THEME 1 : SCIENCE, CLIMAT ET SOCIETE
CHAPITRE 1 : L’ATMOSPHERE TERRESTRE ET LA VIE
Depuis l’époque de sa formation, quasi concomitante avec celle du Soleil et des autres planètes du Système Solaire, la Terre a connu une évolution spécifique de sa surface et de la composition de son atmosphère.
Activité 1 : Déterminer la composition de l’atmosphère primitive (facultative)
I. UNE ATMOSPHERE PRIMITIVE TRES DIFFERENTE DE L’ACTUELLE
La Terre s’est formée il y a environ 4,6 milliards d’années (Ga) par accrétion (accroissement d'un corps par agglomération de matière en surface de celui-ci) de poussières stellaires. Les chocs engendrés par les collisions entre particules ont libéré assez d’énergie pour entraîner la fusion de la planète. Le refroidissement de la planète primitive s'est accompagné d'un dégazage intense du manteau qui a conduit à la formation de l'atmosphère primitive.
L’atmosphère primitive était principalement formée de vapeur d’eau (H2O), de dioxyde de carbone (CO2) et de diazote (N2). Elle était dépourvue de dioxygène (O2).
Cette atmosphère primitive a évolué. La composition actuelle de l’atmosphère est de 78% de diazote (N2), de 21%
de dioxygène (O2) et de traces d’autres gaz comme la vapeur d’eau (H2O), le dioxyde de carbone (CO2), le méthane (CH4) et le protoxyde d’azote (N2O).
Vocabulaire : Atmosphère : Enveloppe gazeuse qui entoure un astre
II. DE L’ATMOSPHERE PRIMITIVE A L’ATMOSPHERE ACTUELLE TP1 : Les états de l’eau sur Terre
A. La condensation de la vapeur d’eau
Le refroidissement de la surface de la Terre primitive a conduit à la liquéfaction de la vapeur d’eau présente dans l’atmosphère initiale.
L’apparition de l’eau liquide est à l’origine des premiers océans.
Les conditions actuelles de température de surface et de pression atmosphérique sur Terre permettent l’existence de l’eau sous trois formes : solide, liquide et gazeuse.
Vocabulaire : Hydrosphère : Ensemble de l’eau (présente sous l’un de ses trois états) à la surface de la Terre
Savoir-faire : Déterminer l’état physique de l’eau pour une température et une pression donnée à partir de son diagramme d’état.
B. L’apparition du dioxygène
Activité 2 : Des indices géologiques permettant la reconstitution de l’histoire du dioxygène atmosphérique
B-1. Du dioxygène dissous au dioxygène atmosphérique
A partir de 3,5 milliards d’années (Ga), du dioxygène (O2) a oxydé dans l’océan des espèces chimiques réduites (ex : oxydation du fer). Cela a permis par exemple la formation des oxydes de fer rubanés (ou BIF).
Equation bilan : 4 Fe2+ + O2 + 4 H2O → 2 Fe2O3 + 8H+
A partir de 2,4 milliards d’années, le dioxygène s’est accumulé dans l’atmosphère. Les paléosols rouges continentaux (ou Red beds) sont des indices de la présence d’une atmosphère oxydante.
La concentration en dioxygène atmosphérique actuelle a été atteinte il y a environ 500 millions d’années.
TP 2 : Evolution de l’atmosphère et activité biologique
B-2. Une apparition du dioxygène liée à la vie
Les premières traces de vie se sont développées dans l’hydrosphère et sont datées d’il y a au moins 3,5 milliards d’années.
Par leur métabolisme photosynthétique, des cyanobactéries ont produit le dioxygène. Les stromatolithes, roches carbonatées issues de l’activité des cyanobactéries, ont commencé à se former vers 3,5 Ga.
Les sources et puits de dioxygène atmosphérique sont aujourd’hui essentiellement liés aux êtres vivants (photosynthèse et respiration) et aux combustions.
Vocabulaire :
Métabolisme : ensemble des réactions chimiques qui se déroulent dans un être vivant.
