THEME-2

THEME 2 : ENJEUX PLANETAIRES CONTEMPORAINS / Atmosphère, hydrosphère,
climats : du passé à l’avenir
Prérequis : connaissances acquises en classe de seconde et première (exercices 1,
2, 3, 4 ,5)
Exo.1
Exo.2
Exo.3
Exo.4
Exo.5
CHAPITRE 1 : EVOLUTION DE L’ATMOSPHERE TERRESTRE
1.1
la naissance d’une atmosphère primitive
1.1.1 la formation de la planète
Le système solaire s’est formé il y a 4,5Ga. Il résulte de l’effondrement d’une
nébuleuse de gaz et de poussière. Ce nuage en rotation voit en son centre la
matière se condensé et former ainsi le soleil alors qu’à la périphérie plusieurs
agglomérats de petites météorites sont à l’origine des planètes.
Ces planètes sont tout d’abord des boules de matières en fusion autour
desquelles stagne une atmosphère primordiale constituée des gaz de la
nébuleuse originelle (hélium et hydrogène)
Cette atmosphère est rapidement chassée par les puissants vents solaires qui
épargne notre planète grâce à l’action de son champs électromagnétique. Cette
déviation des vents
solaire permet la mise
en
place
d’une
atmosphère primitive
autour
de
notre
planète.
Le modèle ci-contre
représente le process
d’apparition
des
différentes
planètes
du système solaire
(accrétion de matière
en
fusion
puis
différenciation en fonction de la densité des matériaux : pour notre planète
noyau nickel-fer au centre et éléments moins denses en surfaces ; tels
qu’olivines et pyroxènes dans le manteau et silicates dans la croûte terrestre)
L’effondrement d’une nébuleuse de gaz et de poussières a engendré la
formation du système solaire il y a 4,55 Ga. Le Soleil correspond à une
énorme agglomération de matière au centre de cet effondrement et les
planètes à des accrétions périphériques de météorites. Les enveloppes
constitutives de la Terre nous indiquent qu’elle a subi une
différenciation secondaire à la suite de l’accrétion qui lui a donné
naissance.
1.1.2 l’origine de l’atmosphère primitive
L’atmosphère primitive de notre planète s’est formée par dégazage
volcanique du manteau terrestre. La composition de cette atmosphère
peut être déduite par l’étude de la composition des émanations actuelles
des volcans, par l’addition des réservoirs des volatils terrestres ou par
détermination de la composition et de la teneur des gaz contenus dans
les météorites chondritiques* constitutives de notre planète.
Météorites chondritiques : météorites non différenciées
Pour en savoir plus http://www.mineraux-du-monde.com/Meteorites.htm
1.2
De l’atmosphère primitive à l’atmosphère actuelle
1.2.1 Evolution du taux de CO2
Après le refroidissement du sol terrestre, la température de surface de la planète
est en relation avec l’activité solaire. Cette dernière est alors moindre
qu’actuellement, et n’aurait pas dû permettre la présence d’eau liquide mais
seulement la présence de glace d’eau. Cependant, la concentration importante
de CO2 a permis, par effet de serre, d’élever la température et a donc autorisé la
naissance de l’océan primitif. L’activité solaire qui continue de croître aurait dû
faire augmenter rapidement la température et engendrer la vaporisation de cet
océan.
L’équilibre existant entre le CO2 atmosphérique et le CO2 dissous dans les
océans est déstabilisé par la précipitation océanique des carbonates qui piège le
dioxyde de carbone de l’eau. Immédiatement, un rééquilibrage s’effectue, faisant
passer du CO2 de l’atmosphère vers l’océan. Ce phénomène se répète
indéfiniment jusqu’à épuisement d’un des réactifs des équations. On peut en
déduire que l’ensemble du CO2 atmosphérique a été ainsi transféré à la
lithosphère. Sa disparition de l’atmosphère induit une baisse sensible de l’effet de
serre qui limite puis fait baisser la température de surface de la Terre et a donc
permis à l’océan primitif de perdurer. Cet océan primitif va également évoluer et
son oxygénation est l’une de ces transformations remarquables.
