Chapitres
Le Système Solaire
Le Système solaire est le système planétaire dans lequel nous vivons et dans lequel se trouve notre Terre. Il est intégré dans la galaxie de la Voie Lactée.
Un système planétaire est un système dans lequel on retrouve des planètes avec des corps inertes tels que des astéroïdes ou des comètes. Le tout gravite autour d'une étoile.
L'adjectif solaire est relatif au Soleil. Le système solaire est donc constitué du Soleil et d'astres qui orbitent autour de lui tels que des planètes, comètes, astéroïdes, etc. Le système solaire est né il y a environ 4,6 milliards d' années, dans un énorme nuage de gaz et de poussières. Au centre du nuage, une boule lumineuse s'est formée : le Soleil. Des grains de poussières qui tournaient autour du Soleil se sont regroupés pour devenir de grosses boules de tailles différentes: les planètes.
Le Soleil est une étoile comme celles que l’on peut observer la nuit. Il est plus lumineux et semble plus gros que les autres étoiles, car il est beaucoup plus proche de la Terre.
Le Soleil, et donc le système solaire, fait partie d’une galaxie, la voie lactée, qui regroupe des centaines de milliards d'étoile. Celle-ci est observable dans des conditions optimales sous forme d'une bande blanchâtre dans le ciel nocturne.
La Voie Lactée n'est elle-même qu'une galaxie parmi des milliards d'autres.
La naissance du Système Solaire
Même si les scientifiques restent mitigés sur la formation du Système Solaire et des planètes, c'est bien la théorie du Big Bang qui reste privilégiée.
Le terme de Big Bang décrit un modèle, une théorie sur l'apparition de l'Univers.
Servant à décrire l'expansion de l'Univers, le Big Bang a été proposé pour la première fois par un astrophysicien belge, Georges Lemaître.
C'est seulement quelques années plus tard qu'Edwin Hubble utilisera le terme de Big Bang en 1929. Ce terme, utilisé de manière ironique devait illustrer l'explosion qui a eu lieu précédant l'expansion de l'Univers.
Hubble a démontré de nombreuses choses en rapport avec l'espace et l'Univers en général. On lui doit par exemple la loi de Hubble, qui décrit la distance entre une galaxie et son observateur selon la vitesse d'éloignement constatée.
De nos jours, on sait que lors du Big Bang, l'Univers était très chaud et très dense. On suppose également qu'une grosse explosion lors du Big Bang créa une dispersion très puissante avant d'être suivie d'une expansion plus douce.
A la suite du Big Bang, les planètes du Système Solaire se seraient donc créées puis leur mise en place autour du Soleil aurait donné naissance au Système Solaire.
Les astres du Système Solaire
Le Soleil, centre du Système Solaire
Le Soleil est notre étoile. Il tourne à 28 000 années lumière du centre de notre galaxie, la Voie Lactée, le tout à une vitesse de 225 kilomètres par seconde.
Il représente le plus gros objet de notre système solaire et occupe à lui seul 99 % de la masse du système solaire.
Il se compose de 75 % d'hydrogène et de 25 % d'hélium.
La température en son centre peut atteindre les 14 000 000 K, soit 13 999 726, 85 °C.
On estime sa durée de vie à environ encore 7 milliards d'années.
Le Soleil est le centre de notre système solaire mais il n'est pas du tout au centre de la Voie Lactée. De même que la Terre et les planètes tournent autour du Soleil (elles effectuent des révolutions), l' ensemble du Système Solaire tourne autour du centre de la Voie Lactée. Le Soleil est une étoile d'un diamètre de 1 392 000 km, soit 108 fois le diamètre de la Terre (12 756 km). Comme toutes les étoiles, le Soleil est une boule de gaz très chauds. Au cœur du soleil, des milliers d'explosions se produisent en permanence, comme celles des bombes atomiques. Ces explosions dégagent de la chaleur et de la lumière qui remontent à la surface et le font briller. Et cela peut encore durer 5 milliards d'années ! Le Soleil est la seule source primaire de lumière du système solaire. Les autres astres sont visibles, car ils diffusent la lumière du Soleil : ce sont des sources secondaires. Tant qu'il sera encore chaud, il produira de la lumière. Mais, quand plus aucune explosion ne se produira, il se refroidira lentement. Privée de la lumière et de la chaleur du Soleil qui est l'étoile la plus proche de nous, la Terre ne serait qu'une planète sans vie. Si le Soleil s'éteignait, nous continuerions encore à le voir pendant 8 minutes puis ce serait le noir complet.
