QCM, exercices, problème

Auteurs: Alain Doressoundiram, Françoise Roques, Marie-France Landréa

Exercez-vous

La quête de l'eau dans le cosmos, c'est chercher et étudier l'eau dans le Système Solaire, dans le milieu interstellaire, dans les galaxies, en analysant le résultat d'observations obtenues à l'aide de télescopes au sol ou de missions spatiales.

Nous vous proposons quelques exercices d'auto-évaluation sur les connaissances abordées dans la vidéo "Du temps, de l'espace et de l'eau" et dans le document "Mémoire sur l'eau dans l'Univers".

Chapitres de la vidéo "Du temps, de l'espace et de l'eau"
images/chapitreH2O.png
chapitrage et temps de la vidéo
Crédit : Maarten Roos/LightCurve Films

QCM - Système Solaire

Auteur: Alain Doressoundiram

Rappels : Système Solaire

orbites-planetes.jpg
Orbites des huit planètes principales et de la planète naine Pluton.
Crédit : Gilles Bessou/Obsrervatoire de Paris/NASA

Le Système Solaire est l'ensemble de l'espace gouverné par l'attraction gravitationnelle du Soleil. Il comprend notamment :

Remarque : QCM : Selon les questions, une ou plusieurs réponses sont possibles


Terre

qcmQCM

1)  Comment se sont formés les océans sur la Terre ?






Mars

qcmQCM

L'atmosphère de Mars est composée de CO2, la pression y est si faible (100 fois plus faible que sur Terre) que votre corps enflerait si vous vous teniez à la surface de Mars, sans une combinaison spatiale.

Les conditions actuelles sur Mars ne permettent pas la présence d'eau sous sa forme liquide à la surface et donc de la vie. La température et la pression sont incompatibles avec de l'eau liquide et la surface de Mars est complètement stérilisée en particulier par les rayons UV du Soleil.

1)  Alors, pourquoi pense-t-on qu'il y a eu de l'eau liquide sur Mars ?






Planètes

qcmPlanètes telluriques

1)  Après leur formation, qu'est-ce qui apporte du CO2 dans les atmosphères des planètes telluriques ?





qcmPlanètes sans atmosphère

1)  La température d'équilibre d'une planète sans atmosphère dépend de :






QCM - Effet de serre

Auteur: Alain Doressoundiram

Quelques rappels

Crédit : Alain Doressoundiram - Gilles Bessou/Observatoire de Paris

Température d'équilibre

Le Soleil est la source d'énergie principale reçue par les planètes. La température d'équilibre à la surface des planètes dépend de leur distance au Soleil. Plus on est près du Soleil plus il fait chaud (Mercure) et plus on est loin plus il fait froid (Mars). Le mécanisme physique qui permet ce chauffage est l'absorption par la surface du rayonnement solaire émis dans le domaine Ultra-Violet (UV) et visible.

En fonction des propriétés de la surface (composition, relief, océans, calotte polaire, ...) et de la latitude, le sol absorbera plus ou moins efficacement ce rayonnement, tandis que l'énergie solaire non-absorbée sera réfléchie par la surface vers l'espace. Le coefficient de réflexion, caractérisant la part d'énergie réfléchie, est appelé albédo. Il dépend aussi de la composition chimique de l'atmosphère et de la couverture nuageuse.

effet-de-serres.gif
Crédit : Alain Doressoundiram - Gilles Bessou/Observatoire de Paris

objectifsL'effet de serre

La surface de la planète absorbe l'énergie solaire dans le domaine UV-visible, puis elle se refroidit en émettant un rayonnement Infrarouge (IR). Ce rayonnement IR se dirige vers l'espace en traversant l'atmosphère de la planète, avec laquelle elle peut interagir. Les gaz à effet de serre tels que l'eau (H2O) , le dioxyde de carbone ou gaz carbonique (CO2), et le méthane (CH4) présents dans une atmosphère absorbent le rayonnement IR et le re-émettent dans toutes les directions, et notamment vers la surface, favorisant ainsi une accumulation de l'énergie thermique, et par conséquent une augmentation de la chaleur.

Ainsi, la température moyenne à la surface peut être supérieure à la température d'équilibre de la planète (cas de Vénus et de la Terre). L'effet de serre est notablement présent lorsque l'on a une atmosphère relativement transparente dans le domaine UV-visible et opaque dans l'infrarouge. On notera que la présence de nuages peut aussi augmenter l'effet de serre (par exemple les nuages d'acide sulfurique sur Vénus). L'effet de serre augmente la température à la surface de Vénus, la Terre et Mars, respectivement de 500, 35 et 5 °C.


