Thématique 4 : Autour de Titan

• Objectifs :
  Les collègues de sciences sont partis des travaux d’Alice Le Gall avec les informations apportées par l’atterrisseur Huygens descendu à la surface de Titan dans le cadre de la mission Cassini-Huygens, pour construire des activités autour de l’habitabilité de ce satellite et par conséquent des conditions physico-chimiques régnant à sa surface ou en profondeur. Ils ont pris place pendant la phase 1 lors de séances de TP SVT-PC + TD Math ou en cours afin d’apporter les connaissances nécessaires aux élèves pour comprendre les informations données dans les documents de vulgarisation en lien avec l’actualité de la Sonde Cassini voir lien vers l’article sur l’actualité de la Sonde Cassini.
  Ça a été aussi l’occasion de travailler conjointement en math / physique autour d’une formule proposée par la collègue de SVT (inaccessible en l’état par nos élèves de seconde) : « une quantité inversement proportionnelle au carré d’une autre » lors du TP sur le rayonnement.
  Par ailleurs, le professeur de Français a recherché dans sa bibliothèque des nouvelles exploitables dans le contexte de cette thématique : A l’ombre de Saturne de Renato Pestriniero a été retenue par l’ensemble des collègues et s’inscrit dans la phase 2.
  Les 10 dossiers de recherche par groupe d’élèves lors de la phase 2 du projet mentionnent ce thème sur Titan qui est l’un des sujets d’étude de notre marraine et qui sera l’objet de sa conférence. Ils ont intégré de façon plus ou moins poussée le travail initial mené en phase1 avec l’ensemble des élèves, ce qui a permis des ouvertures vers les différentes disciplines.
• 1) Titan : un satellite habitable ? – Phase 1
  voir lien vers la fiche élève support à l’activité
  • Démarche :
    Mettre en évidence les conditions d’éclairement et de température conditionnées par le rayonnement solaire, permettant de conclure ou non à l’habitabilité de la surface de Titan selon la référence terrestre (vue au préalable en SVT) à l’aide de montages expérimentaux.
  • Mise en œuvre :
    Créneau MPS : 2 séances de deux heures en groupe et par binômes en alternance Physique / Mathématiques / Sciences de la vie et de la Terre
    • Activité 1 : Quantité d’énergie solaire reçue par la surface d’une planète.
      Le but est de proposer une loi simple établissant la relation entre la quantité d’énergie reçue par la surface d’une planète et sa distance au Soleil, avec l’idée que les élèves reconnaissent une proportionnalité et l’utilisent pour en déduire une expression entre l’énergie reçue par la planète et les autres grandeurs du problème.
      Ensuite une expérience est proposée : il s’agit de mesurer la quantité d’énergie rayonnée par une lampe à différentes distances de celle-ci, d’exploiter les mesures à l’aide du logiciel Regressi et de modéliser l’expérience par une fonction du type I = a/d².
      
      Commentaires : La partie introductive sur la formule et la proportionnalité a été maintes fois discutée et remaniée par de nombreuses discussions entre les professeurs de physique et mathématiques.
      La partie expérimentale n’a pas été simple à mettre en œuvre. Par exemple, de nombreux élèves n’ont pas compris l’importance d’une rigueur dans les alignements entre la lampe et le luxmètre pour que seule la distance varie. Nous ne possédons pas de bancs de mesures. La mesure de la température, bien que en toute rigueur incompatible avec une exposition directe à la lumière, permet d’avoir une idée de l’effet sur la température à la surface d’une planète de sa distance au Soleil.
      Le versant mathématique explicite les concepts cachés dans le TP et revisite le vocabulaire de collège. L’ajustement des données par une fonction choisie dans le logiciel de physique Regressi a été un enjeu difficile à réaliser. En effet, "Modéliser" et "Fonction"ont été les deux mots difficiles à expliciter, surtout en début d’année de seconde. Heureusement le logiciel Regressi, est assez facile à utiliser, mais il a été nécessaire de montrer les différentes étapes (pourtant décrites dans l’annexe) en vidéoprojetant le travail à partir de données obtenues au préalable.
    • Activité 2 : Température de la surface d’une planète et atmosphère
      Le but est de montrer l’intérêt de l’effet de serre et de proposer un modèle analogique.
      Comparaison entre température de surface théorique et mesurée de quelques planètes du système solaire.
      Construction d’un tableau comparatif montrant la composition de l’atmosphère terrestre et celle de Titan ainsi que leur température de surface.
      Proposition d’un protocole expérimental de mise en évidence de l’effet de serre par les élèves et réalisation avec chaîne ExAO (Expérimentation Assistée par Ordinateur).
      Utilisation des données obtenues lors des activités 1 et 2 pour répondre à la problématique.
• 2) Titan : une lune d’hydrocarbures ? – Phase 1
  voir lien vers la fiche élève support à l’activité
  • Démarche :
    L’éthane a pu être trouvé à l’état de traces dans plusieurs nuages interstellaires, et dans certaines comètes. Ce composé se trouve partout sur Titan (la plus grande des "lunes" de la planète Saturne), dans des lacs d’éthane, dans l’atmosphère et dans la mer Punga Mare.
    Trouver les indices d’une possibilité de vie sur Titan d’après l’étude des composés chimiques de sa surface et les informations livrées par des publications scientifiques.
    
