CHAPITRE 1 : l'atmosphère primitive et son évolution

Vue de l'artiste Don Dixon de ce qu’a peut-être été la Terre il y a plus de quatre milliards d’années...

Rappel : La Terre s'est formée, comme toutes les planètes, de l'accrétion de poussières (loi d'attraction universelle). Les chocs entre particules ont dégagé une telle énergie que les roches devaient se trouver en fusion : la Terre devaient être il y a un 4,5 Ga magmatique. Les chercheurs pensent qu'après cette intense phase de collisions, elle s'est rapidement refroidie. Elle n'avait sûrement pas son visage actuel et se pose alors la question de l'origine de son atmosphère car toutes les planètes telluriques (cf cours de 2nde) n'ont pas la même épaisseur d'atmosphère et encore moins la même composition.

Tableau de comparaison de la composition de l'atmosphère actuelle des 4 planètes telluriques du système solaire

C'est la gravité des planètes qui retient leur atmosphère. Si un corps ou une molécule acquiert une vitesse supérieure à une certaine vitesse appelé vitesse de libération il quitte définitivement la planète. Chaque planète a une vitesse de libération (Vlib) différente qui dépend de sa gravité (g) et de son rayon (R): . Les vitesses de libération pour Vénus, la Terre et Mars sont respectivement de 10, 11 et 5 km/s (ou encore 36000, 39600 ou 18000km/h resp.). A cause de l'agitation thermique, une molécule de masse molaire m, dans une atmosphère de température T, a une vitesse thermique (Vt) proportionnelle à . Si la vitesse thermique est supérieure à la vitesse de libération il y a échappement de l'atmosphère. En pratique, ce sont principalement les atomes légers présents dans la très haute atmosphère peu dense (exosphère, P~10-11 bar) qui peuvent atteindre des vitesses thermiques suffisantes pour s'échapper sans qu'il y ait de collisions avec d'autres atomes. Sur la Terre et Mars, l'hydrogène (H) présent dans l'exosphère s'échappe ainsi quotidiennement.

• La Terre a pu conserver une atmosphère, contrairement à la Lune, grâce à sa plus grande gravité.
• Vénus, la Terre et Mars ont une atmosphère composée principalement de carbone, d'azote et d'oxygène parce que leur masse moléculaire (>12g/mol) est plus lourde que celle de l'hydrogène (H) ou de l'hélium (He) (<4g/mol).
• Malgré la taille comparable de Mars et Mercure, cette dernière a perdu son atmosphère à cause de sa température bien plus chaude.

Source : https://media4.obspm.fr/public/AMC/pages_atmospheres-planetaires/impression.html

Pb : La composition de l'atmosphère de la Terre a-t-elle toujours été celle que l'on connaît aujourd'hui ? Pourquoi ? Hypothèses : .....

I- Une atmosphère initiale bien différente de l'actuelle

1- Formation de l'atmosphère primitive

Que sont les météorites et que peuvent-elles nous enseigner ?

Les météorites sont des pierres d'origine extraterrestre qui sont tombées à la surface de la Terre. Certaines sont sur la Terre depuis des milliers d'années, mais il en tombe régulièrement. On a identifié plus de 25 000 météorites autour du monde : 18 000 proviennent de l'Antarctique et quelques milliers d'entre elles des déserts d'Afrique et d'Asie. Les météorites sont probablement issues de regroupements de fragments qui résultent de collisions entre des objets plus gros.
Il existe trois grandes familles de météorites : les pierreuses, les métalliques et les mixtes. C'est la proportion de métal que contient la météorite qui détermine à quelle famille elle appartient. Les météorites métalliques sont composées à 98 % de fer-nickel, les mixtes en contiennent 50 % et les pierreuses, entre 20 et 27 %.
Les différentes familles de météorites ne percutent pas la Terre dans les mêmes proportions. La très grande majorité d'entre elles, 93 %, sont des pierreuses. Les métalliques sont beaucoup moins fréquentes, elles comptent pour seulement 6 % des chutes. Finalement, les météorites mixtes sont les plus rares avec 1 % des météorites.
Au départ, les corps-parents avaient tous une composition uniforme. Les planétoïdes devenus suffisamment gros se sont réchauffés et différenciés. Lors de la différenciation, les métaux lourds se condensent au centre, les éléments un peu moins lourds s'accumulent autour et les plus légers forment la croûte. Chaque zone de l'astéroïde donne naissance à une classe spécifique de météorites différenciées. Source : Planétarium de Montréal

