CoursT.Leclerc–TEnSciT1C1-L’atmosphèreterrestreetlavie 1

Thème 1

Thème 1 : Science, climat et société Chapitre 1 : l’atmosphère terrestre et la vie L’atmosphèreterrestreestlemilieudevied’innombrablesêtresvivants,etunfacteuressentieldu système qui règle le climat. L’évolution actuelle de sa composition a d’importantesrépercussionssurlestempératuresterrestres,lesécosystèmesnaturelsetlessociétéshumaines.Danscettepartie,nousétudieronsl’originedel’atmosphèreterrestreetlesévolutionsquil’ontrenduecompatibleavec lavie;puisnousverronscomment l’approchescientifiquepermetdequantifier lesévolutionsactuellesdel’atmosphère,d’enrechercherlescauses,d’enprévoir lesconséquencespourmieuxs’ypréparer.1. De l’atmosphère primitive à l’atmosphère actuelle L’atmosphère est l’enveloppe gazeuse de notre planète. Épaisse de 50 à 100 Km, elle est unmélangedeplusieursgaz.Plusieursdonnéessuggèrentquelacompositiondel’atmosphèreactuelle(voirtableau)esttrèsdifférentedecelledel’atmosphèreterrestreprimitive:• On pense que la composition de cette atmosphère primitive devait être proche de la

compositionmoyennedesgazvolcaniques,puisqu’il s’agitdesgaznaturellementémisparnotreplanète.

• De plus cette composition est assez proche de celle des gaz chondritiques. Ces gaz sontconstitués par les espèces chimiques volatiles présents dans certaines météorites, leschondrites, qui résulteraient de l’agglomération des poussières d’étoiles ayant donnénaissanceauxplanètesdusystèmesolaireilyaprèsde5milliardsd’années.Leurcompositionpourrait donc correspondre à celle de l’atmosphère primitive des planètes rocheuses outelluriques(Mercure,Vénus,laTerreetMars).

Gaz Atmosphère

terrestreactuelle

Gazvolcaniques

actuels

Gazchondritiques

DiazoteN2 78 1 1

DioxygèneO2 21 - -

DioxydedecarboneCO2 0,038 12 20

Vapeurd’eauH2O 0à5 83 80

Gazrares(argon,néon,krypton)Hélium,méthane CH4, protoxyde

d’azoteN2O,dihydrogène≅1 - -

Compositiondedifférentsmélangesgazeuxnaturelsen%duvolumetotal.Lestiretsreprésententdespourcentagesinfimes(outraces)

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Latransformationd’unatmosphèreprimitivericheenvapeurd’eauetenCO2enunmélangericheendiazoteetendioxygènenécessitedeschangementsconsidérables:• Unefortediminutiondespourcentagesd’eauetdedioxydedecarbone• Uneforteaugmentationdespourcentagesdediazoteetdedioxygène1.1 La vapeur d’eau et le refroidissement de la Terre OnpensequelerefroidissementdelaTerredansles150premiersmillionsd’annéedel’histoirede laTerreaprovoqué ladiminutiondupourcentagedevapeurd’eau,en faisantprécipiter lavapeur sous forme d’eau liquide à l’origine des océans. En effet, en refroidissant, la surfaceterrestreafranchilalimitequiséparelesdomainevapeuretliquidedanslediagrammedephasedel’eau,cequiaprovoquélaliquéfactionmassivedelavapeurd’eau.

Diagrammedephasedel’eauAveclesconditions(P,T)delaTerreinitialeetdelaterreactuelle

Àlasuitedecechangementlacompositiondel’atmosphèreterrestredevaitêtreassezprochedecelledel’atmosphèreactuelledeMarsoudeVénus1:principalementduCO2etdelavapeurd’eau,unefaibleproportiondediazote.Une très forte diminution du taux de CO2 aurait ensuite permis d’aboutir à une atmosphèreprincipalement composée de diazote. En effet, lorsque le CO2 atmosphérique se dissoutspontanément dans l’eau de l’océan et forme des ions hydrogénocarbonateHCO3-. S’ils sont

1SurMarsetVénus,lesconditionsdepressionetdetempératurenepermettentpaslaformationd’eauliquide;l’eauadûs’accumulersousformesolide(glace)surMarsetsondevenirsurVénusestpluscomplexe.

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abondants, ces ions s’associent au calcium pour former du carbonate de calcium CaCO3 quiprécipiteetformedescouchesderochescalcaires.

