers le manteau et le noyau externe s’enrichirait en O Si et aussi en magnésium Mg ainsi qu’en cobalt. Sur l’œuvre ces échanges sont symbolisés par des filaments gris clair qui retombent à l’intérieur du noyau externe.
Page 218 : la couche D » d’une épaisseur comprise entre 200 et 400 kilomètres est constituée de creux et de bosses et elle est caractérisée par une variation importante de la température et de la pression. Certaines modélisations numériques de la convection révèlent qu’il est possible d’obtenir sous certaines conditions des transferts brutaux et intermittents de matière froide jusqu’au noyau. Pour d’autres auteurs la couche D » proviendrait des réactions chimiques entre les roches du manteau et le noyau externe liquide.
Page 103, la Terre une planète singulière : nous arrivons à 2900 kilomètres de profondeur juste au dessus de la discontinuité de Gutenberg et couche D » : là commence le manteau jusqu’à la croute terrestre. Il représente 83 % du volume de la terre et 74 % de sa masse. Son épaisseur est de 2900 kilomètres. Page 103 : Le manteau est constitué principalement de péridotites roches ultrabasiques constituées majoritairement d’olivine et pyroxènes (voir minéraux p 93). Il est divisé en deux parties : le manteau supérieur qui s’enfonce jusqu’à 670 km et le manteau inférieur compris entre 670 et 2900 km de profondeur.(p 215 V et C Planète Terre).
Dans le manteau supérieur et inférieur j’ai représenté les éléments chimiques les plus abondants : le tétraèdre SiO4 composé d’un atome de silicium en bille jaune rouge ou gris entouré de quatre atomes d’oxygène en billes vertes (voir p 108 schémas avec tétraèdres). Il existe des tétraèdres groupés par deux, en anneaux, en chaînes simples ou en chaînes doubles.
Page 104 : dans les deux zones dites de transition du manteau autour de 400 et 700 kilomètres de profondeur l’olivine (oxygène silicium magnésium ou fer) acquiert une structure plus compacte sous l’effet de l’augmentation de la pression. Lorsque l’on s’enfonce dans le manteau jusqu’au sommet du noyau on assiste donc à une compaction des structures silicatées qui s’accompagne d’une « basification » croissante des roches. Les minéraux ferro-magnésiens deviennent de plus en plus abondants.
Page 103 La Terre une planète singulière : entre 100 et 200 km de profondeur la zone à moindre vitesse (ZMV) correspond à une enveloppe plus plastique où les ondes sismiques se propagent plus lentement. Cette zone est importante pour l’étude des déformations de la terre, elle sépare la lithosphère de l’asthénosphère qui s’enfonce jusqu’à 700 km.
Page 103 : la croûte terrestre continentale et océanique située au dessus de la discontinuité de Mohorovicic est d’environ 30 km d’épaisseur et peut varier jusqu’à 50 – 80 km sous les chaînes de montagnes jeunes. La croûte océanique a une épaisseur de 5 à 8 km et à elles deux elles représentent moins de 1 % du volume et de la masse de la terre.
Page 14 V et C la Planète Terre : à la surface de la terre nous allons regarder l’atmosphère. Les deux principaux constituants gazeux de l’atmosphère sont le diazote (78,08 %) et le dioxygène (20,94 %). Les autres constituants sont par ordre décroissant l’argon (Ar), le dioxyde de carbone (CO2) le néon (Ne) l’hélium (He) le méthane, le krypton.
Tout autour de la terre les nuages en blanc ainsi que les flèches symbolisent le transport par les vents ou circulation atmosphérique. Etudions maintenant la structure verticale de l’atmosphère découpée en quatre couches dont la dernière la thermosphère se développe jusqu’à près de 500 kilomètres.
Commençons par la troposphère, la couche la plus proche du sol : son épaisseur varie de 7 km aux pôles à 18 km à l’équateur. Elle représente ¾ de la masse atmosphérique et contient toute la vapeur d’eau. La température y décroît d’environ 6° C par kilomètre et à sa partie supérieure, elle varie de – 50°C aux pôles à -80°C à l’équateur.
La stratosphère s’étend ensuite environ jusqu’à 50 km d’altitude. Elle est caractérisée par une augmentation régulière de la température qui atteint O°C à sa limite supérieure. Des vents très violents atteignant 350 km.h peuvent y être observés (jet stream).
La mésosphère s’étend de 50 km à 85 km et sur 35 kilomètres la température y passe de O°C à -90°C ;
La thermosphère se développe ensuite jusqu’à près de 500 km : la température y monte de -90°C à plus de 1200°C. C’est dans cette couche que sous l’effet du rayonnement ultraviolet, X, ainsi que des particules énergétiques (vent solaire), les molécules gazeuses s’ionisent et donnent naissance à l’ionosphère responsable de la réflexion dans l’atmosphère des ondes radio de grande longueur d’onde.
Atlas du Ciel p 38 : 90 % des gaz atmosphériques sont concentrés à proximité du sol, ce qui engendre une densité maximale à terre de même que pression et concentration en vapeur d’eau. Sur l’œuvre le diazote est représenté avec deux billes rouges et le dioxygène avec deux billes vert foncé. L’ozone O3 est représenté par trois billes vertes et le CO2 par deux billes vertes et une marron. En billes jaunes apparaît un peu d’argon. Page 14 c et ens. La Planète Terre : dans la haute atmosphère les molécules de dioxygène sont dissociées par le rayonnement solaire. La rencontre entre une molécule O2 et un atome O crée alors une molécule O3. La molécule d’ozone peut ensuite se dissocier et former 0 et 02.
Voyons maintenant l’ionosphère qui comprend une partie de la mésosphère et de la thermosphère et qui s’étend jusqu’à environ mille kilomètres (atlas du ciel p. 39). Dans cette zone les molécules y sont dissociées par le rayonnement solaire en ions et électrons : le diazote est symbolisé par deux billes rouges et le dioxygène par deux billes vertes.
Aurores Boréales et Australes p 54 : à mille kilomètres d’altitude à la limite de l’ionosphère on trouve des ions plus légers comme He+ et H+ qui prédominent : l’ion hydrogène H+ est représenté en billes rouges ou jaunes et l’ion hélium He+ est représenté en quatre billes ( deux rouges et deux jaunes). Au delà de l’ionosphère s’étend la magnétosphère : page 54 : on trouve en direction du soleil à environ quinze rayons terrestres (95550 km) une onde de choc puis une zone de très forte turbulence dénommée magnétogaine. Ensuite les particules venant du soleil sont déviées à environ dix rayons terrestres (63700 km) avant d’arriver sur terre et sont ainsi enfermées dans une gigantesque enveloppe protectrice appelée magnétosphère.
Nous terminons cette œuvre avec l’albédo (comprendre et enseigner la Planète Terre p. 15 et p.213).
Page 15 : la terre reçoit une part du rayonnement émis par le soleil, ce flux est plus élevé à l’équateur qu’aux pôles. Une partie du rayonnement solaire est renvoyé vers l’espace par diffusion et réflexion.
On appelle albédo le rapport de l’énergie réfléchie sur l’énergie incidente. Page 213 : 30 % du rayonnement incident (102 W.m2) sont réfléchis par le système terre-atmosphère. Le rapport entre la quantité d’énergie réfléchie vers l’espace et la quantité incidente est appelé albédo de la Terre, il est donc de 0,30. Les flèches oranges représentent les 30 % de ce rayonnement qui repart dans l’espace. Page 15 : 60 à 70 % du rayonnement solaire incident est absorbé et transformé en chaleur. Sur l’œuvre il est représenté par les flèches jaunes arrivant de l’espace.