Les planètes
Mercure
Il s'agit de la première planète du système solaire. Sa grande proximité avec le soleil fait qu'elle en fait 2 fois le tour en une seule journée. Elle tire son nom du dieu romain du commerce et des voyages, Mercure. Egalement messager des dieux, il était réputé pour sa grande vitesse. C'est sans doute pour cela que les Romains ont nommé la planète ainsi lors de sa découverte.
Son sol se constitue uniquement de cratères, un peu comme sur la Lune. Entièrement brûlée par le soleil, on y trouve que des roches et des poussières. Des plaines se mêlent aux falaises de plusieurs kilomètres et pouvant s'étendre sur des centaines de kilomètres.
La température y varie entre 400 °C et -200 °C selon que la face soit exposée ou non au Soleil.
En son cœur, Mercure se compose de fer.
Vénus
Vénus est la deuxième planète du système solaire. Elle ressemble de très près à notre planète, la Terre.
Un année sur Vénus représente 225 jours.
Son atmosphère se compose de 95 % de dioxyde de carbone pour 5 % d'azote. Des vents violents de plus de 300 km/h y règnent au sommet des nuages. On y trouve aussi des nuages très denses d'acide sulfurique responsables d'un effet de serre conséquent qui peut pousser la température de la surface à 740 K, soit 466 °C.
Ces nuages rendent aussi difficile l'observation de la surface de la planète lorsqu'on se trouve en orbite au dessus d'elle.
Sa vitesse de rotation étant trop lente, Vénus ne dispose pas de champ magnétique.
La plus brillante après le Soleil et la Lune, on l'appelle étoile du Berger quand on la voit depuis la Terre. C'est comme cela qu'elle a récupéré le nom de Vénus, déesse de la beauté dans la mythologie romaine. En effet, elle est considérée comme la plus belle planète visible dans le ciel.
Son sol se constitue de lave et de nombreux volcans qui sont en éruption.
La Terre
La Terre est la troisième planète du Système solaire. Elle effectue le tour du Soleil en 365 jours. Il s'agit à ce jour de la seule planète sur laquelle la vie est possible.
Son atmosphère se compose à 75% d'azote pour 21 % d'oxygène.
Elle possède un champ magnétique initié par les courants électriques de son noyau en acier.
Elle possède un satellite, la Lune qui influe sur ses marées.
Mars
Mars est la quatrième planète su Système solaire. Elle effectue le tour du Soleil en 686 jours.
La planète Mars tire son nom du dieu romain de la guerre. Depuis la Terre, cette planète apparaît rouge et c'est comme cela que les Hommes depuis la Préhistoire l'ont associée à la couleur rouge du sang des champs de bataille.
Son atmosphère est composée de gaz carbonique, d'azote et d'argon.
On retrouve sur son sol des roches et quelques cratères. Des plaines se mêlent aux volcans qui peuvent parfois atteindre 200 km de rayon et 20 km de hauteur.
Le climat à la surface de Mars est très hétérogène. Il peut aller de - 133 °C à 70 °C.
On sait grâce aux photographies de sa surface que de l'eau s'est écoulée un jour sur Mars. Cette dernière a laissé des lits visibles.
Mars est à l'origine de superstitions quant à la vie extra terrestre. En effet, on a longtemps à l’existence d'une autre forme de vie qui aurait été caractérisée par les martiens.
On connaît deux satellites à Mars : Phobos et Deïmos.
Jupiter
Jupiter est la cinquième planète du Système solaire. Il s'agit également de la plus grosse.
Il lui faut 11 ans pour tourner autour du soleil tandis qu'elle fait un tour sur elle même toutes les 10 heures.
Il s'agit d'une planète gazeuse. Cela signifie qu'elle n'a aucune surface solide. Elle est uniquement composée de nuages. Son atmosphère recouvre 90 % d'hydrogène pour 10 % d'hélium. On peut également y retrouver des traces d'eau, d'ammoniac ou de méthane.
