Pourquoi la Terre a-t-elle des couches?

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Quels sont les liens avec mon programme d'études?

Cet article présente comment les couches terrestres se sont formées.

Tu sais probablement déjà que la Terre est constituée de couches. Mais sais-tu pourquoi? Regardons ce qui s’est passé sur la Terre et dans l’espace pour former ces couches.

Qu’est-ce que la densité?

Tout ce qui se trouve dans l’univers est constitué de molécules. Dans les solides, les molécules sont très rapprochées les unes des autres. Elles ne sont pas aussi tassées dans les liquides, et le sont encore moins dans les gaz. C’est pourquoi les liquides et les gaz peuvent prendre la forme du contenant dans lequel ils se trouvent, alors que c’est impossible pour les solides. 

La densité (D ou 𝜌) est la relation entre la masse (m) d’un objet ou d’une substance et son volume (v). On peut la calculer à l’aide de la formule D = m/v. Prenons le bois et le plomb. Tous deux sont des solides. Mais dans un mètre cube de plomb, les molécules sont beaucoup plus tassées que dans un mètre cube de bois. Cela a pour conséquence que la masse d’un mètre cube de plomb est plus grande que celle d’un mètre cube de bois. Pour le même volume, le plomb est donc beaucoup plus dense que le bois. 

Les objets et les substances qui sont plus denses subissent sur leur masse une plus grande force gravitationnelle. C’est pourquoi les matières qui ont des densités différentes forment des couches. As-tu déjà vu une vinaigrette faite avec de l’huile et du vinaigre? L’huile forme une couche au-dessus du vinaigre parce qu’elle est moins dense que le vinaigre. 

Ces concepts peuvent également s’appliquer aux couches de la Terre. Comme l’atmosphère de la Terre est constituée de gaz, elle est moins dense que la croûte terrestre, qui est un solide. C’est pour cette raison que la surface et l’atmosphère de la Terre forment des couches distinctes.

Couches de la terre
Couches de la Terre (© 2020 Parlons sciences utilise une image de Mats Halldin Vectorization: Chabacano [CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons).

 

Nous reviendrons à la densité dans un instant, après avoir jeté un coup d’œil aux matières qui forment la Terre.

Comment la formation des planètes agit-elle sur leurs couches?

Avant qu’il y ait des planètes ou des étoiles dans l’univers, il n’y avait que d’énormes masses d’atomes d’hydrogène et d’hélium qui flottaient dans l’espace. Au bout d’un certain temps, ces atomes ont formé des nuages de gaz qui ont développé leur propre force d’attraction. Les forces gravitationnelles devenant de plus en plus fortes, les étoiles se sont formées. Le processus de fusion nucléaire empêchait les noyaux très denses des nouvelles étoiles de s’effondrer sur eux-mêmes. À mesure que la fusion nucléaire progressait, des éléments plus lourds se sont formés à l’intérieur des étoiles. Le carbone, l’oxygène, le nickel et le fer sont des exemples de ces éléments plus lourds.

L’hydrogène et l’hélium ont continué de former des étoiles, comme notre Soleil. Mais les éléments plus lourds sont entrés en collision, formant des poussières et des débris. Ces poussières et débris ont fini par former divers corps astronomiques comme les astéroïdes, les lunes et les planètes.

Dans notre système solaire, les planètes qui se trouvent le plus près du Soleil sont différentes des planètes les plus éloignées. Mercure, Vénus, la Terre et Mars sont les quatre planètes les plus proches du Soleil. Ces planètes rocheuses et denses sont appelées planètes telluriques. Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune sont beaucoup plus loin du Soleil. Elles sont souvent appelées les géantes gazeuses

Comment expliquer cette différence? Au début de notre système solaire, le Soleil était encore en fusion nucléaire. À cette époque, il produisait un puissant vent solaire. Les scientifiques croient que ce vent solaire a soufflé au loin la plus grande partie de l’atmosphère gazeuse qui entourait les planètes telluriques. 

