L ORIGINE DE LA COMPOSITION DE NOTRE ATMOSPHÈRE. La naissance de l univers (-13,7 milliards d années) Tout a commencé par le "Big Bang" : une gigantesque explosion qui a donné naissance à notre univers, il y a de cela quatorze milliards d'années. Depuis ce temps, chaque portion de l'univers s'éloigne les unes des autres. On dit que notre univers est en expansion. Au départ, l univers ressemblait à un immense nuage composé principalement de gaz (l'hydrogène : 90% et l'hélium : 9%) et de poussières cosmiques solides (1%). Ces éléments allaient s assembler pour former des étoiles qui, en se regroupant, ont donné naissance aux galaxies. La naissance du Soleil Il y a environ 4,6 milliards d années ; Dans une de ces galaxies, «la Voies lactées», une supernova c est à dire l explosion résultant de l effondrement rapide ( sorte d implosion ) du cœur d une supergéante rouge ( voir leçon 1b ) est à l origine de la formation de notre système solaire. Alors que les particules composant la couche externe de l étoile sont propulsées vers l extérieur, les autres sous l action de la force gravitationnelle ( force qui fait que deux corps s'attirent l'un vers l'autre avec une force proportionnelle au produit de leur masse voir leçon 1b ) sont aspirées vers le centre où elles vont se concentrer. Sous l'action de cette force, la pression interne va croître, provoquant une augmentation de la température jusqu à l enclenchement de réactions nucléaires ( principalement l'hydrogène qui brûle et qui illumine l étoile ). Une nouvelle étoile est née : le Soleil Découpe et colle l illustration correspondante - 1
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La formation des planètes La supernova a propulsé de grandes quantités de particules vers l espace. Les gaz plus légers, projetés au loin, formeront nos planètes gazeuses alors que les particules solides, plus lourdes, resteront plus près du centre et seront à l origine des planètes solides comme la Terre. Tous les éléments ( Fe, Al, Mg, Si, Ca, C, U, Au, ) qui composent notre terre actuelle étaient déjà présents dans la supernova. L effondrement du cœur de la super géante rouge est également la pulsion qui a enclenché le mouvement rotatoire circulaire des particules éjectées. ( voilà pourquoi les planètes tournent autour du soleil) La force gravitationnelle agissant, ces particules solides ou gazeuses qui tournent autour du Soleil vont petit à petit se rapprocher, s agglutiner pour former des corps de plus en plus volumineux qui à leur tour vont se rapprocher et s agglomérer jusqu à former des planétésimaux. Plus ces planétésimaux grossissent, plus leur attraction gravitationnelle augmente, plus ils attirent des particules cosmiques éloignées et de grande taille ( phénomène d accrétion ). Certains sont à l origine des protoplanètes. La formation de la «Terre» La force d attraction ( la force gravitationnelle ) augmentant avec la masse de la protoplanète «Terre», l impact des météorites sur sa surface est de plus en plus violent. La chaleur dégagée lors de ces chocs fait fondre sa surface. Il y a 4,5 milliards d années, notre Terre était une boule rocheuse couverte de lave incandescente. En augmentant de masse, la pression en son centre croît. S additionnant aux effets du bombardement de météorites, la chaleur dégagée par cette augmentation de pression va enclencher des réactions nucléaires internes et ainsi transformer la proto-terre en une boule de lave liquide. C est à ce moment là qu elle prendra sa forme arrondie. Découpe et colle l illustration correspondante - 3