Photosynthèse : synthèse de matière organique à partir de matière minérale (eau, dioxyde de carbone, sels minéraux) grâce à l’énergie lumineuse. Un bilan simplifié de la photosynthèse peut être :
chlorophylle à la lumière
6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6 O2
(dioxyde de carbone) (eau) (glucose : base de l’amidon) (dioxygène)
Respiration : oxydation de matière organique (ex : glucose) en matière minérale (CO2) en présence de dioxygène afin de produire de l’énergie. Un bilan simplifié de la respiration peut s’écrire :
C6H12O6 + 6 O2 → 6CO2 + 6H2O + énergie (glucose) (dioxygène) (dioxyde de carbone) (eau)
Combustion : réaction exothermique (qui dégage de la chaleur) entre un combustible et un comburant (le plus souvent le dioxygène de l’air)
Activité 3 : Le rôle protecteur de la couche d’ozone
B-3. La formation de la couche d’ozone
Sous l’effet du rayonnement ultraviolet solaire, le dioxygène stratosphérique peut se dissocier, initiant une transformation chimique qui aboutit à la formation d’ozone (O3). Celui-ci constitue une couche permanente de concentration maximale située à une altitude d’environ 30 km.
La couche d’ozone absorbe une partie du rayonnement ultraviolet solaire et protège les êtres vivants de ses effets mutagènes.
Cette protection a permis le développement de la vie hors de l’eau (conquête des continents), il y a 500 millions d’années (Ma).
Vocabulaire :
Stratosphère : couche de l’atmosphère terrestre comprise en moyenne entre 10 et 50 km d’altitude.
Rayonnement ultraviolet : rayonnement électromagnétique de longueur d’onde inférieure à celle de la lumière visible (longueur d’onde entre 100 et 400 nm).
Mutagène : agent qui peut altérer la structure de l’ADN et induire des mutations.
C. La diminution du taux de dioxyde de carbone atmosphérique
Le dioxyde de carbone (CO2) atmosphérique peut se dissoudre dans l’eau. La solubilité du CO2
dépend de la température :il est plus soluble en eau froide.
Equation bilan : CO2 + 2 H2O↔ H3O+ + HCO3–
Ainsi, la naissance des premiers océans et le refroidissement de la Terre a permis le piégeage du dioxyde de carbone (CO2) atmosphérique dans l’hydrosphère.
La photosynthèse consomme du dioxyde de carbone. L’apparition de ce métabolisme il y a 3,5 Ga a contribué au stockage du dioxyde de carbone (CO2) atmosphérique dans la biosphère.
Le stockage du dioxyde de carbone dans les roches carbonatées de la lithosphère a également permis la diminution du dioxyde de carbone (CO2) atmosphérique.
Cette formation peut s’écrire : Ca2+ + 2 HCO3-↔ CaCO3 + CO2 + H2O
or la fabrication de 2 HCO3- consomme 2 CO2, il y a donc bien 1 CO2 quiest piégé Ca2+ est apporté par l’érosion (altération des plagioclases et des pyroxènes)
Vocabulaire :
Lithosphère : enveloppe rigide de la surface de la Terre divisée en plaques tectoniques. Elle comprend la croûte terrestre et une partie du manteau.
III. L’EVOLUTION RECENTE DE L’ATMOSPHERE : UN CYCLE DU CARBONE DONT L’EQUILIBRE EST MENACE
TP 3 : Le cycle biogéochimique du carbone
Le carbone est stocké dans plusieurs réservoirs superficiels : l’atmosphère, les sols, les océans, la biosphère et les roches.
Les échanges de carbone entre ces réservoirs sont quantifiés par des flux (tonne/an). Les quantités de carbone dans les différents réservoirs sont constantes lorsque les flux sont équilibrés. L’ensemble de ces échanges constitue le cycle du carbone sur Terre.
Les combustibles fossiles se sont formés à partir du carbone des êtres vivants, il y a plusieurs dizaines à plusieurs centaines de millions d’années. Ils ne se renouvellent pas suffisamment vite pour que les stocks se reconstituent : ces ressources en énergie sont dites non renouvelables.
Les activités humaines, qui utilisent massivement les combustibles fossiles, libèrent une grande quantité de dioxyde de carbone dans l’atmosphère et menace l’équilibre du cycle naturel du carbone.
Vocabulaire :
Combustible fossile : produit, que l'on brûle pour obtenir de l'énergie, qui est le résultat de l'accumulation et de la transformation de matière organique au cours du temps dans des conditions particulières. Ex : pétrole, charbon, gaz.
Bilan : La composition de l’atmosphère est liée à des facteurs physiques et géologiques (distance au Soleil, tectonique…) auxquels s’est ajoutée l’émergence des êtres vivants et de leurs métabolismes. Un fragile équilibre est atteint, qui permet la vie et la maintient.
