Chapitres
Mars, présentation
Mars est la quatrième planète su Système solaire. Elle effectue le tour du Soleil en 686 jours. Il s'agit d'une planète tellurique, possédant des cratères et des bassins à sa surface. On y trouve aussi le plus grand canyon et le plus haut volcan du Système Solaire.
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.
Les satellites de Mars
Phobos
Avec un rayon de 11 kilomètres, Phobos est le plus gros des satellites martiens. Il fait le tour de la planète au niveau de l'équateur en un peu plus 7 heures, ce qui fiat qu'il traverse le ciel martien de manière très rapide d'Ouest en Est.
Son orbite autour de Mars se resserre un peu plus chaque année. c'est pourquoi Phobos viendra s’écraser contre la planète dans un peu plus de 100 millions d'années.
Son sol est constitué de cratères et de lignes droites.
Il tire son nom d'une divinité grecque qui représente la peur.
Deïmos
Son rayon étant de 6 kilomètres, Deïmos est le plus petit des satellites martiens. Son sol se constitue de cratères dont certains peuvent atteindre 3 kilomètres de diamètre.
Il tire son nom d'une divinité grecque qui représente la crainte.
Géologie de la planète Mars
Même si on suppose que Mars a subi une grande activité géologique par son passé, de nos jours, son activité sismique est aujourd'hui très limitée.
Il peut arriver que Mars subisse des glissements de terrain, des séismes et encore plus rarement des éruptions volcaniques.
Champ magnétique
La planète Mars, au contraire de la Terre, ne comporte pas de champ magnétique. Cette donnée a pu être vérifiée par la sonde Mars Global Surveyor qui embarquait à son bord un magnétomètre et un réflectomètre à électrons.
Structure interne
En ce qui concerne la structure interne de la planète mars, tout n'est que suppositions. Pour cause, les sondes Viking qui ont analysé le sol martien, sont limitées car le vent à la surface de la planète pouvait gêner les calculs et mesures. Le modèle établi aujourd'hui est donc créé à partir de données indirectes. On suppose que la croûte est composée d'environ 50 km d'épaisseur et que vient ensuite un manteau de plus de 1800 km. Pour finir, le noyau de la planète mesurerait environ 3000 km de diamètre, avec un état principalement liquide.
La vie sur Mars
La science de l'exobiologie, aussi appelée astrobiologie, est un science dite pluridisciplinaire. Cela signifie qu'elle englobe plusieurs disciplines scientifiques, en l'occurrence les mathématiques, la physique, la biologie ou encore la planétologie.
Les exobiologistes, qui travaillent dessus, s'attèlent à l'étude de l'arrivée de la vie sur Terre ou de son existence sur d'autres planètes, qualifiées d'exoplanètes.
La planète Mars, proche en caractéristiques de la Terre, est soupçonnée d'héberger ou d'avoir hébergé la vie. Cette présence n'a jamais été prouvée ou infirmée. Cette croyance a laissé place à l'imagination et la création du personnage du martien.
Afin de prouver l'existence de cette vie, de nombreuses missions d'exploration ont été créées. Divers sondes ont été envoyées pour faire des observations de la surface martienne.
Les premières ondes à avoir été envoyées autour de Mars sont arrivées dans les années 1965. C'est la NASA qui envoie Mariner 4. Grâce à cette sonde américaine, nous obtiendrons les premières images d'une planète différente de la nôtre. Dotée d'une caméra montée sur une perche, elle permet d'obtenir des clichés inédits de la planète et de nous apporter des informations sur son passé, son histoire.
Les conclusions de la mission Mariner 4 sont que la planète Mars a été dotée d'une activité météorologique et tectonique, responsable d'une multitude de cratères sur sa surface. On apprend également que Mars ne possède pas de magnétosphère, enveloppe magnétique qui pourrait la protéger des rayons cosmiques, incompatibles avec la vie. Pour finir, une mesure de la pression atmosphérique de la planète rouge apprend que l'eau liquide ne peut être présente sur cette planète. Pour cause, la pression atmosphérique y est de 0,006 bar tandis que sur notre Terre elle est de 1 bar.
Toutes ces données pousseront les scientifiques à abandonner l'idée de trouver une forme de vie semblable à la notre ou même encore multicellulaire et ils se dirigeront vers des recherches envers des organismes unicellulaires tels que les bactéries.
Le programme Viking va ainsi naître. Son objectif sera d'aller sur le sol martien pour y rechercher des micro-organismes. Celle-ci ramènera sur notre planète des extraits du sol martien pour l'analyser dans les années 70. Malgré de nombreuses expériences, aucune preuve flagrante de la vie sur Mars ne sera relevée.
Depuis, plus aucune mission n'a eu pour projet de prouver l'existence de vie sur la planète. De nombreuses analyses ont été réalisées sur des météorites qui on touché la Terre et qui provenaient de Mars, ce qui a orienté les recherches vers un nouveau, la présence d'eau sur Mars. En effet, l'eau est un élément de base de la vie, et il a été prouvé que Mars en contenait à l'état glacé, que ce soit en surface ou plus particulièrement dans des lacs souterrains.
