Th 3 chap 1 : De l'atmosphère primitive à l'atmosphère actuelle

Introduction

Une confusion est souvent faite entre la météo et le climat.

Météo = phénomène local et instantané
Climat = phénomène qui évolue à l'échelle planétaire et sur de nombreuses années.

Il y a bien un consensus scientifique sur le réchauffement planétaire : c'est le travail du GIEC (Groupe d'Experts Intergouvernemental sur l'évolution du Climat)

Pour en savoir plus sur le GIEC

Cependant il demeure un certain nombre de climatosceptiques, ils estiment que le réchauffement climatique est un phénomène naturel et qu'il n'est pas lié aux activités humaines.

Comment est construit le modèle climatique ?

Les modèles climatiques se basent sur un raisonnement inductif (à partir des observations) donc les modèles climatiques sont valables tant que les faits ne sont pas contredits, infirmés.

Les prévisions qui sont réalisées à partir du modèle climatique sont valables tant que la théorie est valide.

C’est sur la base du raisonnement inductif que les climatosceptiques se basent pour nier le réchauffement climatique mais c’est aussi sur la base de ce raisonnement inductif que le GIEC (Groupe d’Experts Intergouvernemental sur l’évolution du climat), groupe dont font partis de très nombreux scientifiques spécialistes du climat se basent.

Les climato-sceptiques estiment que le réchauffement climatique actuel est le résultat d’une évolution naturelle du climat comme cela a toujours été le cas au cours de l’histoire géologique de la Terre. Comment le climat a-t-il évolué par le passé ?

I- Formation de l’atmosphère primaire

Act 1 : les conditions de formation de la Terre et de son atmosphère primitive

Correction :

La présence de gaz rares (40 Ar) dans l’atmosphère ne peut s’expliquer par un dégazage du manteau terrestre depuis le début de la formation de la Terre. La présence de l’He, absent de l’atmosphère actuel, mais présent en grande quantité au niveau de la dorsale Pacifique, au lieu de volcanisme, confirme qu’actuellement le manteau terrestre dégage encore des gaz en surface.
Les chondrites ont la même composition que la Terre avant sa différenciation (en croûte et manteau). Or en chauffant des chondrites celles-ci libèrent des gaz : ce sont ces gaz qui ont été libérés par la Terre au début de son refroidissement et qui ont donc composé son atmosphère. D’ailleurs, aujourd’hui les gaz volcaniques ont également la même composition que le gaz libéré par les chondrites. Ce qui ne fait que confirmer la composition de l’atmosphère primaire.

Ce qu'il faut retenir : La Terre est une planète différenciée, résultat d'une migration des éléments au cours de son refroidissement. Ses enveloppes fluides (atmosphère et hydrosphère) sont le résultat du dégazage du manteau supérieur. Les gaz rares se sont dissous dans l'océan de magma primitif et continuent toujours d'être dégazés par le volcanisme. Les gaz les plus légers se sont échappés dans l'espace (ex : Hélium) et les plus lourds se sont accumulés dans l'atmosphère. Après la vapeur d'eau, le CO₂ est le gaz le plus rejeté par les volcans mais sa concentration dans l'atmosphère actuelle ne représente que 0.03%

II- L’origine de la diminution du CO₂et de l’augmentation d’O₂

1°) La disparition du CO2 atmopshérique

Il y a 4,4 milliards d'années environ, la surface de la Terre se refroidit progressivement. La vapeur d’eau atmosphérique se condense et précipite à la surface de la planète. Les océans se forment. L'atmosphère s'est ainsi vidée de sa vapeur d'eau. L’atmosphère primitive présente une forte concentration en dioxyde de carbone (60 à 70 %).

1. La vapeur d'eau s'est très tôt condensée pour former les océans qui ont piégé le CO2 issu du dégazage volcanique par dissolution selon la réaction suivante :

La courbe de dissolution du CO₂ dans l'eau montre que plus la température baisse et plus la solubilité du CO₂ augmente.