Son cœur est très chaud et avoisine les 20 000 K, soit environ 19 726 °C.
Elle détient également un fort champ magnétique qui s'étends jusque après Saturne.
Jupiter a été visitée par de nombreuses sondes telles que :
- Pioneer 10 ;
- Pioneer 11 ;
- Voyager 1 ;
- Voyager 2 ;
- Ulysses.
Elle est entourée de presque 80 satellites. Comme sa voisine Saturne, elle est entourée d'anneaux assez petits et constitués de poussières.
Saturne
Saturne est la sixième planète du système solaire. Elle est aussi la deuxième en taille.
Elle tourne sur elle même en 29 ans.
Son atmosphère est sensiblement la même que celle de Jupiter : 75 % d'hydrogène et 25 % d'hélium.
Son noyau est en silicates et en fer. Il y règne une température de 12 000 K.
Saturne est célèbre pour ses anneaux gazeux et poussiéreux qui tournent autour d'elle.
62 satellites tournent autour d'elle. Ces derniers sont de tailles hétérogènes. Parfois aussi gros qu'une planète et parfois de simple petits amas rocheux.
Uranus
Uranus est la septième planète du Système solaire.
Elle fait le tour du soleil en 84 ans.
Invisible à l’œil nu, elle fut la première planète du Système solaire à être découverte en 1781.
Elle se compose de roches et de glaces et son atmosphère est constitué de 83 % d'hydrogène pour 13 % d'hélium. Le reste est du méthane, ce qui donne à la planète sa couleur bleue.
Son noyau est composé de silicates et de fer entourés de glace.
Elle déteint 27 satellites et 13 anneaux.
Neptune
Neptune est la huitième planète du Système solaire.
Il lui faut 165 ans pour tourner autour du soleil et 16 heures pour effectuer un tour complet sur elle-même.
La planète se compose de 15 % d'hydrogène, de glaces, de roches et d'hélium. Soin atmosphère est aussi composée d'hydrogène et d'hélium.
On compte 14 satellites à Neptune.
Exercice 1 : L'énergie rayonnée par les étoiles
Les étoiles, comme notre Soleil ou Véga de la constellation de la Lyre, sont des sources d’énergie.
1- Nommer et décrire le mécanisme qui est à l’origine de l’énergie rayonnée par une étoile.
Rappel sur la loi de Wien : la longueur d’onde correspondant à l’intensité lumineuse maximale λmax est donnée par :
\[\lambda _ {max} = \frac {2.89 \cdot 10 ^{-3}} {T}\]
Avec λmax en mètre et T en Kelvin.
Relation entre température Θ en degré Celsius (°C) et température T en Kelvin (K) : Θ = T - 273,15
La longueur d’onde correspondante à l’intensité lumineuse maximale pour le Soleil est λmax = 500 nm.
À partir de vos connaissances et des informations apportées par les documents, répondre aux questions suivantes.
2- Indiquer si la température de surface de l’étoile Véga est supérieure ou inférieure à celle du Soleil. Justifier votre réponse.
3- Recopier sur votre copie la proposition la plus juste parmi les suivantes et justifier votre réponse.
La température de surface de l’étoile Véga vaut environ :
- 750 K ;
- 7500 K ;
- 7200 °C ;
- 72000 °C.
4- L’énergie nécessaire à la production de biomasse par les animaux provient indirectement du Soleil. Justifier cette affirmation en s’appuyant sur des informations extraites des documents 2 et 3 ainsi que de vos connaissances.
La réponse ne doit pas excéder une page.
La photosynthèse est un métabolisme qui se déroule dans les cellules chlorophylliennes. La respiration cellulaire est un métabolisme se déroulant dans toutes les cellules et qui produit un type de molécule permettant des transferts d’énergie et ainsi le fonctionnement cellulaire : l’ATP (adénosine tri-phosphate).
Figure 1 : une pyramide énergétique dans un écosystème terrestre
Les différents maillons d’un réseau trophique sont positionnés verticalement en fonction de leur place fonctionnelle (des producteurs primaires à la base aux consommateurs tertiaires en haut). Dans cet exemple d’écosystème, environ 10 % de l’énergie disponible à chaque niveau trophique sont convertis en nouvelle biomasse au niveau suivant, ce qui représente une efficacité trophique.
