Atmosphère, hydrosphère, climats : du passé à l*avenir Chapitre 3

Atmosphère, hydrosphère, climats : du passé à l’avenir
Chapitre 3
CHAPITRE 3 : L’évolution climatique à l’échelle de l’histoire de la Terre.
Les variations survenues au cours des 800 000 dernières années s’inscrivent dans des variations de plus
grande ampleur. Depuis 4,55 Ga des périodes chaudes alternent avec des périodes froides.
I. L’atmosphère primitive et son évolution p 85
A. Formation de l’atmosphère.
La Terre, comme toutes les planètes du système solaire s’est formée il y a 4,56 Ga par accrétions d’objets
cosmiques (doc 2 p 85).
A la suite de cet intense bombardement météoritique, une planète en fusion s’est peu à peu structurée vers
4,4 Ga. En se refroidissant, la Terre magmatique s’est différenciée : les éléments se sont répartis en
fonction de leur densité. Les enveloppes concentriques se sont ainsi mises en place : noyau, manteau,
croûte et 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.
L’atmosphère terrestre s’est formée par dégazage intense et précoce du manteau (probablement dans les
100 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.
L’analyse des gaz des chondrites ainsi que des gaz des inclusions contenues dans les roches volcaniques
profondes (doc 3 p 85) montre que l’atmosphère initiale était riche en eau, en dioxyde de carbone, en
diazote et en dioxyde de soufre mais elle était dépourvue d’oxygène.
La température ambiante diminuant après la phase d’accrétion, on pense qu’une partie de la vapeur d’eau
initiale s’est condensée en pluies diluviennes. Cette eau liquide s’est mêlée à celle apportée par les
météorites pour former les premiers océans.
B. Chute de la concentration en CO2 atmosphérique.
Le piégeage du CO2 atmosphérique a pu commencer avec les premiers océans : le CO2 gazeux est soluble
dans l’eau liquide. Le refroidissement a accentué cette solubilité. Voir Annexe 1. Il s’est en partie
dissous dans les océans sous forme d’hydrogénocarbonates HCO3- .
-
Le premier mécanisme consommateur de CO2 est l’altération de roches magmatiques
continentales composées de silicates. Les ions
Ca2+ et HCO3- libérés sont lessivés et précipitent
sous l’action d’êtres vivants sous forme de
carbonates dans les océans (ils forment leur
coquille calcaire = tests des foraminifères, récifs
coralliens)
1
Atmosphère, hydrosphère, climats : du passé à l’avenir
Chapitre 3
Même si la précipitation d’un carbonate libère 1 CO2, le bilan global de l’altération des roches est le
piégeage du CO2 atmosphérique sous forme de roches carbonatées.
-
Le deuxième mécanisme consommateur de CO2 est la photosynthèse.
Une plante est une usine à stocker de l'énergie sous forme de glucides par la photosynthèse. Par fossilisation
ces plantes se transforment en hydrocarbures, houilles ou pétroles. Les mines de charbon sont le témoin de
ce piégeage du CO2 par la matière organique. Lorsqu’on utilise aujourd'hui les combustibles fossiles, on
renvoie dans l'atmosphère le CO2 qui a été piégé par la plante.
2
Atmosphère, hydrosphère, climats : du passé à l’avenir
Chapitre 3
C. Evolution de l’oxygène atmosphérique.
L’atmosphère actuelle est très oxydante. On peut situer la transition entre atmosphère réductrice et
atmosphère oxydante en étudiant la distribution temporelle des BIF (formations de fers rubanés, principaux
gisements de fer actuels). Ils sont datés de -4 à -2,5 Ga. Ces énormes quantités de fer ont été apportées par
des eaux douces continentales avant de précipiter en milieu océanique.
On sait que le fer est soluble dans des eaux désoxygénées (Fe2+) et précipite en hydroxyde ferrique
(Fe3+quand les eaux sont chargées en O2.
Ainsi, avant 2,2 Ga, il n’y a pas d’O2 dans l’atmosphère (sinon le fer n’aurait pas pu être transporté par les
eaux douces) et en revanche il y a du O2 dans l’océan (sinon il n’y aurait pas eu de précipitation).
A partir de -2,2 Ga des formations sédimentaires nouvelles apparaissent. Les paléosols rouges sont riches
en hématite (oxyde de fer Fe2O3). Cela montre que les ions Fe2+ issus de l’altération des continents
pouvaient alors être oxydés avant d’atteindre l’océan ; il n’y a plus de fers rubanés, il n’est plus transporté,
il précipite en milieu continental. L’atmosphère est devenue oxydante
Du dioxygène est produit dans les océans à partir de -4 Ga, d’abord piégé, il n’apparait dans l’atmosphère
qu’à partir de -2,2 Ga. L’atmosphère est devenue oxydante il y a 2,2 Ga.
