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L’atmosphère terrestre : son rôle dans l’apparition et dans le maintien de la vie

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La formation de l’atmosphère et son évolution

  • Formation de l’atmosphère et de l’hydrosphère
  • L’atmosphère terrestre est apparue il y a environ 4,4 milliards d’années sous l’action conjuguée du dégazage des roches du manteau et des impacts des météorites.
  • La composition de l’atmosphère primitive n’est pas la même qu’aujourd’hui :
  • l’atmosphère primitive est riche en eau (80 %) et en dioxyde de carbone (jusqu’à 20 %), elle contient peu de diazote (< 5 %) et le dioxygène est absent (traces) ;
  • l’atmosphère actuelle est riche en diazote (78 %) et en dioxygène (21 %), elle contient peu de dioxyde de carbone (0,5 %) et peu d’eau (0,1 %).
  • En raison de la forte présence de gaz à effet de serre, l’atmosphère primitive présente des températures élevées.
  • Lorsque la surface terrestre s’est refroidie, l’eau sous forme de vapeur s’est progressivement condensée pour former les océans.
  • L’oxygénation de l’atmosphère
  • Les traces de vie les plus anciennes sont les stromatolithes formés par les cyanobactéries, apparues vers 3,5Ga-3,5\,\text{Ga}.
  • Par leur activité photosynthétique, les cyanobactéries dégagent du dioxygène qui enrichit l’océan, le rendant oxydant. Cette oxydation est visible grâce aux BIF (formations de fer rubané) : Fe2++O2Fe2O3\text{Fe}^{2+}+\text{O}2\rightarrow\text{Fe}2\text{O}_3.
  • À partir de -2,2 milliards d’années, après saturation de l’hydrosphère en dioxygène, il y a une oxygénation progressive de l’atmosphère.
  • La concentration atmosphérique en dioxygène actuelle a été atteinte il y a 500 millions d’années environ.
  • L’explosion cambrienne, qui amène une diversification des espèces, a lieu il y a environ 540 millions d’années, grâce à l’oxygénation des océans.
  • Il existe ainsi un lien étroit entre biosphère et atmosphère : la présence et les variations de dioxygène atmosphérique sont liées aux activités métaboliques des êtres vivants (photosynthèse puis la respiration).

Formation de la couche d’ozone et impact sur l’émergence de la vie

  • La couche d’ozone apparaît il y a 600 millions d’années, suite à la dissociation de molécules de dioxygène atmosphérique sous l’effet du rayonnement ultraviolet solaire.
  • L’ozone absorbe les rayons UVc (les plus nocifs) et une grande partie des UVb, tandis que les Uva (les moins nocifs) et une faible portion d’UVb atteignent la surface terrestre.
  • L’ADN absorbe principalement les longueurs d’ondes des UVc et le début des UVb, ce qui provoque une dénaturation ou une mutation de la molécule d’ADN.
  • Avant l’apparition de la couche d’ozone, la vie en dehors des océans était impossible. Mais en bloquant une grande partie des UV, la couche d’ozone a permis une colonisation des continents par les végétaux puis les animaux.

Cycle du carbone : lien entre atmosphère, hydrosphère et biosphère

  • Le cycle du carbone décrit la présence de carbone dans des réservoirs (sources de carbone, puits de carbone) et les flux de carbone entre ces réservoirs (flux entrant et flux sortant, flux rapide et flux lent).
  • Il existe quatre grands réservoirs de carbone sur Terre :
  • la lithosphère (réservoir le plus important) contient du carbone sous forme minérale ou sous forme de matière organique fossile. C’est actuellement un réservoir en déficit du fait de l’action de l’être humain (utilisation de combustibles fossiles) ;
  • l’hydrosphère a un effet tampon, car elle limite la quantité de carbone qui s’accumule dans l’atmosphère : les océans de surface possèdent des flux de captation du carbone (dissolution du dioxyde de carbone atmosphérique, respiration et photosynthèse) ;
  • l’atmosphère est un réservoir plus petit mais en lien très étroit avec les autres. Ses flux entrants (activité volcanique, combustion, respiration, fermentation) sont fortement augmentés par les activités humaines (combustion d’énergie fossile, élevage intensif…).
  • la biosphère est un réservoir en lien étroit avec l’atmosphère et l’hydrosphère, et dans une moindre mesure avec la lithosphère. Ses flux entrants sont notamment dus à l’activité de photosynthèse des végétaux. Ses flux sortant (respiration, fermentation) sont accrus par les feux et la déforestation (lessivage des sols).
  • Les combustibles fossiles (pétrole, gaz, charbons) sont tous liés à la décomposition de matières organiques datant de quelques milliers d’années à plusieurs millions d’années. Leur teneur en carbone est proportionnelle au temps d’enfouissement : c’est le résultat d’un processus de carbonification (fossilisation).
  • Ces échelles de temps sont donc non renouvelables pour l’être humain et ces ressources fossiles ne sont pas censées être mobilisées dans les flux actuels de manière naturelle.
  • Avant la révolution industrielle, le cycle du carbone est équilibré. Mais l’utilisation par l’être humain des combustibles fossiles non renouvelables introduit un déséquilibre dans le cycle du carbone avec prélèvement de la lithosphère au profit de l’atmosphère.