Sujet sans enseignement de mathématiques spécifique
Enseignement scientifique première
Durée 1h – 10 points – Thème « La Terre, un astre singulier »
Les scientifiques sont à la recherche de vie sur d’autres astres, dans et hors du système solaire. Afin de cibler les astres potentiellement habités, ils recherchent ceux dont les conditions sont similaires à celles de la Terre.
Partie 1 – Les facteurs conditionnant la présence d’eau liquide sur les planètes
Les scientifiques pensent que l’une des conditions indispensables à l’émergence du vivant est la présence d’eau liquide à la surface de l’astre.
Document 1 – Comparaison de quelques paramètres des planètes telluriques
| Mercure | Vénus | Terre | Mars | |
| Distance au soleil (en km) | 5,8 x 107 | 1,08 x 108 | 1,5 x 108 | 2,28 x 108 |
| Température moyenne (en °C) | +167 | +477 | +15 | -63 |
| Gamme de températures (en °C) | -100 +430 | +420 +446 | -93 +56 | -140 -20 |
| Pression atmosphérique (en Pa) à la surface | 0 (<10-12) | 90 x 105 | 1 x 105 | 8 x 102 |
Source : d’après https://planet-terre.ens-lyon.fr/ressource/planetes-telluriques.xml
1 – Montrer à partir des données du document 1 que la température moyenne (en °C) d’une planète dépend de la distance (en km) à l’étoile. Vous direz si cette dépendance est linéaire.
Sur le document 1, on remarque que la température moyenne (en °C) d’une planète change pour une distance (en km) à l’étoile différente.
1er cas : pour une distance Soleil-Venus supérieure à la distance Soleil Mercure, on à une température moyenne sur Venus supérieure à celle sur Mercure.
2nd cas : pour une distance Soleil-Terre supérieure à la distance Soleil-Venus, on à une température moyenne sur Venus supérieure à celle sur Terre.
Ainsi, cette dépendance n’est pas linéaire.
Document 2 – Les différents états de l’eau en fonction de la pression et de la température
Remarque : la vapeur d’eau se forme continuellement par évaporation dès que l’eau liquide est surmontée d’une couche de gaz, sans que la température n’ait besoin d’atteindre la température d’ébullition.
Source : d’après https://planet-terre.ens-lyon.fr/ressource/diagramme-lineaire-log.xml
2 – En utilisant le document de l’annexe à votre disposition, positionner chaque planète du document 1 sur le document fourni en traçant des segments correspondant à leur gamme de températures en fonction de la pression atmosphérique.
3 – À partir des résultats obtenus à la question 2 et de vos connaissances, argumenter que seule la terre puisse abriter la vie dans le système solaire.
D’après le document 2, voici les états de l’eau possibles de chaque planète :
- Mercure : Gaz uniquement
- Venus : Gaz uniquement
- Terre : Liquide, solide et gaz via évaporation (voir la remarque du document 2)
- Mars : Solide uniquement
Ainsi, seule la terre peut avoir de l’eau sous forme liquide, elle est donc la seule qui puisse abriter la vie dans le système solaire.
Partie 2 – À la recherche de la vie dans l’Univers
Document 3 – Modèle de positionnement de la zone habitable
Autour de toute étoile, on peut définir une zone d’habitabilité (en gris sur le graphique ci-dessous) correspondant aux limites de températures compatibles avec la vie.
*UA : unité astronomique (unité qui prend la distance Terre-Soleil comme référence).
Source : https://www.cambridge.org/core/books/abs/atmospheric-evolution-on-inhabited-and-lifeless-worlds/exoplanets-habitability-and-characterization/
Document 4 – Relation entre la luminosité et la masse des étoiles
Plus une étoile est lumineuse, plus sa température de surface est élevée.
Source : D’après https://media4.obspm.fr/
4 – On cherche à comprendre les raisons pour lesquelles plus une étoile est petite, plus la zone potentiellement habitable est proche d’elle (document 3). Formuler une hypothèse pour expliquer ce constat à partir de vos connaissances et de l’analyse du document 4.
Selon le document 4, plus une étoile est lumineuse, plus sa température de surface est élevée.
D’après le graphique du document 4, plus une étoile est massive plus elle est lumineuse et donc émet davantage d’énergie et de chaleur.
La zone habitable, est la région autour d’une étoile où les conditions sont favorables pour que l’eau liquide puisse exister à la surface d’une planète. Cette zone dépend directement de la luminosité de l’étoile :
– Pour une étoile très lumineuse et chaude, la zone habitable sera plus éloignée car une plus grande distance est nécessaire pour que l’intensité du rayonnement soit suffisamment faible pour permettre la présence d’eau liquide.
– Inversement, pour une étoile moins lumineuse et moins chaude, la zone habitable doit être plus proche de l’étoile pour recevoir une quantité suffisante d’énergie et de chaleur pour maintenir l’eau à l’état liquide.
Nous pouvons formuler l’hypothèse que la zone potentiellement habitable est plus proche des étoiles plus petites parce que leur luminosité plus faible nécessite que les planètes soient plus proches de l’étoile pour se trouver dans la zone où l’eau liquide peut exister.
5 – À partir du document 3, dire à quelle distance (en UA) se situe la zone habitable dans le système de Kepler.
Graphiquement (document 3), dans le système de Kepler (Note du correcteur : je suppose que le sujet parle du système solaire, je ne vois pas ou le sujet parle de ce système de Kepler) la distance à laquelle se situe la zone habitable est comprise entre 0,8 UA et 1,08 UA.
Document 5 – Nombre d’exoplanètes découvertes en fonction des années et des techniques utilisées
6 – À partir de l’analyse du document 5, formuler une hypothèse pour expliquer l’augmentation du nombre d’exoplanètes découvertes avec le temps.
Jusqu’en 2004, les exoplanètes étaient principalement découvertes par la méthode de la vitesse radiale. À partir de 2004, certaines ont été découvertes par la méthode du transit, et à partir de 2006, via la méthode d’imagerie directe.
Pour expliquer l’augmentation du nombre d’exoplanètes découvertes avec le temps, on peut formuler l’hypothèse que la science évolue continuellement, ce qui permet l’apparition de nouvelles méthodes de détection et ainsi la découverte de plus d’exoplanètes.
Document réponse à rendre avec la copie
Question 2