QCM : Gaz à effet de serre

Selon les questions, une ou plusieurs réponses sont possibles

qcmQCM

1)  Les molécules suivantes sont des gaz à effet de serre :





qcmQCM

1)  Si la température de la Terre augmentait de 100 °C : il y aurait une fonte des calottes polaires et une évaporation massive des océans amenant plus de vapeur d'eau dans l'atmosphère. Les roches carbonatées libèreraient du CO2. Avec la diminution des océans il y aurait moins d'eau (liquide) pour dissoudre le CO2 atmosphérique. Ces différents effets combinés, augmenteraient la pression atmosphérique au sol et par conséquent la température. On rentrerait dans une phase d'emballement de l'effet de serre comme sur Vénus



QCM - Ailleurs dans le cosmos

Auteur: Alain Doressoundiram

Ailleurs dans le cosmos

qcmQCM

1)  Les noyaux cométaires sont constitués de glaces et de poussières. Cette glace est-elle comestible ?





qcmQCM

1)  L’eau dans l'univers est




qcmQCM

1)  Pourquoi les roches et les métaux se sont-ils trouvés concentrés dans la partie interne de la nébuleuse protosolaire pour former les planètes telluriques ?






Exercice : Satellites galiléens de Jupiter

Auteur: Françoise Roques

Les satellites galiléens de Jupiter

Jupiter et les satellites galiléens
jupfam1_galvg.jpg
Crédit : Images de la NASA

Les satellites galiléens (appelés ainsi parcequ'ils ont été découverts par Galilée en 1610) sont les 4 satellites « réguliers » les plus proches et les plus massifs de Jupiter .

Les satellites « réguliers » ont des orbites directes, de faible excentricité et sont proches du plan équatorial de la planète. A l'opposé, les satellites « irréguliers », sur des orbites plus lointaines, excentriques, parfois rétrogrades, ont été capturés à partir d'orbites circumsolaires (du latin « circum » qui veut dire « autour »).

images/excentricite.png
Simulation sur le site "Les exoplanètes". Une des caractéristiques d'une orbite : l'excentricité e = slash(c;a)
Crédit : UFE/Observatoire de Paris

Les satellites réguliers se sont formés dans un disque circumplanétaire de gaz et de poussière. Les mécanismes de formation sont les mêmes que ceux qui ont formé les planètes dans le disque circumsolaire.

Les propriétés des satellites galiléens, notamment la décroissance de leurs densité avec la distance à la planète, sont des traces de ces processus de formation.

Propriétés des satellites galiléens
Densité (g/cm3)rayon (km)masse ( x 1020 kg)
Io3.53 1821893.
Europe3.01 1565 480.
Ganymède1.94 26341482.
Callisto1.83 24031076.

Glace dans les satellites

Difficulté : L2

Auteur: Françoise Roques

exerciceExercice

On suppose que les satellites sont composés, d'une part de glace, et d'autre part d'éléments lourds, mélange de roches et de métaux. On suppose aussi que IO ne contient pas du tout de glace. En supposant que la densité des éléments lourds est égale à la densité de IO, et que la densité de la glace d'eau est de 1 g/cm3 :

Question 1)

Calculer la proportion de glace dans Europe, Ganymède et Callisto ?

Question 2)

Le résultat est correct pour le satellite Europe. Par contre, pour Ganymède et Callisto les résultats sous-estiment la proportion de glace . Expliquer pourquoi ?


Exercice - Zone Habitable

Auteur: Françoise Roques

Zone habitable

Dans quels endroits de l'Univers a-t-on le plus de chances de découvrir de la vie ?

Deux conditions sont nécessaires au développement de la vie, la présence d'un solvant liquide afin de favoriser les échanges chimiques et une source d'énergie stable pour alimenter ces échanges.

Le solvant le plus courant dans l'Univers est l'eau, car la molécule d'eau est constituée des atomes qui sont les plus abondants dans l'Univers : l'Hydrogène (en premier) et l'Oxygène (en troisième).

Les étoiles (quand elle ne sont pas variables !) sont une source d'énergie stable durant des milliards d'années. La proximité des étoiles est donc un lieu favorable au développement de la vie.

Ces deux conditions conduisent à une première définition de la "Zone Habitable". On pourra ensuite raffiner cette définition en ajoutant d'autres critères. Une planète est dans la « Zone Habitable » si la température moyenne à sa surface permet la présence d'eau liquide, c'est à dire si cette température est comprise entre 0°C et 100°C.

La température à la surface de la planète dépend de sa distance à l'étoile, a et de la luminosité L_étoile de l'étoile. Elle dépend aussi de l'albédo A de la planète, c’est à dire de sa capacité à renvoyer dans l'espace une partie de la chaleur de l'étoile. Une valeur de moyenne de A est 30%.


Limites de la zone habitable

Difficulté : L1

Auteur: Françoise Roques

exerciceExercice

Nous allons rechercher s'il y a des planètes dans la Zone Habitable d'une étoile. Pour cela, nous allons d'abord calculer les limites de la Zone Habitable, puis comparer ces résultats aux distances auxquelles les planètes se trouvent de leur étoile en considérant que ces planètes ont des orbites excentriques.