La protoplanète «Terre» a ainsi subi un bombardement intensif et continu d astéroïdes durant probablement 500 millions d années avec une intensité rapidement décroissante au fur et à mesure que l espace avoisinant se nettoyait de ses particules cosmiques. La futur Terre n étant plus qu une gigantesque goutte de lave liquide, ses constituants les plus lourds comme le fer ( Fe) vont migrer vers son centre pour s y concentrer ( processus d accrétion ) alors que les plus légers comme la silice (Si), l aluminium (Al) et le magnésium (Mg) vont remonter vers la surface. Le noyau de la Terre est donc principalement constitué de fer en fusion dans sa partie externe et de fer solide en son centre (solidification due à la pression). La partie solide du noyau ( Ø 2000 km ) concentre les ¾ de la masse de la terre. Des mouvements de convection ( voir leçon 2 annexe 1 : page 70 ), tourbillons, du fer liquide autour du noyau interne solide créent des courants électriques ( le principe de la dynamo ) qui sont à l origine du champ magnétique terrestre. Ce champ magnétique, la «Magnétosphère», éloigne de la Terre la plus grande partie du vent solaire mortel. ( voir leçon 1 annexe 2 : page 13 ) Découpe et colle l illustration correspondante - 4
Avec le temps, les matières légères de la surface allaient se refroidir pour former une croûte solide transpercée de nombreux volcans. C était : il y a 4,4 milliards d années. La formation de la Lune 50.000 ans plus tard, suite à la collision et la fusion de la protoplanète «Terre» avec une autre protoplanète presque aussi grosse, une grande quantité de matériaux qui constituaient la croûte terrestre est propulsée dans l espace avoisinant. Ces éléments vont se mettre à tourner autour du résultat de cette fusion: notre planète «Terre». La force gravitationnelle intervenant, ces éléments en rotation vont petit à petit s agglomérer pour former notre satellite naturel : «la Lune». La lune étant principalement constituée d éléments légers (Al, Si, ) provenant de la croûte terrestre, sa densité est plus faible que celle de la terre. Ce choc a également eu pour conséquence d incliner l axe de rotation de la Terre sur elle-même. Cette inclinaison est à l origine des saisons. Découpe et colle l illustration correspondante - 5
Avant l'atmosphère terrestre primitive? Au début, avant la fusion des roches, il n'y avait rien sur la protoplanète «Terre». Elle ne possédait pas d'atmosphère. Les gaz légers comme l hydrogène ( H 2 ) et l hélium ( He ) s étaient presque totalement échappés vers l'espace. En effet, leur agitation moléculaire provoquée par l'action du rayonnement solaire était très importante. La vitesse d agitation atteinte par les molécules était supérieure à «la vitesse de libération» de la Terre. ( voir leçon 1 - annexe 1 : page 11 ) La formation de l'atmosphère terrestre primitive. A mesure que la Terre se refroidissait, d'énormes quantités de vapeur d'eau (H 2 O), de gaz carbonique (CO 2 ) et autres gaz ( méthane (CH 4 ), acide sulfurique (H 2 SO 4 ), ) furent expulsés du centre de la Terre vers l'extérieur via les volcans. Cela constitua la première atmosphère de la Terre. On estime qu'environ 80% des gaz de l'atmosphère actuelle ont été émis durant cette période. Ce dégazage rapide libère une énorme quantité de vapeur d'eau dans l'atmosphère. La température, trop élevée au niveau du sol ( >100 C ), empêche la condensation de cette vapeur en eau liquide. L atmosphère ressemblait à un énorme brouillard épais. Sa composition était voisine des émissions gazeuses des volcans actuels. H 2 O ( l eau) CO 2 (Dioxyde de carbone) N 2 (azote) O 2 (oxygène) Total Découpe et colle l illustration correspondante - 6
