Thème 1: Science, climat et société. Chapitre 1: L’atmosphère terrestre et la vie.
Activité 1: Origine de l’atmosphère et des océans terrestres.
Il est possible d’estimer la composition de l’atmosphère primitive par différentes méthodes (analyse des chondrites ou des inclusions fluides des roches volcaniques d’origine mantellique). La comparaison de la composition de l’atmosphère primitive et de l’atmosphère actuelle montre que les concentrations en H2O et CO2 ont diminué au cours du temps tandis que les concentrations en N2 et O2 ont augmenté.
Comment expliquer l’évolution de la composition de l’atmosphère au cours de l’histoire de la Terre ?
Hypothèse: L’évolution de la composition de l’atmosphère serait due à des interactions entre l’atmosphère, la biosphère, l’hydrosphère et la lithosphère.
Évolution de la concentration en O2
Les premiers gisements de fers rubanés (BIF) apparaissent en milieu océanique il y a 3,8 Ga. Ces gisements contiennent de l’hématite (forme oxydée du fer) qui ne peut se former qu’en présence de O2. On en déduit que le O2 serait apparu en milieu océanique il y a 3,8 Ga.
L’augmentation de ces gisements jusqu’à -2,5 Ga s’interprète comme un enrichissement de l’hydrosphère en O2.
On observe des structures fossiles datées de -2,5 à -3,8 Ga très similaires aux stromatolites actuels. Ces structures renferment des organismes vivants fossiles eux aussi très similaires aux cyanobactéries actuelles. Les cyanobactéries sont des procaryotes photosynthétiques qui vivent en milieu océanique à faible profondeur. En utilisant le principe d’actualisme, on en déduit que l’apparition du O2 en milieu océanique il y a 3,8 Ga serait liée à l’activité photosynthétique des cyanobactéries.
Des gisements de pyrite / uraninite se forment en milieu continental de -3,8 à -2,2 Ga. Or la pyrite et l’uraninite ne peuvent se former qu’en l’absence de O2. On en déduit que l’atmosphère ne contenait pas de O2 entre -3,8 et -2,2 Ga. L’atmosphère était réductrice.
À partir de -2,2 Ga, on observe une augmentation de la formation de sols rouges en milieu continental. Or les sols rouges contiennent de l’hématite (forme oxydée du fer) qui ne peut se former qu’en présence de O2. On observe aussi un arrêt de la formation des gisements de pyrite et d’uraninite qui ne peuvent se former qu’en l’absence de O2. On en déduit que l’atmosphère contient du O2 à partir de -2,2 Ga. L’atmosphère est devenue oxydante.
À partir de -2,5 Ga, on observe une diminution puis un arrêt de la formation des gisements de fers rubanés en milieu océanique. On en déduit que tout le fer océanique a été oxydé par l’O2 produit par la photosynthèse. Le fer continental étant directement oxydé en milieu continental à partir de -2,2 Ga, l’érosion ne réapprovisionne plus les océans en fer ce qui explique l’arrêt de la formation des gisements de fers rubanés en milieu océanique.
L’atmosphère était dépourvue d’O2 il y a 4 Ga comme en atteste la présence de pyrite et d’uraninite datées de cette époque. À partir de 3,8 Ga, la production d’ O2 par les cyanobactéries s’effectue dans les océans. L’O2 produit, permet d’oxyder le fer des océans, ce qui conduit à la formation des fers rubanés. À partir de 2,5 Ga, tout le fer océanique ayant été oxydé, la quantité de fers rubanés formés diminue. L’O2 produit par la photosynthèse n’étant plus piégé dans les océans, il passe dans l’atmosphère qui devient alors oxydante. La présence d’O2 dans l’atmosphère explique l’arrêt de la formation des gisements de pyrite et d’uraninite qui ne peuvent se former qu’en absence d’O2 et la formation des sols rouges au contact de l’atmosphère, qui ne peuvent se former qu’en présence d’O2.
Évolution des concentrations en H2O, CO2, et N2.
À partir de 4,5 Ga, le refroidissement de la Terre provoque la condensation de la vapeur d’eau qui précipite et forme ainsi les océans. La concentration en H2O gazeux diminue.
La présence d’eau liquide, et le refroidissement se poursuivant, le CO2 est de plus en plus soluble, il se dissout dans l’eau (2 CO2 + 2 H2O → 2 H+ + 2 HCO3-) où il précipite (précipitation chimique) pour former des carbonates: 2 HCO3- + Ca2+ → CaCO3 + CO2 + H2O. Ainsi, pour 2 CO2 atmosphériques prélevés, l’un se retrouve dissous dans l’eau, et l’autre piégé dans un carbonate CaCO3.
L’altération des reliefs favorise cette précipitation chimique en libérant des ions HCO3- et Ca2+, ce qui déplace l’équilibre précipitation / dissolution des carbonates dans le sens de la précipitation piégeant ainsi le CO2.
Le développement de la vie favorise la précipitation biologique du CO2 ainsi que son stockage dans les “puits” biosphérique et lithosphérique (photosynthèse et piégeage du carbone). La concentration en CO2 atmosphérique diminue donc.
La quantité d’ H2O et de CO2 ayant diminué, la pression atmosphérique diminue aussi, et la concentration en N2 augmente de manière relative bien que l’on estime que sa masse atmosphérique n’ait pas changé.