Terminale S Enseignement de spécialité Thème 2 «Atmosphère, hydrosphère, climats : du passé à l avenir» CHAPITRE 1 : L ATMOSPHERE PRIMITIVE ET SON EVOLUTION Pour comprendre l origine de notre atmosphère, il faut remonter au début de l histoire du globe terrestre. La Terre, comme toutes les planètes du système solaire, s est formée, il y a 4,56 Ga, par accrétion d objets cosmiques plus ou moins massifs. A la suite de cet intense bombardement météoritique, une planète en fusion s est peu à peu structurée vers -4,4 Ga. Une atmosphère initiale s est alors formée, mais elle était bien différente de l atmosphère actuelle. Problématique : Quelle était la composition de l atmosphère terrestre primitive et comment-a-t-elle évolué? I/ L atmosphère de la Terre primitive Problème : Quelle était la composition de l atmosphère terrestre et comment a-t-on pu la mettre en évidence? A) La formation des enveloppes terrestre En se refroidissant peu à peu, la Terre magmatique s est différenciée : les éléments se sont répartis en fonction de leur densité, les plus lourds migrant vers le centre de la Terre, les plus légers vers la périphérie. Des enveloppes concentriques se sont ainsi mises en place : le noyau, le manteau, la croûte, l hydrosphère et l atmosphère. L atmosphère terrestre est ainsi formée des éléments les moins denses que la Terre a pu retenir du fait de sa masse et de sa distance au Soleil. Les gaz rares de l atmosphère (hélium, xénon etc.) fournissent des informations sur l origine de l atmosphère primitive. L hélium, gaz très peu dense, s échappe facilement de l atmosphère vers l espace. Il est pourtant présent dans l air, ce qui indique qu il est renouvelé en permanence. On peut effectivement constater que sa teneur est maximale au-dessus des dorsales océaniques : l activité volcanique libère de l hélium qui provient du dégazage continu du manteau. L atmosphère terrestre s est donc formée par un dégazage intense et précoce du manteau (probablement dans les cent premiers millions d années qui ont suivi l accrétion terrestre). Ce dégazage s est poursuivi par la suite mais d une manière lente et continue. B) La composition de l atmosphère initiale Activité 1 : Des techniques pour connaître la composition de l atmosphère initiale L analyse des gaz volcaniques Les gaz volcaniques résultent du dégazage du manteau. Ils sont émis lors de la remontée de magmas vers la surface. Chaque année, les volcans produisent ainsi plusieurs dizaines de millions de tonnes de gaz (de 20 à 100 millions selon les estimations et l importance de l activité volcanique). La composition des gaz volcaniques varie en fonction du type d éruption. Cependant, d une façon générale, les trois composants les plus importants sont respectivement la vapeur d eau, le dioxyde de carbone 1
et l anhydride sulfureux. Le graphique ci-dessous fournit les proportions des principaux gaz émis par les volcans. L analyse des gaz contenus dans les météorites Les plus anciennes roches du système solaire sont des météorites. Parmi celles-ci, les chondrites sont apparues en même temps que les autres objets du système solaire et n ont subi aucune évolution notable. Par contre les achondrites proviennent de la fragmentation d objets ayant préalablement subi une différenciation (à l origine d un manteau et d un noyau) et un dégazage (à l origine d une atmosphère). N ayant subi ni différenciation, ni dégazages significatifs, les chondrites ont une composition chimique semblable à la composition globale de la Terre. Elles fournissent une «image» de la Terre primitive peu de temps après son accrétion. Elles reflètent donc la composition originelle de la Terre primitive. En laboratoire, on peut extraire et analyser les éléments volatils de ces météorites afin d estimer la composition chimique probable de l atmosphère primitive de la Terre. Gaz obtenus par chauffage d une chondrite (en pourcentage) H 2O 80 CO 2 12 N 2 5 Autres gaz (SO 2 ) 3 O 2 0 Expliquez en quoi l analyse des gaz volcaniques et des gaz contenus dans les météorites nous renseigne sur la composition de l atmosphère primitive. Proposez une composition chimique de l atmosphère primitive. Justifiez votre réponse. Le dégazage des météorites de type chondrite, dont on pense qu elles sont représentatives de la composition moyenne du système solaire (et donc de la Terre primitive), donne des composés chimiques identiques et dans des concentrations proches de ce que l on peut trouver dans les émissions volcaniques. On pense donc que, lorsque les enveloppes terrestres se sont formées par différenciation, le dégazage précoce du manteau a conduit à la formation d une atmosphère très réductrice, riche en dioxyde de carbone, en diazote, en dioxyde de soufre et en eau, mais dépourvu en dioxygène. 2