Mais revenons à la Terre. Il y a environ 4,5 milliards d’années, les gaz qui constituaient la jeune Terre ont commencé à se condenser en une masse solide et rocheuse composée de divers éléments. La Terre a été formée par les effets de la gravité, de la radioactivité et de perturbations physiques comme des bombardements de météorites et l’activité volcanique. Il y a environ 3,8 milliards d’années, le manteau de la Terre a commencé à se refroidir. Une atmosphère contenant de l’oxygène a commencé à se former. Et parce qu’elle contenait de l’oxygène, elle avait la capacité de soutenir la vie.

Comment la densité détermine-t-elle ce qui se trouve dans chaque couche?

Revenons maintenant à la densité. Avant de commencer à se refroidir et à former des couches, les éléments contenus à l’intérieur de la Terre se sont placés selon un ordre déterminé par leur densité. Les matériaux les plus denses, comme le fer et le nickel, ont descendu jusqu’au noyau. Les matériaux plus légers, comme l’aluminium et le silicium, sont demeurés plus près de la surface de la Terre. Le processus par lequel les éléments chimiques sont séparés par la densité est appelé différenciation planétaire.

Le savais-tu? 

Dans le noyau terrestre, la température du fer est estimée à environ 6000 degrés Celsius. C’est aussi chaud que la surface du Soleil! 

Comment les scientifiques savent-ils ce qui se passe à l’intérieur de la Terre?

Les scientifiques croient que le noyau interne de la Terre est solide et que son noyau externe est liquide. Cela est dû au fait que le noyau interne subit beaucoup plus de pression que le noyau externe. 

Coupe transversale de la Terre
Coupe transversale de la Terre montrant où se trouvent le noyau interne, le noyau externe et la croûte (Parlons sciences utilise une image de la NASA via Wikimedia Commons).

Un instant! Comment les scientifiques ont-ils fait pour le savoir? Se sont-ils réellement rendus jusqu’au noyau interne de la Terre?

Non, mais les scientifiques obtiennent toutes sortes d’indices sur les couches terrestres grâce à l’activité sismique. Autrement dit, les tremblements de terre renseignent beaucoup les scientifiques sur ce qui se passe sous la surface de la Terre. L’activité sismique est un moyen pour les scientifiques de comprendre les couches terrestres sans avoir besoin de creuser pour les examiner!

Les ondes sismiques sont des ondes d’énergie causées par la rupture soudaine de roches à l’intérieur de la Terre, comme durant un tremblement de terre. Lorsque les ondes sismiques traversent le noyau de la Terre, le liquide réagit de l’une des deux façons suivantes. Il peut réfracter les ondes sismiques, c’est-à-dire changer leur direction. Ou il peut complètement bloquer les ondes sismiques. Les ondes sismiques bloquées créent une zone d'ombre sismique sur le côté opposé de la Terre. Cette connaissance relative aux ondes sismiques bloquées a permis aux scientifiques de comprendre que le noyau de la Terre était liquide. Les scientifiques ont pu faire cette déduction parce que certains types d’ondes sismiques peuvent voyager seulement à travers des matières solides. Et si elles sont bloquées par quelque chose au centre de la Terre, cela signifie que le noyau est bel et bien liquide! 

Dans les années 1930, Inge Lehmann a amélioré ce modèle davantage. En utilisant ses connaissances en mathématiques et en physique, elle a créé le modèle que nous connaissons aujourd'hui, qui place un noyau solide au centre de la Terre.

La création des couches terrestres est un processus complexe qui a été peu compris pendant de nombreuses années. Grâce au travail acharné des scientifiques qui étudient la Terre et ses couches, nous en apprenons chaque jour un peu plus au sujet de ce qui se passe réellement sous nos pieds!

Un Voyage Vers Le Noyau De La Terre (2020) de Sympa (8 min 54 s).

Amorces de discussion

Faire des liens

  • Aimeriez-vous avoir un emploi qui vous permettrait d’étudier les couches de la Terre? Pourquoi ou pourquoi pas?
  • Jusqu’à quelle profondeur êtes-vous déjà descendus à l’intérieur de la Terre?