D. L’évolution de l’atmosphère et celle de la vie sont liées.
Des fossiles très anciens, les stromatolites, suggèrent que vers -3,5 Ga, des êtres vivants procaryotes,
proches des cyanobactéries actuelles, étaient présents sur la Terre. Ces êtres étaient capables de réaliser la
photosynthèse qui libère de l’O2. Ces bactéries fossilisées pourraient donc être les premiers producteurs
de dioxygène dans l’océan.
II Evolutions climatiques à l’échelle du milliard d’années.
Quelles ont été les variations climatiques des climats lointains et comment les expliquer ?
A. La reconstitution des climats très anciens
Les données permettant la reconstitution des climats du passé lointain sont peu nombreuses, parfois
difficilement accessibles et imprécises.
Les archives paléoclimatiques disponibles sont essentiellement les roches sédimentaires dont la formation
est liée au climat
(on considère que les conditions de formation des roches connues actuellement peuvent s’appliquer au
passé ; c’est le principe de l’actualisme) :
3
Atmosphère, hydrosphère, climats : du passé à l’avenir
-
Chapitre 3
les évaporites sont ainsi caractéristiques d’un climat chaud et aride,
les roches d’altération comme les latérites ou bauxites indiquent un climat tropical humide en
milieu continental, p 92-93
les tilites (blocs plus ou moins gros de roches transportés par les glaciers) et les traces d’érosion
glaciaire sont caractéristiques d’un climat très froid (installation d’une calotte glaciaire). P 92-93
Le contenu en fossiles des roches sédimentaires permet également d’apprécier les climats :
-
la présence de coraux fossiles indique ainsi un climat tropical en milieu marin, mers chaudes. P 91
Les fossiles de fougères arborescentes indiquent un climat tropical très humide et chaud, elles sont à
l’origine des charbons.
Ces marqueurs ont permis de savoir qu’au cours des 600 derniers millions d’années, 3 refroidissements
climatiques se sont produits, marqués par la formation d’importantes calottes glaciaires, comme lors de la
période du permo-carbonifère. Ces périodes froides ont alterné avec des périodes chaudes comme au
Crétacé supérieur où la Terre est entièrement dépourvue de glaces.
B. Les mécanismes des variations climatiques aux grandes échelles de temps.
Activité 6 p 94-95
A l’échelle des temps géologiques, le cycle du carbone est simple et repose sur le transfert du carbone
entre trois réservoirs principaux : les roches carbonatées (calcaires…), les matières organiques fossiles
(charbon, pétrole…) et le manteau terrestre. Les variations climatiques, corrélées au taux de CO2
atmosphérique, dépendent du flux de carbone entre ces différents réservoirs ;
Ainsi toute modification de ces flux entraîne un changement climatique.
4
Atmosphère, hydrosphère, climats : du passé à l’avenir
Chapitre 3
Les périodes d’intense activité volcanique sont aussi les périodes de fortes productions de CO2,
augmentation effet de serre, augmentation température globale.
La formation de chaînes de montagne va entraîner augmentation de l’altération des silicates. Donc plus de
Ca2+ et de HCO3-. Donc augmentation de la précipitation des carbonates (sédimentation carbonatée) …Plus
de CO2 piégé, donc effet de serre ↘ et climat qui se refroidit globalement.
Présence de forêts luxuriantes, fossilisation du carbone organique qui ne retourne pas dans l’atmosphère
par décomposition, donc ↗piégeage du carbone, ↘effet de serre, climat qui se refroidit globalement
(même si forêt tropicale dans un climat localement chaud et humide).
Tous les mécanismes permettant le piégeage ou la libération de CO2 dans l’atmosphère sont à l’origine
des variations climatiques globales.
Les déplacements lithosphériques peuvent aussi intervenir dans les variations climatiques locales :
Au carbonifère et au Permien, les continents sont regroupés au niveau du pôle Sud, ce qui est favorable à la
mise en place d’une calotte glaciaire (marquée par la présence de tillites, moraines, et stries glaciaires en
Amérique du Sud, Afrique du Sud, Australie, Inde et Antarctique) : l’albédo global est augmenté et la
température terrestre diminue donc. Période froide.
Or la France se trouve à des latitudes proches de l’équateur comme l’attestent les traces de forêts très importantes
caractéristiques d’un climat tropical chaud (bois fossilisés, charbon) ou les coraux trouvés dans les terrains de la
période carbonifère. Donc localement le climat était tropical à cause du déplacement d’une plaque lithosphérique
vers l’Equateur même si globalement le climat mondial était plutôt froid.
Schéma bilan p 98
5
Atmosphère, hydrosphère, climats : du passé à l’avenir
Chapitre 3
6
Atmosphère, hydrosphère, climats : du passé à l’avenir
Chapitre 3
7
Atmosphère, hydrosphère, climats : du passé à l’avenir
Chapitre 3
La diminution du CO2 atmosphérique.
Au Carbonifère, l’étude des paléosols montre que c’est à cette période que le CO2 atmosphérique a été le
plus faible dans l’histoire de la Terre : l’effet de serre diminue et donc favorise la glaciation.