BILAN : On peut reconstituer la composition initiale de l atmosphère terrestre en étudiant les gaz émis par les volcans ou en provoquant le dégazage de certaines météorites représentatives du système solaire primitif. En effet, on peut prouver par l analyse de gaz rares que l atmosphère s est formée par un dégazage précoce du manteau terrestre qui se poursuit toujours via les manifestations volcaniques. L atmosphère primitive de notre planète était dépourvue de dioxygène et riche en dioxyde de carbone. II/ L évolution de la composition atmosphérique A) La chute de la concentration du CO 2 atmosphérique Problème : Quelle a été l évolution du taux de CO 2 atmosphérique au cours des temps géologiques? On sait que l atmosphère primitive de la Terre était très riche en CO 2, comme le sont actuellement les atmosphères de Vénus ou de Mars. La température ambiante diminuant après la phase d accrétion terrestre, on pense qu une partie de la vapeur d eau initiale s est condensée (le reste s est échappé vers l espace). Cette eau liquide s est mêlée à celle apportée par les météorites et les comètes pour former les premiers océans. Le piégeage du CO2 atmosphérique a pu alors débuter, le CO 2 gazeux diffusant dans l hydrosphère. Le refroidissement de la Terre a accentué le phénomène qui est devenu considérable avec la formation des roches sédimentaires carbonatées. Ainsi la concentration du CO 2 atmosphérique a diminué : de 100 000 fois la quantité actuelle il y a 4,5 Ga, son taux n est plus que 5 à 15 fois la quantité actuelle il y a 600Ma. BILAN : Le taux de CO 2 atmosphérique a fortement diminue au cours des temps géologiques. 100 000 fois plus important qu aujourd hui dans l atmosphère primitive, il a diminué considérablement par solubilisation dans l eau de mer (en lien avec le refroidissement de la Terre) et par la formation de roches carbonatées. B) Le passage d une atmosphère réductrice à une atmosphère oxydante L histoire du passage de l atmosphère initialement réductrice (sans O 2) en atmosphère oxydante (avec O 2) est enregistrée dans les roches. En effet des témoins sédimentaires permettent de fixer cet événement aux environs de -2,2Ga. Problème : quels indices témoignent d une atmosphère devenant oxydante? 3
Des informations apportées par des formations anciennes : Les fers rubanés et des gisements anciens d uranium Activité 2 : Les témoins de l apparition de dioxygène libre Des formations marines riches en oxyde de fer L altération par l eau des minéraux des roches continentales provoque la libération d ions Fe 2+. En conditions réductrices, ces ions peuvent être transportés sous forme dissoute par le réseau hydrogéographique, jusqu au domaine océanique. Dès qu ils rencontrent des conditions oxydantes, ils sont oxydés en ions Fe 3+. En présence de dioxygène, des oxydes de fer de couleur rouge comme l hématite (Fe 2O 3) peuvent alors précipiter. L hématite, produit de l oxydation du fer Des clous de fer sont partiellement immergés dans une eau en équilibre avec les gaz atmosphériques (tube A), ou bien mis à sec dans un tube fermé contenant un déshydratant (tube B), ou encore immergés dans de l eau bouillie (donc sans gaz dissous), isolée de l atmosphère par une couche d huile (tube C). Après une semaine, on localise les taches de rouille éventuelles. La rouille est un mélange complexe d oxydes et d hydroxydes de fer. Montrez que l atmosphère est passée de conditions réductrices à des conditions oxydantes L atmosphère actuelle contient 21 % de dioxygène, un puissant oxydant, alors que l atmosphère primitive de la Terre est dépourvue de dioxygène. L atmosphère est donc passée de conditions initiales réductrices a des conditions actuelles oxydantes. Les expériences effectuées sur les clous en fer montrent que la formation d hématite nécessite de l eau, du fer et du dioxygène. L hématite est donc un bon indicateur de conditions oxydantes d un milieu. Les BIF sont des roches sédimentaires marines riches en hématite. Cette hématite s est formée a partir de fer dissous, du dioxygène et de l eau de l océan. Les BIF sont des archives sédimentaires ayant enregistré l oxygénation des océans. Exploitez l extension temporelle des BIF pour préciser quand ce changement a eu lieu Les BIF se forment exclusivement entre -3,5 Ga et -2 Ga. On en déduit que le changement de composition chimique de l océan (l oxydation de l océan) a commencé il y a 3,5 Ga. Les principales réserves mondiales de fer sont des roches sédimentaires d origine océanique. Ces gisements de fer, associés à des précipitations siliceuses, sont qualifiés de «fers rubanés» et sont datés de -4 à -2,2 Ga. Ces énormes quantités de fer et de silice ont été apportées par des eaux douces continentales avant de précipiter en milieu océanique. Or, si le fer est soluble (Fe 2+ ) dans les eaux désoxygénées, il précipite en hydroxyde ferrique (Fe 2O 3) ou hématite quand les eaux sont chargées de dioxygène. 4