Si une planète a une orbite de demi grand-axe a et d'excentricité e, sa distance à l'étoile sera au maximum de a*(1+e) (apoastre) et au minimum de a*(1-e) (périapse).

defellipse.png
Éléments d'une ellipse : centre O, foyer F, grand axe 2*a, apoastre r_a et périastre r_p
Crédit : UFE/Observatoire de Paris

Pour répondres aux questions de cet exercice, vous utiliserez la base de données des planètes extrasolaires: http://media4.obspm.fr/exoplanetes/base/ et le tableau des caractéristiques stellaires ci-dessous :

Tableau des caractéristiques stellaires
TypeVT^effL/L_soleil
O5 -6.035000 3,2 * 10^5
B0-3,7210001,3 * 10^4
B5-0,9135006,3 * 10^2
A00,797007,9 * 10^1
A52,081002,0 * 10^(1)
F02,872006,3
F53,865002,5
G04,660001,3
G55,254007,9 * 10^(-1)
K06,047004,0 * 10^(-1)
K57,440001,6^ (-1)
M08,933006,3 * 10^(-2)
M512,026007,9 * 10^(-3)

et L_ soleil = unité(3,85 * 10^6; W)

Question 1)

Calculez les limites de la Zone Habitable pour une planète d'albédo 30% autour de l'étoile 55 Cancri.

Question 2)

Est-ce qu'une ou des planète(s) de 55 Cancri est dans la Zone Habitable de l'étoile ?


Problème - Comètes

Auteur: Françoise Roques

Les comètes

La comète Hale-Bopp
glycol-f1.gif
Crédit : Nicolas Biver/Observatoire de Paris

Les comètes sont composées essentiellement de glaces et de roches.

Les glaces sont surtout de glace d'eau. Connaissant l'énergie nécessaire pour provoquer la sublimation de l'eau, ainsi que le rayonnement émis par le Soleil, il est possible de calculer que le dégazage est attendu à une température d'environ 200 K (soit -73 degrés Celcius), ce qui correspond à une distance héliocentrique de 2,5 unités astronomiques. Des comètes peuvent être actives à de plus grandes distances du Soleil si leur noyau contient d'autres composés volatils comme de la glace de CO ou de CO2.

En s'approchant du Soleil, la comète va donc perdre de la matière qui va constituer une queue de gaz ionisé et une queue de poussières. La matière constituant ces deux queues obeit à des forces différentes. Le gaz ionisé, gouverné par le vent solaire, se dirige vers la direction opposée au Soleil par rapport au noyau. La queue de poussières est gouvernée par la gravitation et la pression de radiation. Les grains de poussière suivent des orbites kepleriennes déformées en fonction de la taille des particules.

Quelques notions de base sur les comètes sur le site de l'astronome Jacques Crovisier à l'Observatoire de Paris.


Chute vers le Soleil

exerciceExercice

On peut se demander si, les comètes étant constituées de glace, leur passage au voisinage du Soleil ne va pas les détruire? Plus précisément, on veut estimer à partir de quelle taille une comète résiste à un passage près du Soleil sans être détruite par la chaleur de notre étoile.

Pour répondre à cette question, on considère une comète qui part de l'infini avec une vitesse nulle et tombe vers le Soleil. On cherche à estimer l'épaisseur de glace que perd cette comète au cours de sa chute, via la sublimation de son noyau de glace.

Question 1)

Si a(t) est la distance au Soleil à l'instant t, calculer da/dt

Question 2)

Calculer le flux d'énergie solaire à une distance a du Soleil

Question 3)

On suppose que la comète absorbe tout le flux solaire qu'elle intercepte. Calculer la perte de masse de la comète, dM, à la distance a.

Question 4)

Calculer l'épaisseur de glace dr correspondant à la perte de masse dM

Question 5)

Calculer l'épaisseur totale de glace sublimée quand la comète passe de l'infini à la surface du Soleil et comparer cette épaisseur à la taille typique d'un noyau de comète, qui est de 10 km.


Réponses aux QCM

pages_qcm-systeme-solaire/qcm-terre.html

QCM

pages_qcm-systeme-solaire/qcm-mars.html

QCM

pages_qcm-systeme-solaire/planetes.html

QCM 'Planètes telluriques'

pages_qcm-systeme-solaire/planetes.html

QCM 'Planètes sans atmosphère'

pages_qcm-effet-serre/gaz-effet-serre.html

QCM

pages_qcm-effet-serre/gaz-effet-serre.html

QCM

pages_exo-cosmos/qcm-cosmos.html

QCM

pages_exo-cosmos/qcm-cosmos.html

QCM

pages_exo-cosmos/qcm-cosmos.html

QCM


Réponses aux exercices

pages_exercices-eau/exo-glace.html

Exercice


pages_exercices-eau/exo-zone-habitable.html

Exercice


pages_exercices-eau/exo-cometes.html

Exercice