Introduction
Vue globale des surfaces des mondes de type terrestre
Grande diversité géologique pour les cinq mondes de type terrestre : Mercure/Lune, Vénus, la Terre, Mars
Crédit :
Montage Alain Doressoundiram/Gilles Bessou à partir d'images NASA
Les cinq mondes de type terrestre -Mercure, Vénus, la Terre, la Lune, Mars- ont été à priori formés dans le même moule à partir de la nébuleuse primitive. Pourtant nous avons vu dans le chapitre précédent que leurs surfaces présentent une grande diversité géologique. Par exemple, Mercure et la Lune sont des mondes complètement criblés de cratères. Vénus, elle, a un relief perturbé fait de plaines volcaniques et de volcans. Mars, malgré sa taille intermédiaire, abrite les plus grands volcans du Système Solaire et est la seule planète avec la Terre où le ruisselement de l'eau a principalement modelé la surface. Enfin, la Terre a un relief reprenant un peu toutes les caractéristiques vues sur les autres surfaces planétaires avec en plus, trait non anodin, une biosphère qui recouvre quasi complètement la surface de la planète.
Notre objectif dans ce chapitre est de comprendre pourquoi et comment ces différences géologiques ont pu apparaître.
En effet, prenons l'exemple de la cratérisation. Nous constatons que les surfaces des planètes sont inégalement cratérisées. Ainsi, les surfaces de Mercure et de la Lune sont criblées de cratères de toutes tailles alors que pour la Terre et Vénus, ces mêmes cratères sont rares. Mars par contre est un cas intermédiaire entre ces deux extrêmes. Pourquoi existe-t-il de telles différences ?
Cratère Manicouagan, Canada
La cratère Manicouagan au Canada est l'un des plus grands cratères (70 km), encore préservé sur Terre.
Il date d'environ 200 millions d'années. On remarque la présence d'un lac annulaire dans le cratère.
Crédit :
NASA
Cratères : un peu, beaucoup, passionnément
Prenons comme exemple le système Terre-Lune. La Lune, notre plus proche voisine a une surface complètement criblée de cratères, alors que la surface de la Terre semble relativement indemne.
Pourtant les deux astres sont soumis au même environnement météoritique, au même flux d'impacteurs. La Terre aurait-elle été épargnée par rapport à la Lune par un quelconque mécanisme protecteur ?
La réponse est NON
La Terre a bel et bien subi autant d'impacts que la Lune, et ce n'est pas l'atmosphère (absente sur la Lune) qui aurait pu arrêter les plus gros bolides cosmiques. Donc si la Terre n'a pas été exempte d'impacts, où sont alors les cicatrices ? Sur Terre on ne dénombre qu'environ 200 cratères d'impacts dont la plupart sont méconnaissables, alors que la surface de la Lune arbore des milliers de cratères. L'explication c'est l'EROSION. C'est ce phénomène qui a effacé les traces d'impacts sur Terre alors qu'il est absent sur la Lune. Les acteurs de l'érosion sur Terre sont par ordre d'importance :
- l'eau (les précipitations)
- le vent
- le volcanisme et la tectonique des plaques, sur des échelles de temps plus longues
Ainsi donc l'érosion est responsable des disparités de cratérisation des surfaces planétaires. Mais a-t-on résolu pour autant l'origine profonde de ces disparités ? En effet, pourquoi l'action du volcanisme (qui est le mécanisme d'érosion à prendre en considération sur des échelles de temps géologiques) est-il si différent d'une planète à l'autre ? C'est l'objet de la partie suivante.
Structure interne des planètes 
La composition globale des planètes telluriques est rocheuse, c'est-à-dire constituée de silicates, de fer et de nickel. Ce qui donne une densité d'environ 5 (rappel : la densité de l'eau est 1).
Les planètes telluriques se sont formées par accrétion de planétésimaux. En conséquence, durant cette phase d'accrétion initiale, les planètes sont restées :
Ensuite, à cause de la gravitation, on assiste à la chute des matériaux les plus lourds (fer, nickel) vers le centre :
c'est le phénomène de la différenciation qui conduit à la formation d'un noyau plus dense. Le manteau est constitué de silicates.
Le refroidissement de la surface donne ensuite lieu à la formation de la croûte solide. Pour la Terre, La densité décroît du noyau (12) jusqu'à la croûte (3) en passant par le manteau (5).
Les trois sources de chaleur
Crédit :
ASM/Alain Doressoundiram et Gilles Bessou
L'activité géologique d'une planète dépend de sa structure interne (manteau liquide, épaisseur de la croûte, ...) et sa structure interne dépend de sa température interne. Nous allons voir ci-après comment l'énergie est emmagasinée dans l'intérieur de la planète, et comment elle s'échappe vers l'extérieur.
