Recherche:Principe anthropique absolu/Atmosphère miraculeuse

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Nous allons, dans ce chapitre, étudier l'atmosphère, qui possède étrangement de multiples propriétés permettant, selon sa composition, soit de participer à la création de la vie, soit de protéger celle-ci. Nous laisserons tomber la rubrique création de la vie, car bien des doutes subsistent encore. Nous nous concentrerons plutôt sur la fonction protection de la vie. Si nous réfléchissons intensément et longuement à quoi peut bien servir notre atmosphère, nous sommes bien obligés d'admettre que toutes ses fonctions convergent vers un seul but : protéger la vie. Rien que l'étude de l'atmosphère devrait convaincre les sceptiques de la validité du principe anthropique absolue.

Protection contre les menaces extérieures

L'atmosphère terrestre nous protège principalement contre deux menaces extérieures : Les météorites et les rayons nocifs.

D'abord contre les météorites. En effet, nous savons tous que si une météorite, pas trop grosse, rentre dans l'atmosphère, celle-ci se désintègre en subissant l'énorme dégagement de chaleur dû au frottement avec l'atmosphère. Maintenant, si une météorite est trop grosse, elle réussit à passer et peut provoquer des dégâts sur terre. Et pourtant, même dans ce dernier cas, il y a de quoi discuter car c'est, quand même, grâce à une énorme météorite, qui n'a pas été arrêté par l'atmosphère, que les dinosaures ont été détruits et que la race humaine a pu apparaître. Sans cette météorite, on aurait encore aujourd’hui des dinosaures sur terre et pas d'humains.

Ensuite contre les rayonnements nocifs. Et c’est là un des arguments les plus convaincants en faveur du principe anthropique absolu, car cette propriété est due à une double coïncidence peu probable. Tout d’abord, l'oxygène de l'atmosphère possède la propriété de se transformer en ozone sous l'effet des ultraviolets nocifs et ensuite l'ozone possède la propriété d’arrêter ces mêmes ultraviolets. Supposons un instant que la transformation oxygène ozone n'existe pas. La vie sur terre n'aurait été possible qu'au fond des océans. Là aussi, on pourrait dire qu'on l'a échappé belle. Sans la couche protectrice de l'ozone, toute vie hors de océan serait impossible. Coïncidence, diront les matérialistes athées. Cela fait vraiment trop de coïncidences répondront les spiritualistes.

Pour insister un peu sur le côté remarquable de la transformation oxygène ozone, nous pouvons préciser que la molécule d'ozone est formée de trois atomes d'oxygène. Par conséquent, il faut que trois molécules de dioxygènes réagissent entre elles pour donner deux molécules d'ozone selon la réaction :

3O₂ + photon ultraviolet ------> 2O₃

On peut éventuellement concevoir que deux molécules, lors d'un choc violant, puissent réagir, mais une réaction, faisant intervenir trois molécules, est moins évidente ! On a vraiment eu de la chance !

apport d'eau sur les continents

Nous citerons aussi le cycle bien connu permettant d'apporter de l'eau sur les continents : Évaporation de l'eau de mer, formation de nuage, déplacement des nuages pour les amener sur les continents, pluie, formation de rivières, retour de l'eau à la mer par les fleuves etc.

Là aussi, ce cycle est essentiel à la vie. Sans lui, tous les continents seraient totalement arides sans la moindre végétation et donc sans vie terrestre. Et pourtant ce cycle utilise diverses lois de la physique. Que se soit au niveau de l'évaporation de l'eau ou de la formation du vent, ou du déclenchement de la pluie suivi de l'écoulement de l'eau en nappe phréatique puis formation des rivières etc.

Supposons que, à un niveau ou à un autre, les lois de la physique aient été différentes. Supposons, par exemple, que l'eau ne s'évapore que très faiblement (comme l'huile par exemple). Tout notre cycle en serait gravement perturbé. Plus d'évaporation abondante, plus de vie sur les continents.

