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Questions/réponses sur « Les pierres de lune »

Séquence pédagogique autour de l’article Les pierres de lune

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Récolte d’échantillons lunaires (© Nasa, 1969)
Juillet 1969, un astronaute américain récolte des échantillons de roches sur le sol lunaire. Les analyses de ces roches ont révélé qu’elles étaient moins diverses que les roches terrestres : la composition chimique de la Lune est proche du manteau terrestre dont elle possède la densité. Il n’y a pas de minéraux hydratés ni d’oxydes. Sur la Lune, c’est l’oxygène qui domine, comme sur la Terre. Aucune roche sédimentaire n’a été trouvée sur la Lune

Niveau seconde en sciences de la vie et de la Terre et en physique-chimie

SVT :
Thème 1 : La Terre dans l’univers, la vie et l’évolution du vivant : une planète habitée
Sous -partie : Les conditions de vie : une particularité de la Terre ?
Mais ces éléments peuvent être utilisés en collège.

En physique-chimie :
Thème : L’univers.

  • Question 1 : Décrivez la surface de la Lune ? Qu’en déduisez-vous quant à la classification de la Lune parmi les objets du système solaire.
    • Réponse 1 : La surface de la Lune est une surface rocheuse et non gazeuse qui présente de nombreux cratères d’impacts. Ce satellite de la Terre appartient aux corps célestes telluriques puisque sa surface est constituée de roches silicatées, comme la Terre.
  • Question 2 : La masse des échantillons, de l’équipement et du système de transport (sorte d’haltères) pèse plus de 100 kg. Comment l’astronaute peut-il se déplacer aisément sur la Lune avec une telle charge ?
    • Réponse 2 : Sur la Lune, l’attraction gravitationnelle est environ 6 fois plus faible que sur la Terre. Ainsi les 100 kg de matériel représentent un poids P de quelque 1 000 N (P = m x g = 100 x 10) sur Terre mais seulement 170 N sur la Lune (1 000/6). C’est donc comme si le spationaute était sur Terre avec 17 kg sur le dos.
  • Question 3 : Faire un schéma du système qu’est en train de soulever le spationaute et représenter avec une échelle à préciser l’ensemble des forces qui s’exercent dessus. Données :
    masse de la partie gauche du système : m = 35 kg
    masse de la partie droite du système : m = 35 kg
    masse de la barre centrale : négligeable
    force de traction de l’astronaute : 140 N
    intensité de la pesanteur sur la Lune : g = 1,6 N/kg.
    • Réponse 3 : F1 = 70 N et F2 = 70 N (soit une force de traction totale F = 140 N)
      P1 = P2 = m x g = 35 x 1,6 = 56 N
      On représente ces forces avec l’échelle : 1 cm représente 50 N.
  • Question 4 : La pesanteur sur la Lune est six fois plus petite que sur la Terre. Quels sont les paramètres qui permettent d’expliquer cette différence ?
    • Réponse 4 : La masse et le rayon de la Lune sont plus faibles que ceux de la Terre. Ainsi, la pesanteur sur la Lune est globalement 6 fois plus faible.
  • Question 5 : Le spationaute a ramené 21,7 kg de roches, peut-on dire que les roches prélevées sur la Lune pèsent plus lourd sur Terre ?
    • Réponse 5 : Les roches ne pèsent pas plus lourd sur Terre, elles ont la même masse : m = 21,7 kg. C’est leur poids, c’est-à-dire la force d’attraction gravitationnelle qui est plus importante sur Terre : P = m x g avec g, intensité de la pesanteur différent sur Terre et sur la Lune.
  • Question 6 : Quel est l’intérêt d’étudier les roches lunaires ?
    • Réponse 6 : L’analyse de ces roches permet de déterminer la nature de la Lune et son mode de formation (même si la réponse à cette question reste encore énigmatique). Leur datation renseigne sur la formation du système solaire et donc de la Terre.
      La détermination de la densité lunaire (plus faible que celle de la Terre) révèle l’absence d’un gros noyau métallique en son centre.
  • Question 7 : La surface de la Lune présente deux types de roches : des roches claires visibles en arrière-plan et des roches sombres au premier plan. Les roches sombres correspondent à des roches volcaniques, alors que les roches claires sont de nature silicatée. Que révèle la présence des roches sombres à la surface de la Lune ?
    • Réponse 7 : Les roches volcaniques sont mises en place au cours d’éruptions, ce qui met en évidence une activité interne passée.
  • Question 8 : L’analyse des roches lunaires montre que ce sont des basaltes et des roches silicatées. Aucune roche sédimentaire n’est trouvée. Expliquez pourquoi on ne trouve pas de roches sédimentaires à la surface de la Lune.
    • Réponse 8 : Les roches sédimentaires sont formées dans des bassins en milieu aquatique, or sur la Lune il n’y a pas de traces de présence d’eau liquide.
  • Question 9 : À la surface de la Lune, de nombreux cratères d’impacts sont visibles, tout comme sur Mercure. Expliquez pourquoi de nombreux cratères sont visibles sur la Lune et non sur Terre.
    • Réponse 9 : La Lune ne possède pas d’atmosphère contrairement à la Terre, donc les météorites ne sont pas détruites avant l’impact avec la surface de la Lune alors que lorsqu’une météorite pénètre dans l’atmosphère terrestre elle est le plus souvent détruite du fait de l’importance des forces de frottements. De ce fait des corps peuvent entrer en collision avec la Lune sans obstacle.
      Par ailleurs, la Terre présente un volcanisme actif contrairement à la Lune, donc les traces d’anciens cratères d’impact sont effacées par les écoulements de laves et par l’activité externe c’est-à-dire l’érosion intense liée à la présence d’eau liquide et aux vents (présence d’une atmosphère), ce qui n’est pas le cas sur la Lune.
      (Remarque : moins une planète est cratérisée, plus son activité interne est actuelle et importante).
  • Question 10 : Que révèle la présence de ces milliers de cratères d’impacts à la surface d’une planète tellurique concernant sa formation ?
    • Réponse 10 : Les cratères d’impacts mettent en évidence que les planètes telluriques se sont formées par accrétion d’astéroïdes entrant en collision : après condensation de la nébuleuse par accrétion des poussières de nature chondritique, les corps plus gros ainsi formés s’agglomèrent par collision. L’augmentation de la taille des corps naissant de ces collisions entraîne une augmentation de leur force d’attraction. De ce fait les petits corps célestes sont alors de plus en plus attirés par gravité, et contribuent alors à l’augmentation de taille de la planète naissante. Les planètes telluriques ont donc connu, au début de leur histoire, il y a 4,6 milliards d’années, un intense bombardement météoritique, qui s’est traduit par la présence de cratères météoritiques.
  • Question 11 : Pourquoi les échantillons lunaires sont-ils mis en quarantaine avant d’être ramenés sur Terre.
    • Réponse 11 : Les échantillons lunaires sont mis en quarantaine afin de ne pas être contaminés par des éléments terrestre, donc que leur analyse soir fiable. Par ailleurs cette quarantaine évite également une éventuelle contamination de la Terre par des éléments lunaires.
      On recherche alors sur ces échantillons des traces exobiologiques.