2HCO3-+Ca2+⇌CaCO3+CO2+H2OÉquilibredescarbonates

Cetteprécipitationestfavoriséepardenombreuxêtresvivantsmarins(formationdescoquilles,etc.).Cescarbonatessedéposentensuiteaufonddesocéansetsontàl’originedelaformationdecouchesderochessédimentairescalcairestellesqu’onpeutenvoiractuellementàl’airlibredansde nombreuses régions calcaires (en France: falaises de Normandie, paysages de Provence,CaussesduMassifCentraletc.).C’estunstockagemassifdeCO2danslalithosphère,àtrèslongtermepuisquecertainscalcairesontplusieurscentainesdemillionsd’années.Ayantainsiperdulaplusgrandepartiedesavapeurd’eauetdesonCO2,l’atmosphèreterrestre,moinsdensequel’atmosphèreinitiale,contenaitsurtoutdudiazoteN2quiformeencore78%del’atmosphèreactuelle.Maisilresteàexpliquerl’originedudioxygène.1.2 L’origine du dioxygène L’augmentation du taux de dioxygène dans l’atmosphère terrestre serait due à l’activité dephotosynthèsedesêtresvivants.Desroches fossilesappeléesstromatolites,âgéesde3,5à3,7milliardsd’années,montrentquedesêtresvivantsprocaryotescapablesdephotosynthèse, lescyanobactéries, vivaient probablement déjà dans les zones peu profondes des océans à cetteépoque.Orlaphotosynthèseestunprocessusquiproduitdudioxygène.Rappelonsl’équationbilandelaphotosynthèse:6CO2+6H2O

é#$%&'$)*+,'%$-⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯/C6H12O6+6O2

Cependant, les traces d’une atmosphère riche en dioxygène les plus anciennes datent deseulement 2,4 milliards d’années: il s’agit de roches continentales riches en fer qui se sontoxydéesaucontactdudioxygèneformantdesnotammentdescouchesdegrèsrougesappelées«redbeds».Lacouleurrougedecesrochesestdueàl’hématiteFe2O3quiseformeàpartirdufermétalliqueselonlaréactiond’oxydation:

4Fe+3O2®2Fe2O3Réactiond’oxydationdufermétalliqueenprésencededioxygène(ethorsdel’eau)

Silaphotosynthèseproduisantdudioxygèneestapparuevers-3,7milliardsd’années,pourquoia-t-ilfalluattendrejusque-2,4milliardsd’annéespourqueletauxdedioxygèneatmosphériqueaugmente?

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1.3 Le stockage du dioxygène dans les océans Entre3,7et2,4milliardsd’années, ledioxygèneproduitpar lescyanobactériesn’apasdiffusédans l’atmosphère. Certaines roches sédimentaires océaniques permettent de comprendrepourquoi: le dioxygène dissous dans l’eau des océans a d’abord oxydé le fer océanique Fe2+,permettantlaformationdedépôtsrichesenoxydedeferFe2O3ouhématiteselonuneréactionquel’onpeutrésumerainsi:

2Fe2++O2+H2O®Fe2O3+2H+Réactiond’oxydationdesionsFe2+dansl’eau

Ontrouveainsidesdépôtsocéaniquesdeferrubané,avecdescouchesdeferrouge,quisesontformés dans cette période avec le dioxygène issus de la photosynthèse. Ces dépôts étantgénéralementtrèslocalisésaudébutdecettepériode,onparled’«oasisdephotosynthèse».Lesdépôtsdeferrubanénécessitentlaprésenced’ionsFe2+danslesocéans.Cesionsproviennentde l’érosion des roches émergées, seulement si l’atmosphère ne contient pas de dioxygène(atmosphère réductrice). En effet, si l’atmosphère est riche en O2, le fer métallique s’oxydedirectement à son contact et forme de l’hématite à l’air libre. Donc, entre 3,7 et 2,4milliardsd’année,l’atmosphèrenedevaitpascontenirdedioxygène,desortequelesionsFe2+ontpuêtretransportés en grande quantité dans les océans et permettre la formation des dépôts de ferrubané.Ainsientre3,7et2,4milliardsd’année,toutledioxygèneproduitparphotosynthèseaétépiégédansdesdépôtssédimentairesaufonddesocéans.PourquoilaconcentrationatmosphériqueduO2a-t-elleaugmentévers-2,4milliardsd’années?1.4 Le dioxygène atmosphérique et l’ozone Àpartirde2milliardsd’années,laconcentrationdeferocéaniqueFe2+estdevenueinsuffisantepourabsorberlaproductiondedioxygènedeplusenplusimportanteparlescyanobactériesetletaux de dioxygène atmosphérique a donc commencé à augmenter. On estime que le taux dedioxygènes’eststabiliséàsavaleuractuellevers1milliardd’années.Les tauxdedioxygèneetdedioxydede carbone sont restés relativement stablesdepuis cettepériode,notammentparcequelaproductionetlaconsommationdecesgazparlaphotosynthèseetlarespirationdesêtresvivantsesontéquilibrésdanslaplupartdesécosystèmes.Danslastratosphère,hautecouchedel’atmosphèresituéeentre11et50kmd’altitude,l’énergiedu rayonnement solaire permet la dissociation des molécules de dioxygène et la formationd’ozoneO3selonuneréactionréversiblequel’onpeutrésumerainsi:

3O2012/2O3

Réactiondeformationetdestructiondel’ozoneàpartirdudioxygène

LaréactionconsommedanslesdeuxsensdesradiationsUV

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Laconcentrationde l’ozoneestmaximaleentre25et40Kmd’altitude,où laconcentrationdudioxygèneetl’énergiereçuesonttoutesdeuxélevées:c’estla«couched’ozone».Laréactiondeformationdel’ozoneestréversible:l’ozonepeutseretransformerendioxygèneenabsorbantl’énergiedecertainsrayonnementsultraviolets(UV).Ainsi,l’ozoneabsorbelatotalitédesUV-CetlesUV-Blesplusénergétiques.Cespectred’absorptionestlemêmequeceluidel’ADNdesêtresvivants.L’ozoneabsorbedonclesUVlesplussusceptiblesd’êtreabsorbésparl’ADNetlesempêcheainsid’altérersastructure.Or,l’ADNestlesupportgénétiquedesêtresvivantsconnus.L’ozoneadoncpermislasurvieet ledéveloppementêtresvivantsayantunprogrammegénétiquesousformed’ADN,mêmelorsqu’ilssontexposésauxUV,commec’estlecaspourlavieémergée.Nousavonsvu lesprincipalesévolutionsde la compositionde l’atmosphère terrestre.Est-ellestableactuellement ? Pour répondre à cette question, nous allons examiner les principauxéchangesdegazentrel’atmosphèreetlesautressourcesoupuitsdecesgaz.2. Les échanges actuels entre les êtres vivants et l’atmosphère 2.1 Les échanges de dioxygène Leprincipalapport(source)dedioxygènedansl’atmosphèreprovientencoreactuellementdelaphotosynthèse des êtres vivants, notamment les plantes et le phytoplancton. Cet apport estglobalementéquilibréaveclesprélèvementsdedioxygèneatmosphérique:• Parlarespiration,trèsrépanduedanslemondevivants(plantes,phytoplancton,animaux,

microorganismes)• Parlescombustions(puits).2.2 Les échanges de dioxyde de carbone Le dioxyde de carbone est échangé entre différents réservoirs; des espaces physiques danslesquels la quantité de carbone est supérieure de plusieurs ordres de grandeurs aux flux deséchanges.Danscesréservoirs,lecarboneduCO2prenddesformesdiverses:• CO2dansl’atmosphère;• CO2dissousetionshydrogénocarbonatesHCO3-danslesocéans;• Matièreorganique(biomasse)desêtresvivants;• CalcaireCaCO3danslesrochescarbonatées;• Matièreorganiquedanslesrochescarbonées(pétrole,charbon,tourbe,gaznaturelcomme

leméthaneCH4)Denombreuxéchangesou flux chiffrés en tonnespar an (t.an-1) ont lieuentre ces réservoirs.L’ensembledeceséchangesformelecycleducarbone.

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LesêtresvivantséchangentduCO2avecl’atmosphère,parlaphotosynthèsequiconsommeduCO2et la respiration qui en produit. Ces échanges sont presque équilibrés: un léger excès dephotosynthèsefournitunematièreorganiquequiéchappeà ladécomposition,sédimentedansdescouchesrocheusesetsetransformetrèslentementenrochescarbonées.

Cycleducarbonenaturellesactivitéshumainesontétéajoutéespourmontrerledéséquilibrequ’ellesinduisent

Depuis près de 150 ans, les activités humaines libèrent d’importantes quantités de CO2 dansl’atmosphère:• Àpartirducalcaireparlatransformationducalcaireenciment;• Àpartirdesrochescarbonéesparl’utilisationdescombustiblesfossiles.Ces fluxdedéstockagedu carbone sontplus importants, et dans le casdes combustibles, desmillionsdefoisplusrapidesquelesfluxdestockageinverses.C’estpourquoi lescombustiblesfossilessontunesourced’énergienon-renouvelable.Lesfluxliésauxactivitéshumainesdéséquilibrentdonclecyclenaturelducarbone,etletauxdedioxydedecarboneatmosphérique, longtempsstable,connaîtactuellementuneaugmentation.Pourquoicetteaugmentationest-ellepréoccupante?Pourrépondreàcettequestion,nousallonspréciserquelquescaractéristiquesduclimatterrestre.