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Science de la Terre et de l'Univers, Evolution de la biosphère…
Science de la Terre et de l'Univers
Evolution de la biosphère
Exemples d'organismes de l'aire primaire
Les Brachiopodes
: animaux marins à coquille en deux parties : pédoncule de fixation sort de la valve ventrale. A l’intérieur, présence de lophophore (ou brachidium) qui filtre pour respirer et manger
Les Graptolites
: petit animal mou à tentacule, vit dans une loge cornée en matière organique qui vivent en colonies de qq centimètres, fixées au fond ou en flottant, vivent au milieu de l’ère primaire, très diversifiés
Les Goniatites
: mollusques céphalopodes (famille des poulpes, seiches…) bras tentaculaires yeux globulaires, coquille avec des loges enroulée sur elle-même
Les Trilobites
: 3 lobes : deux latéraux et 1 central / une tête, un thorax et un pygidium, Groupe uniquement marin qui consomme de la matière organique décomposée, du groupe des arthropodes : groupe le plus important de l’ère primaire, défini l’ère car le premier trilobite donne le début de l’ère primaire, et le dernier donne la fin de l’ère primaire
Quelques événements majeurs du Cénozoïque
1ère moitié du Cénozoïque : climat mondial chaud
à -40 Ma : refroidissement grâce à la tectonique des plaques : l’Antarctique se décolle de l’Afrique, l’Océanie et l’Amérique du sud, ce qui permet le gel du pôle Sud de façon permanente et le refroidissement du climat global
Définitions
Notion de crise biologique :
touche un grand nombre d’espèce : plusieurs dizaines de % de la biodiversité
événement brutal/rapide à l’échelle des temps géologiques, de qq milliers d’années d’années à qq milliards
événement planétaire
Les cinq crises biologiques
crise de l’Ordovicien
crise du Dévonien
crise du Permien : limite paléozoïque/mésozoïque
crise du Trias
crise du Crétacé : limite mésozoïque/cénozoïque
Les différentes façons de traverser une crise des espèces
Certaines espèces sont exterminées lors de la crise
Les espèces profiteuses, n’existent et ne prolifèrent que lors de la crise, en profitant des écosystèmes laissés libres par les espèces éteintes, mais elles disparaissent à la fin de la crise
Les espèces pré-adaptés, qui en profitent pour proliférer
Les généralistes écologiques : les conditions qui ont changées ne sont pas nocives pour l’espèce
Les taxons “Lazare”, dont on ne trouve pas de trace lors de la crise, mais qui réapparaissent à la suite
Après une crise biologique, la biodiversité subit une période de qq Ma de stagnation à un niveau très bas, puis un rebond de qq Ma où la biodiversité reprend lentement, et enfin une expansion de la biodiversité plus rapide
La crise Crétacé-Trias : K/T
Causes : Trapps du Deccan en Inde, météorite au Mexique, la lumière solaire est bloquée par la poussière : on parle de crise de la photosynthèse
Conséquences : mort des végétaux en masse, puis des autres espèces plus bas dans la chaîne alimentaire : disparition des dinosaures, ammonites, nombreux foraminifères
L'extinction de la fin du Permien
Disparition de 95% des espèces marines
Causes : réunion de la Pangée : disparition des côtes (réserve naturelle d'espèces), baisse du niveau de la mer et périodes anoxiques, épisodes volcaniques et trapps
Exemples d'organismes de l'aire secondaire
Ammonites
: mollusques céphalopodes à coquille enroulée : abondantes au Crétacé et au Jurassique
Dinosaures
: petits vertébrés terrestres
Ornithischien
:
Saurischiens
