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Introduction :
La Terre est la seule planète de notre système solaire à avoir une atmosphère permettant la vie. Mais la « planète bleue » (la Terre est recouverte à 75 % par des océans) n’a pas toujours mérité son surnom et l’atmosphère terrestre qui nous paraît si évidente est le résultat d’un long processus.
La formation de la Terre résulte d’un long processus d’accrétion de matière (c’est-à-dire d’agglomération de la matière) et d’une différenciation progressive des différentes couches selon leur densité. L’atmosphère, quant à elle, a évolué au cours de milliards d’années en lien avec des processus géologiques et biologiques.
Nous allons étudier la composition primitive de l’atmosphère terrestre puis son évolution, concomitante avec l’apparition de la vie sur Terre. Enfin, nous verrons le rôle du carbone, dans son cycle biogéochimique, ainsi que sa place dans les questions d’actualités.
La formation de l’atmosphère et son évolution
De la composition de l’atmosphère et formation de l’hydrosphère
La Terre s’est formée, il y a environ 4,5 milliards d’années (ou ).
Son atmosphère, c’est-à-dire la couche d’air qui l’enveloppe, est apparue il y a à peu près 4,4 milliards d’années sous l’action conjuguée du dégazage des roches du manteau par l’activité volcanique, et des impacts des météorites. Ces deux phénomènes ont déterminé la composition de l’atmosphère primitive.
Atmosphère primitive :
Première atmosphère de la Terre formée il y a 4,4 milliards d’années.
Le manteau correspond aux couches supérieures de la Terre.
Le dégazage des roches du manteau désigne donc l’expulsion des gaz accumulés dans ces roches souterraines vers l’extérieur, grâce à l’activité volcanique.
Ce dégazage a pu être mis en évidence par l’étude des chondrites (météorites).
En laboratoire, elles ont été chauffées à des températures similaires à celles sur Terre à cette époque, afin d’analyser les gaz en sortant. Par ce processus, les scientifiques ont reproduit ce qui a eu lieu il y a 4,4 milliards d’années.
Aujourd’hui, notre atmosphère se compose à 78 % de diazote, 21 % de dioxygène et 1 % d’autres gaz (argon, dioxyde de carbone, méthane, etc.).
La composition de l’atmosphère primitive n’est pas la même qu’aujourd’hui : elle est très riche en eau (80 %), en dioxyde de carbone (environ 15 %) et contient du diazote en quantité moindre (< 5 %). Le dioxygène n’est pas présent initialement : il apparaît uniquement sous forme de traces.
De plus, l’eau et le dioxyde de carbone sont des gaz à effet de serre contribuant à une température très élevée à la surface de la Terre primitive.
Gaz | Atmosphère primitive | Atmosphère actuelle |
Vapeur d’eau () |
80 % | 0,1 %* |
Dioxyde de carbone () |
15 % | < 0,5 % |
Diazote () |
< 5 % | 78 % |
Dioxygène () |
absent (traces) | 21 % |
* C’est une moyenne : dans certaines régions tropicales, la proportion de peut atteindre 5 %.
L’eau présente dans l’atmosphère est majoritairement sous forme gazeuse (sauf quand il pleut). Comment l’expliquer ? Par un diagramme de phase.
L’eau existe sous trois états physiques différents : solide, liquide et gazeux (vapeur).
L’état physique de l’eau dépend de deux paramètres : la pression et la température.
Le diagramme de phase nous permet de lire ce lien :
Lorsque la Terre a commencé à se refroidir, l’eau sous forme de vapeur s’est condensée. Selon les hypothèses scientifiques, cette eau provient pour moitié des météorites et pour moitié du dégazage du manteau.
On estime qu’il a fallu environ 150 millions d’années pour former les océans.
C’est donc par le refroidissement de la surface terrestre que l’eau présente en très grande quantité dans l’atmosphère primitive a commencé à se liquéfier pour former l’hydrosphère.
Hydrosphère :
L’hydrosphère désigne l’ensemble des zones de la Terre qui sont occupées par l’eau, que ce soit sous sa forme liquide (océans, cours d’eau, lacs…), solide (glaciers, neiges éternelles…) ou encore gazeuse (vapeur d’eau). La majeure partie de l’hydrosphère est constituée par les eaux salées (mers et océans).
L’émergence de la vie et l’oxygénation de l’atmosphère
Les traces de vie les plus anciennes sont des stromatolithes. Les stromatolithes sont formés par les cyanobactéries. Elles sont apparues vers , avec une très forte présence entre et partout dans les océans du globe.
Actuellement, quelques stromatolithes en formation sont visibles en Australie par exemple.
Cyanobactérie :
Bactéries photosynthétiques aquatiques.