Echantillon de fer rubané daté de l Archéen L information apportée par les l existence des fers rubanés est donc double. Ils indiquent qu avant -2,2Ga : - Il n y a pas de dioxygène dans l atmosphère (le fer ne pourrait pas être transporté par les eaux douces) - Il y a, en revanche, du dioxygène dans les océans (sinon il n y aurait pas de précipitation). L absence de fers rubanés après 2,2Ga révèle un changement complet : le fer n est plus transporté dans les océans parce qu il précipite en milieu continental ; l atmosphère est donc devenue oxydante. Activité 3 : Des informations apportées par certains gisements anciens d uranium Les gisements d uranium sédimentaire d Afrique du Sud sont exceptionnels. Très anciens (-3,4Ga), ils sont sans équivalents depuis - 2,2 Ga. Ils contiennent des minerais d uranium (uraninite) dont la forme en boule (photographie) indique un transport par les eaux courantes et une sédimentation à l état de particules (roches sédimentaires détritiques). Or, il faut savoir que l uraninite est soluble dans les eaux oxygénées. Sa présence dans des roches sédimentaires détritiques plus vieilles que -2,2Ga, son absence dans les roches plus jeunes que -2,2Ga nous apportent des informations sur l évolution de la composition de l atmosphère. En quoi la forme des particules d uraninite témoigne-t-elle d un transport et d une sédimentation à l état de particules? Que montre l existence de ces anciens gisements sédimentaires d uranium? Que montre leur absence après -2,2Ga. L uraninite a une origine continentale (origine détritique par l altération de roches contenant de l uranium). L uraninite est soluble dans les eaux oxygénées ; après l altération, les particules ont donc été transportées par les eaux continentales dépourvues de dioxygène puis ont sédimenté lorsque la vitesse du courant a diminué. Leur absence a partir de 2,2 Ga semble indiquer que les eaux continentales deviennent riches en oxygène. L atmosphère devait être oxydante. Des formations sédimentaires nouvelles apparaissent à partir de -2,2Ga Sol rouge d Australie Avant -2,2 Ga, les paléosols montrent des appauvrissements en fer qui traduisent un entraînement du fer dissous par les eaux. En revanche, après -2,2 Ga, les paléosols sont riches en hydroxydes ferriques qui leur confèrent une couleur rouge (comme dans les sols tropicaux actuels) ; on parle de couches rouges. Le fer a donc précipité sur place sans être transportés. Les formations sédimentaires continentales comme les dépôts fluviatiles ou lacustres sont également rouges à partir de -2,2Ga. L atmosphère contient donc bien du dioxygène à partir de cette date. 5
L ensemble de ces témoignages sédimentaires permet donc d affirmer que, si du dioxygène a été produit sur Terre à partir de -4 Ga (début de la formation des fers rubanés), ce gaz n est apparu de façon significative dans l atmosphère que beaucoup plus tard. Il a d abord été piégé dans les formations sédimentaires océaniques. Ce n est qu à partir de -2,2Ga que l atmosphère devient oxydante (couches rouges montrant que le fer précipite désormais en milieu continental). BILAN : Le fer précipite en hydroxyde ferrique dans les eaux oxygénées. De 4 Ga à 2,2 Ga, des formations sédimentaires contenant du fer précipitent en milieu océanique (fers rubanés). De la même manière, des gisements d uraninite (nécessitant des eaux dépourvues de dioxygène) se forment sur les continents. Après 2,2 Ga, les gisements de fer sont continentaux (paléosols rouges). L uraninite ne se forme plus. Du dioxygène est donc produit sur Terre à partir de 4 Ga. Ce dioxygène a d abord été piégé dans les océans avant d enrichir l air, il y a 2,2 Ga. III/ L évolution de l atmosphère est liée au développement de la vie Alors que l atmosphère primitive était dépourvue de dioxygène, des indices géologiques ont montré que ce gaz est apparu dans le milieu océanique puis dans le milieu continental et l atmosphère. Problème : Comment le développement de la vie a-t-il pu entraîner une évolution de l atmosphère? A) Les stromatolites, premiers producteurs de dioxygène Plusieurs analyses tendent à prouver que le dioxygène libéré dans les océans est issu d une activité photosynthétique. La plus ancienne formation sédimentaire interprétée