: membres sous le corps, reptiles, écailles ou plumes, prédateurs, sur 2 pattes, ou herbivores, sur 4
Cératites
: mollusques céphalopodes à coquille enroulée, présent durant le Trias uniquement
Ichtyosaures
: vertébrés retournés à la vie aquatique, 1 à 2 m de long, présent à la fin de l’ère secondaire
structure et composition de l'intérieur de la Terre
Composition élémentaire de la Terre
Différenciation
En fonction de la masse molaire : les éléments les plus légers vont vers la surface
En fonction de la compatibilité : les éléments peu compatibles sont vers la surface
Composition :
Fer : 32%
Oxygène : 30%
Silicium : 15%
Magnésium : 14%
Soufre : 3%
Nickel : 2%
Calcium : 1,5%
Aluminium : 1,5%
Formation de la Terre
compaction et condensation d'une nébuleuse : les éléments en présence se solidifient : plus on est proche du centre, plus les éléments sont volatils : tri des éléments selon leur volabilité
Forme, Volume et Masse de la Terre
Forme
: à peu près sphérique car elle est soumise à la gravité, plus précisément, elle est une ellipsoïde bi-axiale à cause de sa rotation : elle est légèrement aplatie aux pôles et plus large à l'équateur. Le rayon de la Terre est égal à 6400km
Masse
de la Terre : 6.1024 kg, Masse volumique moyenne : ⍴ = 5,5.103 kg.m-3 ≈ 6000kg.m-3
Volume
de la Terre : V = 4/3𝛑 R3 = 1,08.1012 km3 ≈ 1021 m3
Structure interne
Croûte
: Volume et Masse négligeable : < à 1%
Manteau
: Volume : 7/8, Masse : 2/3
Noyau
: Volume : 1/8, Masse : 1/3
Composition des différentes enveloppes de la Terre
Manteau
Oxygène
Silicates ferro-magnésiens ou ferro-calciques
Péridotite : Dunite, Harzburgite, Lherzolite
Croûte continentale
Noyau
Fer : 85% Oxygène : 9 % Nickel : 5%
Alliages Fer-Nickel
Croûte océanique
silicates alumino-calciques (feldspaths plagioclases),
Elements -->
Minéraux
-->
Roches
Rhéologie de la Terre
Comportement élastique
Il y a proportionnalité entre la quantité de déformation et la contrainte. Si on arrête la contrainte de déformation sur le matériau, la déformation s’annule
Comportement cassant/fragile
Les roches cassent à basse température ou lorsqu'elles sont soumises à une force trop importante pour se déformer. Plus la pression est importante sur un matériau, plus la force pour casser la roche sera importante à cause du confinement
Comportement visqueux
Comportement présent chez les roches à haute température : écoulement, fluage, dépend de la roche et de la profondeur (plus la profondeur est grande, plus la roche et visqueuse)
Stratification rhéologiques de la Terre
Lithosphère : rassemble les couches qui a une résistance importante à la déformation
Manteau fragile
Croûte fragile
Manteau ductile
Croûte ductile
Asténosphere : partie du manteau en profondeur, très peu de résistante à la déformation mais solide
Diversité des modes planétaires
Au sein du système solaire
Le Soleil
Formation du système solaire il y a 4,56 Ga commence par la formation du Soleil par l'effondrement d'un nuage moléculaire de H2
Une étoile est une masse d’hydrogène et de d’hélium soumise à des réactions thermonucléaires en son centre à cause de la pression
Le Soleil est une étoile relativement grande mais reste d’une taille peu exceptionnelle par rapport à d’autres étoiles, et elle est de couleur blanche-jaune
Distances
la distance Terre-Lune est de 384 400 km et la lumière met huit minutes à la parcourir
la distance Terre-Soleil est de 150 000 000 km, soit 1 Unité Astronomique et la lumière met 8 min 20 à la parcourir.