Filaments de cyanobactéries, ©Doc. RNDr. Josef Reischig, CSc.
Stromatolithe :
Accumulation de lits calcaires et de petits débris rocheux dans lesquels s’entremêlent des filaments de cyanobactéries.
Ils sont le produit visible de la présence de cyanobactéries.
Stromatolithes fossiles à New York (fin du Cambrien), ©C Eeckhout
Stromatolithes actuels en Australie , ©James St. John
Les cyanobactéries réalisent la photosynthèse. C’est-à-dire qu’elle absorbe le dioxyde de carbone () dissous dans l’océan et dégagent un nouvel élément essentiel : du dioxygène ().
La photosynthèse s’écrit ainsi :
L’absorption du dioxyde de carbone s’accompagne de la précipitation de calcaire () à partir des ions hydrogénocarbonate () et calcium () selon l’équation chimique : . Cela explique l’organisation des stromatolithes en couches concentriques de calcaire et de cyanobactéries.
Le dégagement de dioxygène va enrichir localement l’océan, le rendant oxydant. Les ions ferriques issus de l’altération des roches continentales, du volcanisme et de l’activité hydrothermale (sources et circulation d’eau chaude au fond des océans) vont réagir au contact du dioxygène (oxydation pour donner des ions ferriques ) et finalement donner de l’oxyde de fer (). Ce processus est visible dans des roches sédimentaires riches en fer, appelées BIF (formations de fer rubané).Leur formation a eu lieu entre et .
BIF (BandedIron Formation) :
Les BIF(ou gisement de fers rubanés) sont des roches alternant des couches riches en fer oxydé et des couches de silice.
BIF datant du précambrien, prélevée aux États-Unis
Formation des fers rubanés
À partir de , l’excès de dioxygène produit par les cyanobactéries a oxygéné les océans puis l’atmosphère ().
La concentration atmosphérique en dioxygène actuelle a été atteinte il y a 500 millions d’années environ.
Explosion de la biodiversité marine
Dans un laps de temps d’environ 20 à 50 millions d’années, on assiste à une augmentation très forte du nombre d’espèces marines à travers le monde. On parle d’explosion cambrienne, entre la fin du protérozoïque et le cambrien.
Explosion cambrienne :
L’explosion cambrienne désigne l’apparition relativement soudaine de nombreux organismes marins pluricellulaires il y a environ 540 millions d’années.
Cette explosion de la vie mène à une diversification des espèces, qu’il s’agisse de bactéries, de végétaux ou d’animaux.
Un des exemples emblématiques de cette période est la faune de Burgess, gisement de fossiles à l’ouest du Canada. On y trouve principalement des fossiles d’animaux appartenant à la famille des arthropodes, qui possèdent un squelette externe (carapace rigide), comme les trilobites, et à la famille des cnidaires (méduses). Mais de nombreuses espèces appartiennent à des familles aujourd’hui disparues.
La complexification des organismes s’est potentiellement accompagnée d’une diversification des physiologies photosynthétique et respiratoire.
Formation de la couche d’ozone et impact sur l’émergence de la vie
Formation de la couche d’ozone
Dans l’atmosphère, la couche d’ozone se trouve dans la stratosphère. Elle désigne une zone très riche en ozone (O3) et qui permet l’absorption de rayons ultraviolets provenant du Soleil.
On estime à 600 millions d’années l’apparition de cette couche riche en ozone. En effet, sous l’effet du rayonnement ultraviolet solaire, le dioxygène atmosphérique peut se dissocier et donner de l’ozone selon les réactions chimiques successives :
Cet ozone s’accumule alors à environ d’altitude, au niveau de la stratosphère.
Effet bénéfique de l’ozone sur la vie
L’ozone a pour particularité d’absorber une partie du rayonnement ultraviolet solaire.
La lumière du Soleil se compose de rayons ultraviolets (UV), de la lumière visible pour les humains et de rayons infrarouges (IR).
Les UV sont répartis en trois catégories : Uva, UVb et UVc. Plus la longueur d’onde des UV est courte, plus la quantité d’énergie est importante, mais moins elle pénètre le milieu. Les UVc, qui ont une longueur d’onde plus courte, sont donc les UV les plus dangereux (mais les moins pénétrants).
Avant l’apparition de la couche d’ozone, la Terre était donc complètement exposée aux rayons ultraviolets, notamment aux UVc, qui bombardaient sa surface. La toxicité de ces UVc est si importante que la vie en dehors des océans était impossible (l’eau permet de bloquer les UVc).
En effet, les UV entraînent une dénaturation thermique de la double hélice d’ADN par rupture des liaisons hydrogène. Lors de la réparation, une erreur dans le ré-appariement du double brin peut se produire, créant ainsi une mutation de la molécule d’ADN. Et toute mutation peut engendrer une modification de l’information contenue dans l’ADN.