comme résultante d une activité biologique, datée de -3,5Ga, contient des structures fossiles appelées stromatolithes. Les stromatolithes sont des formations carbonatées caractérisée par des dépôts de carbonates clairs alternés avec des couches sombres riches en matière organique. Actuellement, ce type de formation se met en place grâce à l activité photosynthétique d êtres vivants procaryotes : les cyanobactéries. Ce sont des bactéries possédant des thylakoïdes libres dans leur cytoplasme pouvant réaliser la photosynthèse. Elles se développent en formant une colonie en tapis sur un support au moins humide. Activité 4 : Les stromatolites fossiles et leur interprétation Les stromatolites («tapis de pierre» en grec) sont des roches finement laminées, retrouvées dans des couches géologiques de moins de 3,5Ga. Actuellement, il s en forme dans des eaux peu profondes, en quelques localités du globe : ce sont des bioconstructions où dominent des cyanobactéries pratiquant la photosynthèse oxygénique. Au précambrien, les stromatolites étaient beaucoup plus répandus qu actuellement. Expliquez en quoi le développement de la vie a pu modifier la composition de l atmosphère, et proposez une chronologie en lien avec les conclusions de l activité 3 Les stromatolites sont des bioconstructions marines qui se forment sous une faible tranche d eau grâce à l activité photosynthétique de certaines espèces de cyanobactéries. Les plus anciennes stromatolites connues sont datées de -3,5Ga. Les cyanobactéries sont probablement apparues à cette période. L accumulation de dioxygène dans l océan a également 6
débuté il y a 3,5 Ga. L oxygénation des océans pourrait donc résulter du rejet du dioxygène par photosynthèse et donc du développement de cyanobactéries. Le dioxygène présent dans des concentrations de plus en plus importantes aurait commencé a diffuser dans l atmosphère à partir de -2,2 Ga. Dans le cas des stromatolithes, leur consommation de CO 2 favorise la précipitation des carbonates. Le tapis bactérien est alors recouvert par un dépôt de calcaire clair, les bactéries recouvertes sont alors étouffées et meurent ce qui forme le dépôt sombre. Les cyanobactéries recolonisent alors le substrat calcaire. La disposition en couches alternées du stromatolithe est alors expliquée. Ces bactéries fossilisées pourraient donc être les premiers producteurs de dioxygène. En conclusion, on peut résumer les évènements suivants : - A partir de -3,2 Ga : production et libération d O 2 par les stromatolites (colonies de cyanobactéries) - De -3,2 Ga à -2,2 Ga : libération de l O 2 dans les océans (témoins : fers rubanés). L atmosphère demeure réductrice. - A partir de 2,2 Ga : diffusion de l O 2 dans l atmosphère (témoins : paléosols rouges). L atmosphère devient oxydante. B) Les conséquences de la production de dioxygène La vie est donc à l origine d une modification majeure de l atmosphère terrestre. En retour, cette transformation a fortement influencé la vie. Même si on connaît peu de choses sur les bactéries les plus anciennes, on pense que bon nombre d entre elles étaient des bactéries fermentaires, vivant dans des conditions anaérobies. Le dioxygène étant très défavorables à ces microorganismes, l arrivée de dioxygène libre dans leur environnement a dû s accompagner de leur disparition en masse. 7
Le dioxygène, toxique pour une majorité de formes vivantes, s est par la suite avéré très précieux lorsque l évolution des espèces a conduit à l apparition de formes capables d exploiter le dioxygène en pratiquant la respiration : ce métabolisme énergétique a un rendement bien plus élevé que les fermentations. De la même façon, la formation, dans la haute atmosphère, de la couche d ozone à partir du dioxygène atmosphérique est une acquisition essentielle. En protégeant la surface de la planète d une partie du rayonnement solaire ultraviolet, elle a permis l épanouissement de la vie hors de l eau il y a 360Ma environ. BILAN : Les premiers producteurs de dioxygène sont probablement des procaryotes, proches des cyanobactéries actuelles, qui édifiaient des constructions calcaires mamelonnées, les stromatolithes (les plus anciens sont datés autour de -3,5Ga). Ces cyanobactéries libéraient du dioxygène par photosynthèse. La production de dioxygène a, dans un premier temps, causé des extinctions massives chez les bactéries anaérobies mais elle a ensuite permis d accélérer l évolution des espèces grâce à l apparition de la respiration et, bien plus tard, a permis la conquête des milieux continentaux par la mise en place de la couche d ozone. SCHEMAS BILANS 8
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