L'apparition de l'eau (- 4,2 milliards d'années) Jusqu'ici, l'eau n'était présente que sous forme gazeuse. Mais avec le temps, le refroidissement progressif de la Terre autorisa l'apparition de l'eau sous forme liquide. La condensation de celle-ci dans l'atmosphère entraîna d énormes précipitations qui finirent par rendre l'atmosphère transparente au rayonnement solaire. En effet, jusque là, la forte teneur en dioxyde de carbone (CO 2 ) et la vapeur d'eau formaient un brouillard opaque. Imaginez-vous, que toute l eau contenue dans nos océans actuels se trouvait alors dans l atmosphère... Toute cette eau ne peut pas uniquement provenir des volcans. Elle provient vraisemblablement aussi de comètes qui sont tombées sur Terre. Une comète est en majeure partie composée de glaces qui se sont vaporisées lors de l impacte. Une partie du CO 2 fut dissoute dans l'eau liquide et passa dans les océans. Ce qui resta dans l'atmosphère, associé à la vapeur d'eau, suffit à stabiliser la température de la surface terrestre à une valeur optimale pour que puisse naître la vie ( entre 15 et 30 C ). Cette atmosphère, agissant par effet de serre, permit de réduire les pertes calorifiques de la terre vers l'espace. L azote étant peu réactif avec les autres substances, il est resté dans l atmosphère. H 2 O CO 2 N 2 O 2 Total Variation de la quantité des différents composants de l atmosphère 87 % 0,02 % 12 % 0,25 % 1 % 0 % 100 % 1,27 % Proportion ramenée à 100 % du volume d air Découpe et colle l illustration correspondante - 7
L apparition de la vie ( de - 4 à - 3,5 milliards d années ) Les molécules organiques, des acides aminés (AA), qui permirent le développement de la vie proviendraient sans doute de poussières cosmiques. On en a découvert dans des météorites. La vie apparaît donc très tôt dans l histoire de la Terre. Les premiers organismes, ne disposant pas d oxygène moléculaire, devaient être anaérobies. Lorsque le ciel n était qu un nuage toxique et opaque, ils étaient déjà là, se nourrissant de méthane ou de gaz soufrés (S). Lorsque le ciel se dégagea, la transparence de l atmosphère les obligea à rester sous l eau ou dans les entrailles de la Terre de manière à échapper aux radiations Ultra-Violet ( UV ) mortelles. L apparition de l oxygène ( - 2,2 milliards d années) La lumière solaire pouvant pénétrer dans la mer, les premiers organismes photosynthétiques apparurent. Ces formes de vie, principalement marines, utilisaient le carbone du CO 2 et rejetaient l'oxygène ( la photosynthèse ) qui s'accumula progressivement dans l eau puis dans l'atmosphère. Ainsi, un nouveau constituant apparut, l'oxygène moléculaire : O 2. H 2 O CO 2 N 2 O 2 Total ~ 2 % 22 % 78 % 0 % 100 % (sans l eau) Découpe et colle l illustration correspondante - 8
La formation de la couche d'ozone. L oxygène sous l action du rayonnement solaire Ultra-Violet forma immédiatement en altitude une couche d ozone ( O 3 ) protectrice qui empêcha les UV nuisibles à la vie d atteindre le sol. La vie pouvait alors se développer sur la terre ferme. Les premières plantes apparurent il y a 410 millions d années et transformèrent une grande partie du gaz carbonique restant en oxygène. Ce processus se poursuit toujours. Découpe et colle l illustration correspondante - 9
Composition de l'atmosphère actuelle ( l'air au niveau du sol ). Gaz constituants de l'air sec Volumes (en %) Masses molaires (O = 16,000) Azote(N 2 ) Oxygène(O 2 ) Argon (Ar) 0,93 Dioxyde de carbone(co 2 ) 0,035 Néon(Ne) 1,8 10-3 Hélium (He) 5,24 10-4 Krypton (Kr) 1,0 10-4 Hydrogène (H 2 ) 5,0 10-5 Xénon (Xe) 8,0 10-6 Ozone(O 3 ) 1,0 10-6 Radon (Rn) 6,0 10-18 La vapeur d'eau, H 2 O, est variable et intervient dans des proportions pouvant atteindre 0,1% en Sibérie à 5% dans les régions maritimes équatoriales. Vocabulaire Recherchez au dictionnaire la définition des termes suivant et notez leur signification dans un lexique. l accrétion un amoncellement un acide aminé aérobie (adjectif) anaérobie (adjectif) un astéroïde des pertes calorifiques un champ magnétique une comète la condensation cosmique (adjectif) les entrailles l expansion la fusion générer (verbe) l impacte l implosion incandescent (adjectif) un météorite migrer (verbe) opaque (adjectif) optimal (adjectif) une molécule organique l ozone la photosynthèse primitive (adjectif) un processus le produit (en math) une protoplanète une pulsion Découpe et colle l illustration correspondante - 10