Encart pour les Terminales S

  • Question : Les roches lunaires ramenées sur Terre ont pu être datées. Quelle méthode de datation utiliseriez-vous sur ces échantillons. Justifiez votre réponse.
    • Réponse : Deux méthodes sont utilisables du fait de la demi-vie des isotopes impliqués : la méthode Potassium-Argon et la méthode Rubidium-Strontium. Beaucoup de minéraux lunaires sont les mêmes que sur Terre et il y a cinq fois plus de potassium sur la Lune que sur la Terre.
      De nombreux minéraux (micas, certains feldspaths…) contiennent du potassium. Ils incorporent donc au moment de leur formation une faible quantité de 40K, un isotope radioactif du K. La désintégration du 40K (élément père) donne naissance un isotope stable de l’argon, 40Ar (= élément fils) avec une période bien plus importante que dans le cas du 14C, donc la méthode Potassium-Argon permet de dater des ¬roches anciennes.
      L’argon est un gaz qui s’échappe des magmas avant leur cristallisation, donc la quantité initiale d’élément fils (40Ar) est considérée comme nulle. L’abondance du potassium dans les roches confère cette méthode une grande universalité.
      L’application de la méthode est limitée aux roches volcaniques ayant plus de 200 000 à quelques milliards d’années.

Exercice sur la datation par la méthode Potassium-Argon

Les roches volcaniques contiennent du potassium 40 radioactif qui se transforme en argon 40 gazeux avec une demi-vie de 1,3.109 ans. Au cours des siècles, l’argon 40 s’accumule dans la roche alors que le potassium 40 disparaît.
Lors d’une éruption volcanique, la lave dégaze : tout l’argon présent dans la lave s’échappe. À la date de l’éruption, la lave solidifiée ne contient plus d’argon antérieur à l’événement.

1- L’analyse d’un échantillon de basalte trouvé près d’un ancien volcan montre qu’il contient m1 = 2,9800 mg de 40K et m2 = 8,6 μg de 40Ar.

a- Exprimer le nombre de noyaux de 40K juste après la dernière éruption (N0) en fonction du nombre de noyaux de 40K (N1) et de 40Ar (N2) à la date de l’analyse.
N0 = N1 + N2 b- Déterminer la date de la dernière éruption. Les masses des différents noyaux sont quasiment identiques puisqu’ils ont chacun le même nombre de nucléons (en prenant mneutron = mproton). Donc N0 = N1 + N2 équivaut à m0 = m1 + m2
Or la loi de décroissance appliquée au 40K s’écrit : Soit, en isolant t : A.N. t = 5,4.103 ans.

2- Pour déterminer la date de formation de cailloux lunaires rapportés de l’expédition Apollo XI, l’analyse d’un échantillon de cailloux effectuée dans les conditions normales de températures et de pression (CTNP) a donné 8,0.10-3 cm3 de 40Ar et 1,67.10-6 g de 40K.
Données : volume molaire Vm = 22,4 L.mol-1 dans les CNTP et NA = 6,02.1023 mol-1. mnucléon = 1,67.10-27 kg.

– Calculer le nombre de noyaux de 40K (N1) et de noyaux de 40Ar (N2) à la date de l’analyse. n2 = V2/Vm = 8,0.10-6 / 22,4 = 3,57.10-3 mol donc N2 = n2 x NA = 2,15.1017 noyaux. N1 = m1 / mnoy = 1,67.10-6 / (40 x 1,67.10-24) = 2,51.1016 noyaux.

– Calculer l’âge des cailloux. Conclure. A.N. = 4,2.109 ans, ce qui correspond à l’âge de la Terre environ.

Voir en ligne : Les pierres de lune