Explorer Mars
Dernièrement, on parle beaucoup du Rover Curiosity arrivé sur Mars début février 2021. Mais depuis 20 ans, de nombreuses missions d'exploration se sont déroulées sur Mars.
Méconnue, la toute première expédition autour de Mars a eu lieu en 1964. Il s'agissait d'une sonde américaine Mariner 4 appartenant à la NASA. Elle a permis de fournir 22 photographies de la surface martienne.
Une suivante sera menée, Mars 2, en 1971. Cette dernière a été lancée par les soviétiques et arrive à se placer en orbite autour de la planète. La suivante, Mars 3, ira jusqu'à déposer un atterrisseur à la surface de Mars. Même si ce dernier perdra la communication 20 secondes après son atterrissage à cause des vents martiens, cela passe quand même un nouveau cap de la conquête martienne.
Dans une course avec les agences spatiales russes, la NASA lance dans les années 70 le programme Viking. En 1975, la fusée Titan envoie donc deux sondes identiques : Viking 1 et Viking 2. Grâce à leur travail, nous avions alors une cartographie détaillée de presque la totalité du sol martien. De plus, les toutes premières photos de la surface de la planète nous parviennent enfin : un paysage désertique.
Après le succès de ces dernières missions, plus rien ne sera engagé sur Mars du côté américain. Les russes essuieront quelques échecs, notamment avec les sondes Phobos qui toutes perdues.
Ce n'est qu'en 1996 qu'une nouvelle mission, Mars Global Surveyor, est lancée par la NASA. Cette sonde se place en orbite de Mars en 1997. Durant 10 ans, elle va effectuer des actions scientifiques de cartographie, d'analyse des sols et de photographie.
Durant la même année, une deuxième sonde, Mars Pathfinder, est lancée sur Mars pour y analyser le sol, les roches et les composants de la planète grâce au véhicule spatial Sojourner.
Il s'en suit alors une série d'échecs de la part de la NASA : des sondes sont perdues soit lors du lancement soit lors de la mise en orbite. Ce sera le cas par exemple des missions Mars 96, Mars Climate Orbiter, Mars Polar Lander et enfin Deep Space 2.
TP d'entraînement
Un corps chaud émet un rayonnement continu du rouge vers le violet, plus il est chaud, plus il y a de couleurs.
Les étoiles les plus chaudes sont les étoiles dont la longueur d'onde est la plus faible concernant leur lumière.
Les spectres d'émissions de raies sont caractéristiques des éléments. Ils forment une véritable signature de ces éléments. A chaque raie correspond un élément.
Les spectres d'absorptions de raies sont représentés par des traits noirs sur un fond coloré. Un élément absorbe les mêmes raies qu'il est capable d'émettre.
Remarque : Il existe des raies d'absorption de bandes.
Activité d'entités chimiques dans l’atmosphère du soleil
Pour l'Argon on trace la droite d'étalonnage qui associe à n'importe quelle valeur de distance entre les raies une valeur de longueur d'onde.
On fait l'hypothèse que les deux spectres de l'argon et du soleil sont pris dans les mêmes conditions.
Il suffit de prendre la mesure sur le spectre du soleil et à l'aide de la droite d'étalonage on retrouve la longueur d'onde inconnue.
Par comparaison des valeurs inconnues du soleil avec les longueurs d'ondes des différents éléments on peut dire qu'il y a la présence d'hélium et d'hydrogène dans le soleil.
Analyse de l’atmosphère martienne
On observe un spectre coloré continu (c'est la lumière provenant du soleil renvoyée par Mars).
On y observe un spectre d'absorption de raies lié aux éléments de l'athmosphère martienne.
On lit les raies et on en conclut que du méthane et de la vapeur d'eau sont présents dans l'athmosphère martienne.
Pour obtenir des informations sur Mars, il a suffit d'analyser le spectre de sa lumière.
Généralisation : interpréter les spectres d'une étoile
Le profil spectral est une courbe en fonction de la longueur d'onde
Intensité lumineuse = f(λ)
2- Les raies d'absorption correspondent aux raies d'émissions de l'hydrogène ce qui prouve qu'il ya de l'hydrogène dans l'étoile.1 – Les raies d'absorption sont représentés par des pics (minimas) sur le profil spectral.
3- Véga apparaît bleuté car la température de l'étoile est très forte. Elle émet énormément d'ultraviolets.
Comment obtenir un spectre ?
Pourquoi un prisme décompose la lumière blanche ?
Historiquement Newton explique la décomposition de la lumière blanche par un prisme.
L'observation de l'expérience historique de Newton nous montre que la lumière blanche est constituée d'une infinité de radiation lumineuses.
Chaque radiation est monochromatique (une couleur). Elle est caractérisée par sa longueur d'onde (λ).