La distance Soleil-Proxima Centauri est de 271 000 UA, soit 4,4 Années Lumières
la distance Jupiter-Soleil est de 5,2 UA
la distance Saturne-Soleil est de 9,5 UA ( Saturne est la planète la plus lointaine où un appareil humain s’est posé )
Voyager 1, envoyé en 1977, est maintenant à 140 UA de nous, et commence à sortir du système solaire
Exploration spatiale
lancement de Sputnik en 1957 : début de l'ère spatiale
1969 avec les premiers pas de l’Homme sur la Lune lors de la mission Apollo 11
On peut lancer plusieurs types d’engins spatiaux pour étudier les astres comme des sondes spatiales, les sondes atmosphériques, les atterrisseurs, les rovers ou bientôt les drones selon les informations que l'on souhaite récupérer
Diversité planétaire
Toutes les planètes telluriques ont une composition semblable à celle de la Terre : une noyau métallisé, un manteau et une croûte silicatée
Les planètes géantes sont composées d’hydrogène et d’hélium : Jupiter et Saturne sont des géantes gazeuses alors que Uranus et Neptune sont des géantes glacées
En dehors du système solaire : découverte d'exoplanètes et de nouveau systèmes
Première exoplanète découverte en 1995 : Pegasi 51
Méthode de détection : effet Doppler-Fizeau : au cours de leur rotation, les planètes font bouger leur astre, ce qui modifie légèrement leur longueur d'onde, repérable par l'effet Doppler-Fizeau
Seconde méthode de détection : calcul de la baisse de la luminosité lors du passage de la planète devant l'étoile
Plus de 4 100 exoplanètes repérées à ce jour
Habilité planétaire
présence dans une zone d’habitabilité : permet à l’eau d’être à l’état liquide
température et une pression adaptée
avoir une atmosphère suffisante mais pas trop épaisse
volcanisme réduit
Parmi les 4122 exoplanètes dénombrées actuellement, on en compte 21 qui ont une taille comparable à celle de la Terre et qui sont dans une zone habitable
Origine des systèmes planétaires
Hypothèse de la nébuleuse de Kant-Laplace
Formation d'un disque proto-planétaire : en rotation autour d'une jeune étoile. Les roches peuvent de condenser dans le disque interne alors que les glaces et les gaz restent vers l'extérieur
Formation du système solaire
le Soleil se serait formé en premier par accrétion de gaz comme l’hydrogène ou l’hélium ( objets sombres et froids ) qui se seraient effondrés sur eux-mêmes
Une zone au centre devient assez dense et chaude pour qu'il y ait fusion de l'hydrogène : émission de suffisamment d'énergie pour rester stable. Quand la réserve d'hydrogène sera vidée, le Soleil s'effondrera de nouveau
Disque de poussières et de gaz se formant puis refroidissant, qui permettra l'accrétion formant les planètes
Au moment où Jupiter s'est formée, la suite du système a été conditionnée : la planète était si lourde qu'elle a attiré les gaz et devient de plus en plus dense. Elle a migré vers le Soleil et poussé la matière du disque vers l'étoile, puis est repartie en arrière suite à une interaction avec Saturne. Cela explique la ceinture d'astéroïdes présente après Mars.
Formation de la Terre
La Lune est la conséquence du dernier impact cataclysmique avec la Terre, accrétion de débris. Avant cette collision, la Terre était bien plus grosse.
Minéralogie et pétrologie
Minéralogie
Définitions
Minéraux : les cristaux forment des objets géométriques, créant parfois des arêtes et des surfaces lisses
Roches : constituées de cristaux. Tout le règne minéral est cristallisé.
Biominéralisation : les organismes vivants sont capables de synthétiser des cristaux
Science du sol : altération des minéraux par le vivant ( ex : champignon détruisant la calcite pour avoir du calcium )
Minéral automorphe : forme de la roche déterminée par la composition chimique et l’agencement des atomes uniquement, reflétant l’agencement de ceux-ci
Minéral xénomorphe : forme non déterminée par la composition de la roche (érosion, contrainte lors de la formation, cassure…)
Classes chimiques
éléments natifs (un seul élément, comme l’or pur)
sulfures (S + métal)
halogénures (halogène + métal)
oxyde (O + métal)
phosphate (métal + PO4)
sulphates (métal + SO4)
silicates (métal + O + Si : majorité des minéraux de la Terre, diversité d’espèces la plus importante : plusieurs milliers)
carbonates (métal + CO3)
organiques (C + N + P + O)
Système cristallin
monoclinique
orthorhombique
tétragonal (quadratique)
hexagonal
triclinique
rhomboédrique
cubique
Critères macroscopique d’identification des minéraux
Couleur : peut induire en erreur, certains minéraux comme les quartz ont de nombreuses nuances. On fait la différence entre minéraux clairs et foncés.
Transparence : opaque, translucide ou transparent
Éclat : capacité à réfléchir la lumière : plus la structure est compacte, plus l'éclat est fort (difficile à estimer si la roche n'est pas lissée). Types d’éclat : métallique, faible, mat, fort...