    L’atmosphère de Titan est au point triple du méthane, comme l’atmosphère de la Terre est au point triple de l’eau.
    Comprendre les conditions d’habitabilité avec le diagramme de phase de l’eau et mettre en évidence le point triple d’un hydrocarbure de Titan par un montage expérimental.
  • Mise en œuvre :
    Créneau MPS : 2 séances de deux heures en groupe et par binômes en alternance Chimie / Sciences de la vie et de la Terre
    • Première partie : les hydrocarbures
      • Chimie des hydrocarbures :
        Le but est de travailler sur les formules brutes puis développées et sur la forme spatiale des quatre premiers alcanes. Ensuite le repérage des liaisons et des atomes est demandé. Et enfin, après avoir construit les modèles moléculaires, il s’agit de représenter le tétraèdre dans lequel s’inscrit la molécule de méthane (pour un groupe en présence du prof de math qui fait le lien avec le cours de géométrie dans l’espace donc question mieux réussie par les élèves).
      • Les hydrocarbures et la vie :
        Le but est de dégager les « ingrédients » de la vie à partir de l’étude des molécules prébiotiques présentes sur Titan ; les identifier en tant que molécules du vivant (vues en cours de SVT voir lien) ; utiliser un logiciel (Rastop) pour les représenter.
    • Deuxième partie : le point triple
      Le but est d’exploiter le diagramme de phase de l’eau (vu en cours de SVT voir lien) et de concevoir un montage expérimental permettant de visualiser le point triple du cyclo-hexane.
      Pour observer les trois états en même temps, on utilise un autre hydrocarbure : le cyclohexane dont les coordonnées du point triple sont données, 279,48 K (6,33 °C) ; 5,388 kPa (53,88 mbar). En agissant en même temps sur la température et sur la pression, on arrive à « tourner autour du point triple » et ainsi à observer des cristaux et du liquide duquel s’échappent des bulles de gaz.
      Réalisation du montage et d’un enregistrement vidéo.
      Retour sur le documentaire diffusé le 12 septembre sur France 5 : « À la conquête de Titan ».
  • Points positifs : Les points traités au travers de ces deux séances de TP permettent de prendre le temps d’approfondir des notions du programme, tant en PC qu’en SVT et de donner un cadre mathématique à des données obtenues par les élèves (TP1).
• 3) Poursuite de cette étude dans les cours :
  • Physique-Chimie :
    • Pression d’un gaz, Molécules simples ou complexes, Formules et modèles moléculaires,
    • Formules développées et semi-développées, Isomérie.
    • Résolution de problèmes de type « proportionnalité »
  • Sciences de la vie et de la Terre :
    • Les conditions physico-chimiques qui règnent à la surface de la Terre permettent l’existence d’eau liquide et d’une atmosphère compatibles avec la vie.
    • Ces conditions peuvent exister sur d’autres planètes qui possèderaient des caractéristiques voisines sans pour autant que la présence de vie y soit certaine.
    • Les êtres vivants sont constitués d’éléments chimiques répartis dans les diverses molécules (glucides, lipides, protides, ADN) qui les constituent.
• 4) Prolongement de cette thématique sur Titan et Saturne dans les dossiers de recherche de la phase 2 (voir lien vers la rubrique)
  • Thème 3 : L’aventure cartographique, des Cassini aux SIG (lien vers l’article)
    L’histoire de la cartographie de la surface terrestre à celle de Titan ; l’évolution des méthodes employées.
  • Thème 4 : Images radar de la sonde Cassini (lien vers l’article)
    Le principe du radar et son apport pour découvrir enfin la surface de Titan.
  • Thème 5 : Naviguer sur les anneaux de Saturne (lien vers l’article)
    Croisement d’une nouvelle de science-fiction « Les marées de Saturne » de Linda Nagata et d’éléments scientifiques autour de la vitesse des anneaux et de leur composition.
  • Thème 6 : En route pour Saturne avec la Sonde Cassini-Huygens (lien vers l’article)
    Les contraintes du voyage de la Terre à Saturne par l’orbiteur Cassini et les modalités de la descente de l’atterrisseur Huygens sur Titan.
    Les apports de la mission concernant les anneaux de Saturne et la composition de la surface de Titan.
  • Thème 9 : Dans l’ombre de Saturne (lien vers l’article)
    Croisement d’une nouvelle de science-fiction « À l’ombre de Saturne » de Renato Pestriniero et d’éléments scientifiques autour de la composition de Titan, de son atmosphère, des anneaux de Saturne et les hypothèses sur la naissance des anneaux de Saturne.
  • Dans une moindre mesure,
    dans le thème 1 : Autour des images de Saturne ; une vision de Titan depuis Saturne et inversement.
    dans le thème 2 : Aspect des anneaux de Saturne avec Huygens : la découverte de Titan par Huygens
    dans le thème 7 : Des astres actifs dans le système solaire ; envoi d’un sismomètre sur Titan ?
    dans le thème 8 : Encelade, un des satellites de Saturne ; trajectoire de Encelade autour de Saturne et comparaison avec Titan.
    dans le thème 10 : Femmes et Sciences et Alice Le Gall ; un portrait d’Alice Le Gall, notre marraine, spécialiste de Titan.