Donc la lumière blanche est poly-chromatique.
Les lois de Snell-Descartes
Le rayon incident et le rayon réfracté sont dans le même plan.
La relation qui lie le rayon incident et réfracté est la suivante : n1 sini1 = n2 sini2
n1 c'est l'indice de réfraction du milieu 1.
n2 c'est l'indice de réfraction de milieu 2.
Appliquons ces lois à la surface A
n'air' sini1 = n'verre' sini2 (rouge)
n'air' sini1 = n'verre' sini2 (bleu)
n'air' = 1 quelque soit la couleur
Comme sini1 est identique dans les deux lignes et que sini2 (rouge) est différent de sini2 (bleu) alors pour que les relations soient justes n'verre' dépend lui aussi de la relation.
Conclusion :
L'indice de réfraction du verre dépend de la longueur d'onde de la radiation, ce qui permet au prisme de séparer les différentes radiations lors de la réfraction : ce phénomène s'appelle la dispersion de la lumière.
Exercice d'entraînement : Seul sur Mars
Partie 1. Puissance rayonnée par le Soleil
Le Soleil, d’une masse totale de 2,0×1030 kg, est l’étoile du système solaire. Il est composé majoritairement d’atomes d’hydrogène H et d’atomes d’hélium He. Autour de lui gravitent la Terre et d’autres planètes comme Mars. La puissance rayonnée par le Soleil est voisine de 3,9×1026 W.
1- Indiquer en le justifiant, si la formation de l’hélium dans le Soleil est une réaction de fusion ou de fission nucléaire.
2- À l’aide de la relation d’Einstein précisant l’équivalence masse-énergie, calculer en kilogramme la masse solaire perdue par seconde.
Donnée : vitesse de la lumière c = 3,0×108 m·s–1
Partie 2. Puissance solaire reçue par Mars
La base martienne de la mission Ares III est alimentée en énergie par des panneaux solaires qui captent le rayonnement solaire arrivant sur le sol martien. On souhaite connaître la puissance reçue par ces panneaux solaires.
3- Sachant que la planète Mars est située à la distance dM-S = 2,3×108 km du Soleil, et à partir des données de la partie 1, calculer en W·m-2 la puissance par unité de surface traversant la sphère dont le centre est le Soleil et dont le rayon est dM-S. Cette puissance par unité de surface appelée constante solaire de Mars et notée CMars .
Donnée : aire S d’une sphère de rayon d : S = 4×π×d²
La puissance solaire reçue par Mars traverse un disque fictif de rayon RMars et se répartit ensuite sur toute la surface de la sphère martienne de rayon RMars. Celle-ci est en rotation sur elle-même.
On peut considérer que le disque fictif est situé à la même distance du Soleil que Mars.
Source : Daujean, C. D., & Guilleray, F. G. (2019). Le bilan radiatif terrestre. In Hatier (Éd.), Enseignement scientifique (p. 101). Paris, France: Hatier.
4- La puissance solaire moyenne reçue sur Mars par unité de surface est proche de CMars/4 ; sa valeur est voisine de 150 W·m-2. Expliquer qualitativement pourquoi cette puissance moyenne par unité de surface est plus petite que CMars.
Partie 3. Des pommes de terre sur Mars
Document 3. Fixation du CO2 par une feuille
Une feuille est mise au contact en son centre avec du CO2 marqué au 14C radioactif durant 5 minutes. Le CO2 marqué peut diffuser dans la feuille à partir de la zone centrale. Seule la moitié de la feuille est exposée à la lumière. La technique d’autoradiographie permet de localiser des sucres radioactifs qui impressionnent fortement une plaque photographique mise au contact de la feuille (zone sombre sur le document).
Le dôme de la base martienne permet de recréer l’atmosphère terrestre. Grâce à un ingénieux système permettant de fournir l’eau nécessaire à la croissance des végétaux et à un éclairage adapté alimenté en électricité par les panneaux solaires, Mark Watney, botaniste de formation, décide de réaliser une culture végétale qui lui fournira de la nourriture nécessaire à sa survie.
5- À partir de l’exploitation des résultats expérimentaux du document 3, identifier un facteur essentiel à la production de glucides par la plante.
6- Au 79ème jour, Mark Watney récolte les tubercules de pomme de terre, qui ont stocké de l’énergie sous forme chimique.
Calculer le nombre de jours d’autonomie dont dispose Mark Watney grâce à sa récolte de pommes de terre avant qu’une nouvelle mission ne vienne le récupérer sur Mars.
Expliciter la démarche.
Données :
- Surface du champ de pommes de terre : S = 126 m² ;
- Rendement* de la pomme de terre : r = 3 kg·m-2 ;
- Apport énergétique des pommes de terre : A = 3400 kJ·kg-1 ;
- Dépense énergétique moyenne par sol martien de Mark Watney : D = 11000 kJ.
* En agriculture, on appelle rendement la masse végétale récoltée par unité de surface et par saison.
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