Faire des liens

  • Aimeriez-vous avoir un emploi qui vous permettrait d’étudier les couches de la Terre? Pourquoi ou pourquoi pas?
  • Jusqu’à quelle profondeur êtes-vous déjà descendus à l’intérieur de la Terre?

Relier la science et la technologie à la société et à l’environnement

  • Il est très difficile de prédire les événements liés à la structure de la Terre, comme les éruptions volcaniques et les tremblements de terre. Pourquoi, à votre avis?
  • Est-il important de poursuivre les recherches sur la structure interne de la Terre? Expliquez.

Relier la science et la technologie à la société et à l’environnement

  • Il est très difficile de prédire les événements liés à la structure de la Terre, comme les éruptions volcaniques et les tremblements de terre. Pourquoi, à votre avis?
  • Est-il important de poursuivre les recherches sur la structure interne de la Terre? Expliquez.

Explorer les concepts

  • L’hypothèse nébulaire est une façon d’expliquer la formation de notre système solaire. Expliquez brièvement ce concept et comment il est à l’origine de la formation des planètes.
  • Expliquez comment la densité est à l’origine de la différenciation planétaire et de la formation de la Terre.
  • Quelles sont les couches de la Terre (de l’intérieur à l’extérieur)?
  • Comment les scientifiques utilisent-ils l’activité sismique pour étudier l’intérieur de la Terre?

Explorer les concepts

  • L’hypothèse nébulaire est une façon d’expliquer la formation de notre système solaire. Expliquez brièvement ce concept et comment il est à l’origine de la formation des planètes.
  • Expliquez comment la densité est à l’origine de la différenciation planétaire et de la formation de la Terre.
  • Quelles sont les couches de la Terre (de l’intérieur à l’extérieur)?
  • Comment les scientifiques utilisent-ils l’activité sismique pour étudier l’intérieur de la Terre?

Nature de la science et de la technologie

  • Comme la Terre est très grande, il est très difficile d’accéder aux zones situées sous la croûte terrestre. Comment la technologie nous aide-t-elle à « voir » au-delà de cette limitation matérielle? Expliquez.
  • La preuve que notre planète est constituée de couches provient de notre compréhension de la densité. Expliquez comment cela est un exemple montrant que la compréhension scientifique est fondée sur nos connaissances antérieures.
  • À l’aide des ressources en ligne, faites une recherche sur les technologies qui ont permis d’approfondir nos connaissances sur l’intérieur de la Terre au cours des 100 dernières années.

Nature de la science et de la technologie

  • Comme la Terre est très grande, il est très difficile d’accéder aux zones situées sous la croûte terrestre. Comment la technologie nous aide-t-elle à « voir » au-delà de cette limitation matérielle? Expliquez.
  • La preuve que notre planète est constituée de couches provient de notre compréhension de la densité. Expliquez comment cela est un exemple montrant que la compréhension scientifique est fondée sur nos connaissances antérieures.
  • À l’aide des ressources en ligne, faites une recherche sur les technologies qui ont permis d’approfondir nos connaissances sur l’intérieur de la Terre au cours des 100 dernières années.

Littératie médiatique

  • Le film Fusion (The Core) illustre l’intérieur de la Terre, de la croûte au noyau. Il raconte une tentative d’atteindre le noyau interne de la Terre pour réparer notre champ magnétique. Croyez-vous qu’une telle aventure sera possible un jour? Pourquoi ou pourquoi pas?
  • Les films comme Fusion (The Core) créent-ils des attentes irréalistes au sujet de ce que peuvent faire la science et les scientifiques? Expliquez.

Littératie médiatique

  • Le film Fusion (The Core) illustre l’intérieur de la Terre, de la croûte au noyau. Il raconte une tentative d’atteindre le noyau interne de la Terre pour réparer notre champ magnétique. Croyez-vous qu’une telle aventure sera possible un jour? Pourquoi ou pourquoi pas?
  • Les films comme Fusion (The Core) créent-ils des attentes irréalistes au sujet de ce que peuvent faire la science et les scientifiques? Expliquez.