2. Les ions H+ entraînent une acidification de l’eau.

Une eau acide entrainera une altération des roches silicatées (constitutives du sol terrestre). Des ions Ca2+ sont alors libérés :

3. L’ion hydrogénocarbonate HCO₃^- (forme prédominante du CO₂ dissous) s’associe au calcium ainsi libéré et présent dans les océans et précipite en formant des roches sédimentaires calcaires CaCO₃ (= roches carbonatées) :

Cette précipitation chimique a entraîné la disparition d’une partie importante du CO₂ de l’atmosphère et son piégeage.

2°) L'apparition du dioxygène atmosphérique

TP 1

Atelier 1

Sulfate de Fer(Fe2+) + eau sans O2 : couleur verte (Fe2+)
Sulfate de Fer(Fe2+) + eau avec O2 : couleur rouge (Fe3+) : formation d’oxydes de fer rouge

Quand O2 : il y a formation d’oxyde de fer rouge

TP 1 évolution atmosphère atelier 2 V élève.pdf

Les BIF :

L’hématite (Fe₂O₃) est un minerai oxydé qui apparaît sous la forme de bandes rouges (Bed Reds) en alternance avec des bandes de silice. On appelle ces gisements de minerais de fer : les fers rubanés (ou Band Iron Formation, BIF).

La très grande majorité des BIF retrouvés date de – 3.5 à – 2,2 Ga, ce qui suggère la présence de dioxygène libre dans l'océan, au moins localement, depuis 3,5 Ga.

Les paléosols rouges

Les paléosols rouges riches en oxydes de fer, apparaissent en domaine continental à partir de - 2,2Ga. Cela montre que les ions Fe 2+ issus de l'altération des continents pouvaient alors être oxydés avant d'atteindre l'océan, le dioxygène ayant fait son apparition dans l’atmosphère. La chute de la production de fers rubanés au même moment, indique que l'océan n'est plus alimenté en fer soluble depuis les continents.

Atelier 2 :

Les cyanobactéries réalisent la photosynthèse : elles consomment du CO2 à la lumière et rejettent de l’O2.

Atelier 3 :

Les premières constructions carbonatées produites par le vivant ont été identifiées dans des roches d’Australie datées de 3.5Ga. Leur texture est similaire à celle des stromatolithes actuels. Il s’agit d’une construction produite par l’activité d’algues unicellulaires autotrophes appelées cyanobactéries.

Des cyanobactéries ont été placées en présence d'hydrogénocarbonate de calcium et de lumière (préparation 1) ou à l'obscurité (préparation 2)

En présence de lumière les cyanobactéries produisent des cristaux de calcite.

Ce qu'il faut retenir :

Les gisements de fer rubané (BIF) âgés de -3,5 Ga à -1,9 Ga témoignent d’une production locale d’O2 dans les océans.

Les paléosols rouges indiquent qu’à partir de -2,5 Ga l’atmosphère était oxydante (riche en O2).

Cet O2 est issu de la photosynthèse des cyanobactéries qui sont apparues il y a 3.5 Ga.

La photosynthèse des cyanobactéries en prélevant du CO₂ entraîne un déplacement vers la droite de l’équilibre chimique dissolution / précipitation des carbonates en milieu marin. Elle induit donc localement, la formation de boues carbonatées qui une fois consolidées formeront les stromatolites :

III- Evolution vers l’atmosphère actuelle

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. Le dioxygène atmosphérique a permis la mise en place de la couche d'ozone (O₃) qui, en stoppant les UV les plus nocifs, a permis l'apparition de la vie aérienne il y a 400 millions d'années environ. On observe de la même manière plusieurs variations du taux de dioxygène au cours de l’histoire de la planète en lien avec le développement de grandes flores. Encore actuellement, c'est l'activité photosynthétique des végétaux qui assurent la présence du dioxygène sur notre planète.

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