L’absorption des UV par l’ADN peut donc provoquer une dénaturation ou une mutation de la molécule d’ADN et générer des cancers par exemple : les UV constituent ainsi des agents mutagènes pour la molécule d’ADN.
La couche d’ozone, en bloquant une grande partie des UV, protège donc les êtres vivants et permet une colonisation des continents par les végétaux puis les animaux.
Une autre donnée a une influence sur la composition de l’atmosphère et sur le climat : le carbone.
Cycle du carbone : lien entre atmosphère, hydrosphère et biosphère
Le cycle du carbone est un cycle biogéochimique qui comprend la présence de carbone dans des réservoirs et les flux de carbone entre ces réservoirs.
Réservoirs de carbone :
Un réservoir de carbone est un lieu d’accumulation des atomes de carbone selon des caractéristiques communes (carbonates dans la lithosphère par exemple).
La quantité de carbone des réservoirs s’exprime en gigatonne de carbone (noté ).
Flux de carbone :
Les flux de carbone désignent la quantification des échanges entre les réservoirs de carbone de la Terre, en lien avec des processus biogéochimiques.
Les flux en gigatonne de carbone par an (noté ).
Réservoirs et flux dans les différents compartiments terrestres
Un réservoir peut constituer une source de carbone ou un puits de carbone :
Il existe quatre grands réservoirs de carbonesur Terre.
Ce dernier correspond à la petite part du carbone contenue dans la lithosphère mobilisable à des échelles de temps compatibles avec l’être humain (< 50-100 ans). Les autres processus mis en jeu se font sur des durées bien supérieures à 10 000 ans.
De nombreux processus, comme la libération de méthane () dans les fonds océaniques, ont été mis en évidence assez récemment et restent des sujets d’études très actuels pour affiner le modèle du cycle du carbone.
Les flux sont très rapides (de la semaine à quelques mois) et cela influence très fortement la machine climatique. La part de carbone en excédent depuis la révolution industrielle représente 45 % du carbone contenu aujourd’hui dans l’atmosphère. Cela continu à s’accroître au rythme de de carbone qui viennent enrichir l’atmosphère chaque année.
Le cycle naturel du carbone est impacté par l’activité humaine puisque celle-ci ajoute des flux qui modifient l’équilibre des quantités de carbone contenues dans les différents réservoirs.
Ce schéma permet de visualiser les principaux flux entre les réservoirs :
L’exploitation des combustibles fossiles et ses conséquences sur le cycle du carbone
Les combustibles fossiles sont répartis en 3 catégories : le pétrole, le gaz, les charbons (l’anthracite, la houille, le lignite, la tourbe).
Ils sont tous liés à la décomposition de matières organiques (d’où le nom de combustibles fossiles) datant de quelques milliers d’années pour la tourbe à plusieurs millions d’années pour le pétrole, le gaz et le charbon.
Leur teneur en carbone est proportionnelle au temps d’enfouissement : environ 50 % pour la tourbe, 75 % à 90 % pour la houille et pratiquement 100 % pour le pétrole.
Les charbons proviennent de la biosphère terrestre ; le pétrole et le gaz ont une origine marine.
Ces ressources fossiles enfouies dans la lithosphère ne sont pas censées être mobilisées dans les flux actuels de manière naturelle.
Par l’exploitation humaine de ces ressources fossiles, un excédent de dioxyde de carbone est rejeté dans l’atmosphère, amplifiant l’effet de serre et donc la hausse des températures du globe.
Ainsi, la dégradation de ces combustibles fossiles non renouvelables par combustion introduit un déséquilibre dans le cycle du carbone avec prélèvement de la lithosphère au profit de l’atmosphère.
Conclusion :
Nous avons vu que la longue mise en place de l’atmosphère est intimement liée à des processus géologiques mais aussi biologiques, la naissance de la vie sur Terre ayant permis la composition atmosphérique actuelle (riche en diazote et dioxygène) et la formation d’ozone, qui protège les êtres vivants contre les rayonnements mutagènes.
Bien que le dioxyde de carbone représente désormais une faible portion des gaz atmosphériques (< 1 %), l’atmosphère constitue un réservoir de carbone essentiel à l’équilibre du cycle du carbone sur Terre. Sous l’effet de l’action humaine, la composition des différents réservoirs de carbone tend à se modifier. Le réservoir atmosphérique se retrouve ainsi particulièrement sous pression, menaçant le fragile équilibre naturel établi depuis des millions d’années. Les répercussions sont déjà visibles sur les climats, objets de notre prochain cours.