On peut ainsi, en étudiant les différents mécanismes physiques permettant au cycle précédent de se dérouler convenablement, montrer que la vie sur les continents aurait eu très peu de chance d'exister si les lois de la physique avaient été différentes (même légèrement).

Rapport entre température et épaisseur de l'atmosphère

Nous avons une atmosphère et nous nous y sommes habitués au point que tout le monde trouve sa présence normale. Si l’on y regarde de plus près, nous nous apercevons qu'elle recèle bien des mystères. Nous savons qu'elle a une certaine épaisseur, cela signifie qu'a une certaine altitude, 10 000 mètres par exemple, les molécules d'air (oxygène ou azote) sont présentes. Les molécules d'air ne sont pas électriquement chargées, donc n'exercent aucune force à distance sur les autres molécules. La question qui peut nous venir à l'esprit est : pourquoi ne tombent-elles pas sur le sol ? Cette question est essentielle car si les molécules tombaient sur le sol, la vie ne pourrait pas exister.

Pour répondre à cette question, nous devons déjà avoir présent à l'esprit que la température d'un gaz est due à la vitesse de ses molécules qui s'entrechoquent perpétuellement. Il est déjà remarquable que les chocs entre molécules soient parfaitement élastiques au point que l'énergie cinétique totale de toutes les molécules soit constante et correspond à l'énergie accumulée sous forme de chaleur. En fait, il existe un lien entre la température T d'un gaz et la vitesse moyenne v de ses molécules (vitesse quadratique moyenne plus exactement). Cette relation est donnée par la formule :

$v={\sqrt {\frac {3RT}{M}}}$

• M est la masse molaire du gaz (14 g/mol pour l'azote et 16 g/mol pour l'oxygène).
• R la constante des gaz parfaits qui vaut 8,3144 J.mol^-1.K^-1
• T est exprimé en Kelvin (25 degrés celsius Correspondent à 298 Kelvins)

Calculons alors la vitesse d'une molécule d'azote dans les conditions normales de température et de pression : 25 degrés celsius.

$v={\sqrt {\frac {3RT}{M}}}={\sqrt {\frac {3\times 8,3144\times 298}{0,014}}}=728,65$

La vitesse moyenne quadratique de l'azote au niveau du sol à 25 degrés celsius serait de 728,65 mètres par seconde.

Si cette vitesse est dirigée vers le haut, elle va heurter d'autres molécules, mais comme les chocs sont parfaitement élastiques, l'énergie cinétique est conservée et tout va se passer comme si la molécule n'était pas gênée dans sa montée. On peut donc calculer jusqu'à quelle altitude h, elle peut théoriquement monter.

Si nous écrivons que l'énergie cinétique qu'elle avait au niveau du sol se transforme intégralement en énergie potentielle lorsqu'elle aura atteint l'altitude h, on obtient :

${\frac {1}{2}}mv^{2}=\int _{R}^{R+h}G{\frac {mM}{x^{2}}}\,\mathrm {d} x$

• R est le rayon de la terre, soit 6 360 000 mètres.
• M est la masse de la terre, soit 5,977.10²⁴ kg
• G est la constante de la gravitation universelle, soit 6,672.10^-11 m²kg^-2

La dernière formule se simplifie sous la forme :

${\frac {1}{2}}v^{2}={\frac {GMh}{R(R+h)}}$

De cette dernière formule, on tire :

$h={\frac {R^{2}v^{2}}{2GM-Rv^{2}}}$

Qui nous donne :

$h={\frac {6360000^{2}\times 728,65^{2}}{2\times 6,672.10^{-11}\times 5,977.10^{24}-6360000\times 728,65^{2}}}=27041$

De façon très approximative, nous avons trouvé que l’atmosphère a une épaisseur de 27 041 mètres, soit environ 27 kilomètres.