Comment l'intérieur de la planète est-il chauffé ?
Trois principales sources d'énergie contribuent à chauffer l'intérieur d'une planète : l'accrétion, la différenciation et la radioactivité. Une quatrième source appelée effet de marée, n'est pas importante pour les planètes telluriques, mais joue un rôle majeur pour les satellites galiléens (les satellites de Jupiter), en particulier pour Io.
- L'accrétion est la première source d'énergie interne pour les planètes telluriques. L'accrétion est le phénomène par lequel un embryon planétaire grossit en agglomérant les planétésimaux alentour par collision. L'énergie cinétique des impacteurs (
) est transformée en énergie thermique qui s'ajoute à l'énergie interne de la planète. Les multiples impacts violents qui ont prévalu dans les premiers temps de la formation des planètes ont déposé une telle quantité d'énergie que la planète entière était en fusion (état liquide). - Cet état liquide généralisé a permis au processus de différenciation d'entrer en jeu. Sous l'effet de la gravitation, les matériaux les plus denses (les métaux) coulent dans le noyau de la planète alors que les roches les plus légères restent à la surface. La différenciation produit de la chaleur en transformant l'énergie gravitationnelle en énergie thermique
- La troisième source d'énergie provient de la décroissance radioactive d'éléments comme l'uranium, le potassium, l'aluminium, etc. Quand les noyaux radioactifs se désintègrent, des particules sub-atomiques sont éjectées à très grande vitesse, chauffant les atomes voisins par collision. La radioactivité transfère ainsi une partie de la masse-énergie (
) de l'élément radioactif en énergie thermique pour l'intérieur de la planète.
Remarque
Les intérieurs de planètes se refroidissent lentement, au fur et à mesure que leur énergie interne s'évacue. A ce jour, 4,6 milliards d'années après la formation des planètes, l'énergie initiale due à l'accrétion et à la différenciation a été presque complètement évacuée. Aujourd'hui, la majeure partie du flux de chaleur provient de la radioactivité naturelle.
Comment la planète se refroidit-elle ?
La chaleur s'échappe de l'intérieur de la planète au moyen de trois processus : la convection (dans une cellule convective du manteau liquide, de la roche chaude monte tandis que de la roche plus froide redescend), la conduction (qui transporte la chaleur dans la croûte rigide), et le volcanisme (qui amène la lave en fusion à la surface)
Crédit :
ASM/Alain Doressoundiram et Gilles Bessou
Comment l'intérieur de la planète se refroidit
La chaleur emmagasinée dans la planète s'échappe continuellement de l'intérieur. Cette évacuation se fait de l'intérieur chaud vers la surface plus froide au travers de quatre processus principaux : la conduction, la convection, le volcanisme et la tectonique des plaques.
- La conduction est le processus par lequel la chaleur se propage d'un corps chaud à un corps froid par contact physique. Par exemple la conduction est responsable du flux de chaleur passant de votre main à un verre d'eau glacé.
- La convection est le processus de transport de chaleur par lequel un fluide chaud se dilate et monte, tandis qu'un fluide plus froid se contracte et descend entraînant une circulation. C'est ce qui se passe quand on fait chauffer une casserole d'eau et c'est ce qui se passe aussi dans l'intérieur d'une planète.
- Le troisième (tout comme le quatrième) processus est une manifestation brusque de l'évacuation de la chaleur à la surface. C'est le volcanisme de points chauds, c'est-à-dire la remontée de magma en des points précis.
- et dernier processus, la tectonique des plaques, c'est-à-dire le mouvement de la croûte de la planète.
Remarque
On peut se demander quelle est notre source d'énergie principale sur Terre : le rayonnement solaire ou l'énergie interne ?
A la surface, l'énergie provenant de l'intérieur est 10 000 fois moins importante que celle provenant du Soleil.
L'abondance des cratères permet de dater l'âge des surfaces et la fin du volcanisme :
- Mercure et Lune : fin il y a 3 milliards d'années
- Mars : fin il y a 500 millions d'années
- Terre et Vénus (?) : toujours en activité
Pourquoi de telles différences ?
L'énergie interne disponible est proportionnelle au volume : 
(R est le rayon de la planète)
Le refroidissement est proportionnel à la surface : 
Il en résulte que la durée de l'activité est proportionnelle au rayon
de la planète.
La taille est donc le facteur ultime qui détermine la durée pendant laquelle la planète restera chaude. Les grosses planètes resteront chaudes longtemps, tout comme une grosse pomme de terre restera chaude plus longtemps que les petites.
Conclusion
Bien que toutes les planètes telluriques soient de composition très similaire et qu'elles se soient formées à peu près au même moment, nous avons appris que leurs histoires géologiques ont différé, principalement à cause de leur taille.
QCM