Cette diminution du taux de CO2 atmosphérique a plusieurs origines :
 Les conditions climatiques régnant aux alentours de l’équateur sont propices à la croissance
importante de la végétation qui pompe du CO2 de l’atmosphère ; des dépôts de charbon se forment
massivement et piègent ce CO2 qui ne retourne pas à l’atmosphère.
 A cela s’ajoute l’importante altération de la chaîne de montagne hercynienne qui a pour effet de
retirer du CO2 de l’atmosphère (cf. infra). L’effet de serre à cette époque diminue et induit un
climat plus froid avec des précipitations neigeuses aux hautes latitudes qui ne fondent pas et
permettent l’installation d’une calotte glaciaire.
Les mécanismes des variations climatiques aux grandes échelles de temps impliquent des variations
importantes dans la teneur en gaz à effet de serre de l’atmosphère. Les deux exemples précédents
illustrent deux mécanismes qui expliquent des variations importantes de la quantité de CO2 dans
l’atmosphère : le piégeage de la matière organique et l’émission de CO2 par le volcanisme. D’autres
processus chimiques impliquant la formation ou l’altération des roches, qui libèrent ou consomment du
CO2, jouent aussi un rôle important dans la régulation de la teneur en CO2 de l’atmosphère aux grandes
échelles de temps. Quelques réactions élémentaires et caractéristiques de processus d’altération ou de
formation de roches permettent de comprendre ces mécanismes de libération ou de consommation de CO2.
A la surface des continents l’altération des carbonates et des silicates consomme du CO2. L’exemple le plus
simple est la dissolution des carbonates :
- (réaction 1)
Les traces de ce phénomène sont observables dans les affleurements de calcaires par des figures
caractéristiques. Cette réaction transfert du CO2 de l’atmosphère vers les océans. L’altération des silicates
des roches magmatiques ou métamorphiques consomme du CO2 gazeux de l’atmosphère. Pour un pyroxène
calcique cette réaction s’écrit :
- (réaction 2)
Les réactions de dissolution-précipitation des carbonates (réaction 1 et 3) se compensent s’il n’y a pas
d’apport ou de départ d’ions Ca2+ et ne changent pas de manière majeure la teneur en CO2 de
l’atmosphère sur des échelles de temps de plusieurs millions d’années. En revanche l’altération des silicates
qui libèrent du Ca2+ consomme irréversiblement du CO2. En effet, les réactions 2 et 3 peuvent s’écrire :
CaSiO3
Le bilan montre que 2 molécules de CO2 sont utilisées et qu’une seule et libérée.
Doc 6 :
8
Atmosphère, hydrosphère, climats : du passé à l’avenir
Chapitre 3
Dans le cas du feldspath : 2
atmosphérique sont consommé lors de l’altération alors qu’un seul retourne
dans l’atmosphère lors de la formation des carbonates, l’autre est « piégé » dans le calcaire.
En bilan on a donc une diminution du
atmosphérique lors de l’érosion des silicates qui composent la
chaîne hercynienne au Carbonifère.
Par contre pour les carbonates : pas d’effet sur le
car autant de
consommé que rejeté.
Doc 9 : L’importante végétation au Carbonifère contribue à augmenter l’altération des silicates et donc à
faire baisser le
Au carbonifère on a un minimum de dioxyde de carbone dans l’atmosphère qui s’explique par :
 la formation de roche riche en matière organique qui piège du carbone à l’état réduit, c’est un
stockage de
.
 l’altération des grande chaînes de montagne hercynienne avec l’altération et la précipitation de
certains éléments qui consomment ou qui libèrent du
o la précipitation des carbonates libère du
o la dissolution des carbonates consomme du
o l ’altération des silicates calciques et magnésiens consomment du
 le bilan de ces altération et précipitations consomme du
Doc variation de température au cours des temps géologiques
B. Les facteurs du climat au Crétacé.
Après la glaciation du permo-carbonifère, la Terre connaît une période chaude qui dure jusqu’à
-40 Ma. Le crétacé supérieur est l’une des époques où la Terre est entièrement dépourvue de glace. A
cette époque les coraux se développent jusqu’à des latitudes de 40° nord et sud. L’Alaska et le
Groenland déjà situés à des latitudes de plus de 50 °N sont peuplés d’arbres caractéristiques de climats
chauds (palmiers, arbres à pain). Cette période est aussi caractérisée par une imposante transgression
marine.
Ce climat très chaud traduit un effet de serre important lié à une augmentation de CO2 dans
l’atmosphère. L’enrichissement en CO2 de l’atmosphère est à mettre en parallèle avec une activité
volcanique accrue à cette même époque comme l’attestent le fort taux d’expansion des dorsales
océaniques et les grands épanchements basaltique sous-marin. Ce volcanisme transfert du CO2 du
manteau vers l’atmosphère. La température moyenne à la surface du globe est supérieure d’environ
10°C à l’actuelle.
9