Magnétisme : la magnétite possède un fort champ magnétique capable de perturber une boussole ( c’est le seul minéral capable de le faire )
Habitus : étude des formes, donc de la géométrie et des formes automorphes et xénomorphes
Système cristallin : forme générique (automorphe)
Clivage : cassures selon des plans parallèles ou perpendiculaires chez certaines espèces (calcite par exemple)
Dureté : capacité d’un matériau à en rayer un autre : on prend en général le verre comme étalon ( le plus dur est le diamant alors que le talc ou le gypse peuvent se rayer à l’ongle )
Densité de la roche (rapport de masse dans l'air et dans l'eau), peut s'estimer en soupesant. Par ex, tous les quartz ont une densité de 2,65.
Effervescence à HCl : réaction de la calcite à l'acide chlorhydrique, le minéral mousse.
Pétrologie
trois catégories de roches
roches sédimentaires
roches métamorphiques (suite aux changements de pression et température)
roches magmatiques
Le magma : roche liquide mais présence de cristaux solides et d'une phase gazeuse : les deux types de roches magmatiques dépendent de la profondeur de refroidissement
plusieurs espèces dans les roches magmatiques
Les feldspaths alcalins
Les feldspaths plagioclase
Le quartz
Les micas
Les amphiboles
L'olivine
Le pyroxène
Les feldspathoïdes
Création de pluton en profondeur : le magma trop visqueux reste en profondeur et refroidit lentement : création d'une roche grenue : grain jointif et minéraux complètement cristallisés
Création de roche volcanique (ou effusive, ou microlitique) lorsque le magma arrive en surface (on parle de lave) et qu'il refroidit rapidement : tous les minéraux n'ont pas le temps de cristalliser : création d'une matrice autour de cristaux parfaitement formés
Pour reconnaître une roche, il faut :
Nommer correctement les minéraux
Déterminer la structure et la texture (grenue/microlithique)
Observer les proportions abondances relatives
La circulation océanique et le climat de la Terre
Les leçons du passé : étude des paléoclimats
Théorie de Milankovitch : les changements de climats observables dans ces carottes sont causés par les modifications de l'insolation terrestre : obliquité et excentricité de la planète, ainsi que de nombreux autres facteurs
Forçage externe
variations orbitales : excentricité (cycle de 100 000 ans ), précession (cycle de 23 000 ans), obliquité (cycle de 41 000 ans)
activité solaire
Forçage interne
mouvement tectonique : circulation océanique, élévation moyenne
composition atmosphérique : émissions volcaniques (CO2, SiO2)
Mécanismes associés à ces changements climatiques
changement de la redistribution de la chaleur par les courants atmosphériques, océaniques, mais aussi fréquence et distribution des cyclones
Modification majeure de la biosphère
Changement d’albédo : la chaleur n’est plus réfléchie
Etude des paléoclimats grâce à l'étude des glaciers : ceux ci ont changé de volume à chaque période glaciaire et interglaciaire, l'étude des carottes de sédiments dans les fonds océaniques, dont la composition lithogène te biogène change selon les conditions. On peut aussi étudier des carottes de glace, qui permettent d'observer les différences des teneurs en différents isotopes stables
En comparant les teneurs de CO2 des périodes passées (entre 180 ppm -en période glaciaire- et 280 ppm -en période interglaciaire- à la teneur actuelle , càd 400 ppm, on observe des différences alarmantes
Impact de la circulation océanique sur notre climat
Rôles de la circulation océanique
redistribution de la chaleur atmosphérique
stockage du CO2 anthropogénique : les eaux chaudes en rejettent mais il se dissout dans les eaux froides
Transporte 50% de la chaleur (le reste de cette chaleur est transportée par l'air) grâce à des courants de surface chauds (14°) et des courants profonds froids (3-5°)
Phénomènes liant climat et océan
le Gulf stream : à cause de lui, il fait plus chaud en Atlantique Est que Ouest. Il apporte les eaux salées et chaudes du golfe du Mexique vers les hautes latitudes
les gyres anticycloniques : dans le sens des aiguilles vers le nord, donc des tropiques vers les pôles
Menaces sur l'océan actuel
Acidification des eaux
Modifications physico-chimiques : moins de CO2 absorbé dans les eaux froides et plus rejeté par les eaux chaudes
Augmentation du niveau de la mer par la fonte des glaces