Suggestions pour l’enseignement

  • Cet article soutient l’enseignement et favorise l’apprentissage des sciences de la Terre et de l’espace concernant l’intérieur de la Terre et la formation de notre système solaire. Il présente des concepts comme la densité, la masse, le volume, la formule D = m/v, la croûte terrestre, le système solaire, les planètes telluriques, les géantes gazeuses, le manteau et le noyau de la Terre, la différenciation planétaire, la réfraction des ondes sismiques et l’activité sismique (ondes sismiques, zone d’ombre sismique).
  • Demandez aux élèves de lire la stratégie d’apprentissage Aperçu du vocabulaire avant de lire cet article. Téléchargez les fiches reproductibles prêtes à l’emploi présentant la stratégie d’apprentissage Aperçu du vocabulaire pour cet article dans les formats [Document Google] et [PDF].
  • Pour approfondir la compréhension du concept des couches terrestres, vous pourriez demander aux élèves de remplir la fiche reproductible Toile de définition du concept (stratégie d’apprentissage). Téléchargez des fiches reproductibles prêtes à l’emploi présentant la stratégie d’apprentissage Toile de définition du concept pour cet article dans les formats [Document Google] et [PDF].

Suggestions pour l’enseignement

  • Cet article soutient l’enseignement et favorise l’apprentissage des sciences de la Terre et de l’espace concernant l’intérieur de la Terre et la formation de notre système solaire. Il présente des concepts comme la densité, la masse, le volume, la formule D = m/v, la croûte terrestre, le système solaire, les planètes telluriques, les géantes gazeuses, le manteau et le noyau de la Terre, la différenciation planétaire, la réfraction des ondes sismiques et l’activité sismique (ondes sismiques, zone d’ombre sismique).
  • Demandez aux élèves de lire la stratégie d’apprentissage Aperçu du vocabulaire avant de lire cet article. Téléchargez les fiches reproductibles prêtes à l’emploi présentant la stratégie d’apprentissage Aperçu du vocabulaire pour cet article dans les formats [Document Google] et [PDF].
  • Pour approfondir la compréhension du concept des couches terrestres, vous pourriez demander aux élèves de remplir la fiche reproductible Toile de définition du concept (stratégie d’apprentissage). Téléchargez des fiches reproductibles prêtes à l’emploi présentant la stratégie d’apprentissage Toile de définition du concept pour cet article dans les formats [Document Google] et [PDF].

En savoir plus

Comment savons-nous ce qui se cache au centre de la Terre alors qu’il reste inexploré ?
Cette page explique comment les scientifiques ont pu élaborer le modèle géologique de la Terre.

Documentaire: Il Était Une Fois Notre Planète
Ce documentaire complet (1 h 34 min 14 s) de National Geographic retrace l'histoire de la Terre de ses débuts à aujourd’hui.

Comprendre l’histoire géologique de la Terre (2018)
Cette page relate beaucoup d’informations sur la formation géologique de la Terre

Les étapes de la formation de la Terre (2021)
Cet article de l’Institut français de l'Éducation explique comment se forment les planètes.

Pourquoi La Terre Est-Elle L’Élément Le Plus Dense De Notre Système Solaire ? (2020)
CEt article de Forbes explique pourquoi notre planète est la plus dense du système solaire.

Références

Balzer, A. (2019, February 19). Why are the inner and outer planets so different? Owlcation.

Baraniuk, C. (2015, August 13). How we know what lies at Earth's core. BBC.

Jones, A. Z. (2018, October 25). An introduction to density: Definition and calculation. ThoughtCo.

Nagaraja, M. P. (2019, August 19). How do stars form and evolve? NASA.

Ophardt, C. E. (2013). What is density? Elmhurst College.

UPSeis. (2007). What is seismology? Michigan Technological University.

Williams, M. (2014, December 10). How was the Earth formed? Phys.org.