1.2.2 Naissance de l’océan primitif et de l’hydrosphère
On estime que, lors de la grande phase de dégazage, au moment où la Terre
était recouverte d’un océan de magma, la température ambiante approchait les
2 000 °C. Pendant les 200 millions d’années suivants, la température diminue,
permettant la solidification du sol et la naissance d’embryons de continents.
Cette baisse de température engendre alors le changement d’état de l’eau qui
était sous forme de vapeur dans l’atmosphère et qui peut passer à l’état liquide
et tomber sur Terre. Les fortes précipitations qui ont dû durer plusieurs millions
d’années ont permis de former l’océan primitif.
Après le refroidissement du sol terrestre, la température de surface de
la planète est en relation avec l’activité solaire. Cette dernière est alors
moindre qu’actuellement, et n’aurait pas dû permettre la présence d’eau
liquide mais seulement la présence de glace d’eau. Cependant, la
concentration importante de CO2 a permis, par effet de serre, d’élever la
température et a donc autorisé la naissance de l’océan primitif.L’activité
solaire qui continue de croître aurait dû faire augmenter rapidement
la température et engendrer la vaporisation de cet océan.
1.2.3 Le rôle de l’hydrosphère dans la diminution de la concentration
atmosphérique de CO2
La dissolution du CO2 atmosphérique Il existe toujours un équilibre entre les gaz
atmosphériques et les gaz dissous dans l’océan. Ainsi, une augmentation de la
concentration de CO2 dans l’atmosphère induit une augmentation de la
concentration de CO2 dissous dans l’eau de mer. Cependant, ce CO2 dissous
peut échapper à l’hydrosphère en étant transféré à la lithosphère, et un nouvel
équilibre doit alors se mettre en place entre l’atmosphère et l’océan. Des
réactions chimiques permettent de comprendre ces mécanismes :
CO2 + H2O HCO3- + H3O+
H2O + HCO3  CO3-- + H3O+
CO3-- + Ca++  CaCO3 (précipitation)
L’équilibre existant entre le CO2 atmosphérique et le CO2 dissous dans
les océans est déstabilisé par la précipitation océanique des carbonates
qui piège le dioxyde de carbone de l’eau. Immédiatement, un
rééquilibrage s’effectue, faisant passer du CO2 de l’atmosphère vers
l’océan. Ce phénomène se répète indéfiniment jusqu’à épuisement d’un
des réactifs des équations. On peut en déduire que l’ensemble du CO2
atmosphérique a été ainsi transféré a la lithosphère. Sa disparition de
l’atmosphère induit une baisse sensible de l’effet de serre qui limite puis
fait baisser la température de surface de la Terre et a donc permis à
l’océan primitif de perdurer. Cet océan primitif va également évoluer et
son oxygénation est l’une de ces transformations remarquables.
1.2.4 L’origine biotique de l’O2
Avant 2 milliards d’années, les conditions sont globalement réductrices sur Terre
et la présence de BIF* est rendue possible par l’existence d’oasis océaniques où
se développent des organismes vivants, les cyanobactéries, réalisant la
photosynthèse, donc un dégagement d’O2. Autour de ces oasis, les conditions
deviennent oxydantes, ce qui induit la précipitation du fer. Puis, lorsque tout le
fer dissous dans les océans est oxydé et que la concentration d’O2 dissous est
arrivée à son maximum, un dégagement d’oxygène se réalise dans l’atmosphère.
Cette dernière devient oxydante et le fer précipite alors en milieu continental,
donnant les formidables gisements de redbeds. L’étude des sédiments qui ont
été en contact avec l’atmosphère lors de leur formation montre qu’il n’y avait pas
d’O2 dans cette atmosphère avant 2,2Ga. Ensuite, la teneur en O2 dans
l’atmosphère peut être calculée en étudiant les tonnages des différents métaux
oxydés dans les sédiments. L’oxydation générale des enveloppes fluides,
événement nommé «Great Oxidation Event » par les Anglo-Saxons, est liée à la
présence et à l’activité d’organismes vivants. Ainsi, la biosphère est l’artisan de
la naissance des conditions oxydantes sur Terre. L’apparition des BIF (formation
géologique comprenant du fer oxydé : banded iron Formation) à partir de 3,8
milliards d’années nécessite la présence du vivant sur notre planète et pose
nécessairement la question de l’apparition de la vie.