En fait, nous avons pris en compte une valeur moyenne de la vitesse des molécules d'azote et nous avons supposé que la molécule d'azote s'élevait verticalement. En réalité, l'énergie cinétique de chaque molécule d'azote peut être très différente et la direction de la molécule très aléatoire, ce qui explique que, plus on s'élève, plus l'air se raréfie. On peut trouver des molécules d'air jusqu'à une altitude d'environ 5 000 km correspondant à la limite supérieure de l'exosphère. On comprend aussi pourquoi la température se refroidit, car la vitesse des molécules d'air diminue avec l'altitude. Mais on comprend, à présent pourquoi il y a encore de l'air à 10 000 mètres d'altitude.

Si nous avions fait le calcul avec les molécules de dioxygène, nous aurions trouvé :

$v={\sqrt {\frac {3RT}{M}}}={\sqrt {\frac {3\times 8,3144\times 298}{0,016}}}=681,59$

$h={\frac {6360000^{2}\times 681,59^{2}}{2\times 6,672.10^{-11}\times 5,977.10^{24}-6360000\times 681,59^{2}}}=23648$

Ce qu’il faut noter

Qu'y a-t-il de remarquable dans l'étude que nous venons de faire. Tout d’abord, on remarque la valeur de la vitesse des molécules à 25 degrés celsius (728,65 m/s pour l'azote et 681,59 m/s pour l'oxygène). Les molécules s'entrechoquent à cette vitesse et, pourtant nous n'avons pas de formation d'ozone comme nous l'avons vu plus haut quand les molécules d'oxygène rencontraient un photon correspondant à l'ultraviolet.

L'univers est formé de 98 % d'hydrogène et d'hélium (seulement 2 % pour les autres corps) la logique voudrait qu'on ait de l'hydrogène dans l'atmosphère terrestre. Pourquoi n'y en a-t-il pas?. On peut répondre à cette question en disant que probablement tout l'hydrogène a dû, au début de la formation de la terre, sous l'effet de la chaleur, se combiner à l'oxygène pour former de l'eau. Mais il n'y avait pas d'oxygène dans l'atmosphère primitive. On peut alors trouver une autre explication. Calculons la vitesse des molécules d'hydrogène au niveau du sol. Sachant que la masse molaire de l'hydrogène est de 1 gramme par mole, nous obtenons :

$v={\sqrt {\frac {3RT}{M}}}={\sqrt {\frac {3\times 8,3144\times 298}{0,001}}}=2726$

Soit 2 726 mètres par seconde.

Si l’on souhaite connaitre la vitesse minimale v_l à laquelle nous devons lancer un objet en l'air pour qu’il échappe à l'attraction terrestre, nous devons écrire la relation :

${\frac {1}{2}}mv_{l}^{2}=\int _{R}^{\infty }G{\frac {mM}{x^{2}}}\,\mathrm {d} x$

qui nous donne :

${\frac {1}{2}}v_{l}^{2}={\frac {GM}{R}}$

Soit :

$v_{l}={\sqrt {\frac {2GM}{R}}}={\sqrt {\frac {2\times 6,672.10^{-11}\times 5,977.10^{24}}{6360000}}}=11198$

En l'absence d'atmosphère, si on lance un objet en l'air à la vitesse de 11 200 mètres par seconde, il ne retombera jamais, car il échappera à l'attraction gravitationnelle de la terre.

Nous avons vu qu'au niveau du sol, la vitesse des molécules d'hydrogène était de 2 726 mètres par seconde. Cette vitesse est une moyenne qui n’est pas négligeable par rapport au 11 200 m/s nécessaires pour vaincre l'attraction terrestre. Il est donc vraisemblable que les molécules d'hydrogène contenu dans l'atmosphère, au début de la formation de la terre, aient pu échapper à l'attraction terrestre, ce qui explique que l’on n'ait plus d'hydrogène dans notre atmosphère.

Il ne faut pas oublier que l'atmosphère primitive ne contenait pas d'oxygène. L'hydrogène qui devait se trouver en grande quantité dans l'atmosphère primitive a dû progressivement échapper à l'attraction terrestre avant l'arrivée de l'oxygène. Heureusement, car sa présence aurait annihilé l'oxygène et aurait ainsi été néfaste à l'évolution de la vie.