Figure 2 : la répartition de l’énergie dans un niveau de chaîne trophique.
Moins de 17 % de la nourriture d’une chenille sert réellement à la production de biomasse (croissance).
Exercice 2 : L'exposition au Soleil
Le Soleil est essentiel à la vie, cependant certaines précautions s’imposent lors d’une exposition. En effet une exposition répétée et excessive aux rayons ultraviolets (UV) du Soleil peut provoquer des brûlures (coup de soleil), endommager la peau et augmenter le risque de cancer.
Il est donc recommandé de porter des vêtements protecteurs et d’utiliser une crème solaire.
Dans le cas où la protection n’a pas été suffisante, il existe des produits pour soulager les brûlures.
Données :
Masses molaires atomiques :
M(H) = 1,0 g.mol-1 ; M(C) = 12,0 g.mol-1 ; M(N) = 14,0 g.mol-1 ; M(O) = 16,0 g.mol-1.
1. Une crème pour soulager
Un coup de soleil ou érythème solaire est une brûlure superficielle de la peau liée à une protection insuffisante lors d’une exposition au Soleil.
La benzocaïne (4-aminobenzoate d'éthyle), de masse moléculaire 165 g.mol-1, est le principe actif d’un médicament pouvant soulager la douleur consécutive à cette brûlure. Elle peut être synthétisée avec un rendement de l’ordre de 60 % à partir de l'acide 4-aminobenzoïque en présence d’un faible ajout d’un catalyseur : l’acide sulfurique. L’équation de la réaction est la suivante :
1.1. Justifier à partir de sa formule topologique que l’acide 4-aminobenzoïque appartient à la famille des acides aminés
1.2. Estimer la masse d’acide 4-aminobenzoïque minimale pour former 1,0 g de benzocaïne.
1.3. Préciser, en justifiant, si le rendement de la synthèse serait modifié par ajout d’une plus grande quantité d’acide sulfurique.
2. Une crème pour se protéger des coups de soleil
Composition de la crème solaire étudiée :
Filtre solaire contenant du butyl-méthoxydibenzoylméthane.
Formulation à 3% (pourcentage massique en principe actif : 3,0 g de butyl-méthoxydibenzoylméthane pour 100 g de produit).
Données concernant le butyl-méthoxydibenzoylméthane :
Absorbances de solutions réalisées avec la crème solaire étudiée :
On mesure l’absorbance de solutions réalisées avec 0,2 g de crème solaire dissoute dans 1 L de solution de méthanol :
- Crème solaire à l’ouverture : A = 0,52 ;
- Crème solaire ouverte depuis 3 mois : A = 0,52 ;
- Crème solaire ouverte depuis 6 mois : A = 0,51 ;
- Crème solaire ouverte depuis 9 mois : A = 0,43 ;
- Crème solaire ouverte depuis 12 mois : A = 0,35 ;
- Crème solaire ouverte depuis 15 mois : A = 0,25.
On considère que l’absorption des espèces chimiques autres que le butyl-méthoxydibenzoylméthane est négligeable.
Les différents types de rayonnements UV :
Les trois types de rayonnements ultraviolets sont les suivants :
- Les UV-a, dont la longueur d’onde est relativement grande, entre 315 nm et 400 nm ;
- Les UV-b, de longueur d’onde intermédiaire entre 280 nm et 315 nm ;
- Les UV-c, de courte longueur d’onde entre 100 nm et 280 nm.
Ces rayonnements UV sont plus ou moins absorbés par la couche d’ozone et l’atmosphère terrestre comme le montre la figure 3.
On considérera que la crème reste efficace tant que le pourcentage massique en principe actif est supérieur à 2,5%, quelle que soit la longueur d’onde de la radiation absorbée.
Travail à réaliser
Présenter un bilan des performances de la crème solaire étudiée concernant :
Sa capacité à protéger des différents types de rayonnements UV ;
Sa durée de conservation après la première ouverture (on pourra étudier en particulier l’évolution du pourcentage massique en principe actif au cours du temps).
Proposer des pistes afin d’améliorer les performances de la crème solaire étudiée.
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