Extrait du manuel de terminale spe SVT - Bordas 2012 - p81

Source : http://www.pourlascience.fr/ewb_pages/a/actualite-pourquoi-l-atmosphere-manque-de-xenon-30528.php#liresuite

Pb : D'après l'étude des chondrites, les scientifiques pensent que l'atmosphère primitive était beaucoup plus riche en CO₂ : comment se fait-il qu'aujourd'hui il ne représente que 0.03% de l'atmosphère ?

2- L'évolution du taux de CO2

Les témoins de la présence d'eau liquide en abondance à l'Archéen

Pillow lava daté de 3.865 Ga (Barbeton, Afrique du sud)	Rides de plage datées de 3.5 Ga (NorthPole, Australie)
Fentes de dessiccation datées de 3.5 Ga (Barbeton, Afrique du sud)	Conglomérat à galets datés de 3.5 Ga (Barbeton, Afrique du sud)

Source : http://bibliotheque.clermont-universite.fr/sites/files/portail/documents/mercrediscience/Martin.pdf

Pb : Quel lien entre la présence d'eau liquide et l'évolution du taux de CO2 ?

Remarque : en solution aqueuse, l'acide carbonique H₂CO₃ est un diacide, c'est-à-dire qu'il peut se dissocier deux fois de suite dans l'eau en libérant chaque fois un proton sous forme de cation H₃O⁺ :

II- Les témoins sédimentaires de l'arrivée de dioxygène dans l'atmosphère

1- Les gisements de "fers rubanés"

Fer rubané (BIF=Banded Iron Formations) Précambrien, environ -2,1 milliards d’années,
Marquette, Michigan, États-Unis.H. 51cm; L. 22cm; Pds. 20,4kg.
© Coll. Musée des Confluences.

Source : http://www.museum-lyon.org/expo_temporaires/lectures_minerales/lectures_minerales_accueil.htm

Les couches rouges sont constituées d'oxydes de fer. Elles alternent avec des couches plus sombres siliceuses.

En savoir plus : http://planet-terre.ens-lyon.fr/planetterre/objets/img_sem/XML/db/planetterre/metadata/LOM-Img364-2011-10-10.xml

Expérience pour comprendre les conditions nécessaires à la formation de fer oxydé:

En solution : FeSO4 → Fe²⁺ + SO₄^2-

Ajout de soude : Fe²⁺ + SO₄^2- + 2Na⁺ + 2OH^-→ Fe(OH)₂ + Na₂SO₄

En rajoutant de l'oxygène avec le bulleur, on oxyde le fer selon l'équation bilan d'oxydo-réduction : 1/2O₂ + 2H⁺ + 2Fe²⁺→ 2Fe³⁺ + H₂O

Rappel de chimie sur la règle du gamma appliquée aux couples red-ox (Fe²⁺ / Fe³⁺) et (H₂O /O₂) :

Avec les OH^- de la soude : Fe³⁺ + 3(OH^-) → Fe(OH)₃

2- Les gisements d'uranium

Source

"De 4,5 à 2 milliards d'années, des gisements d'uraninite détritique se forment, en milieu anoxique. À partir de 2 milliards d'années, l'atmosphère s'enrichit en dioxygène. Les gisements d'uranium sédimentaire ne sont alors plus formés d'UO₂ détritique, qui s'oxyde en UO₃, mais de complexes uranifères associés à de la matière organique. Ces complexes sont issus de la réduction de l'UO₃ en présence de matière organique." d'après Pierre Thomas Laboratoire des Sciences de la Terre, Ens Lyon

Source : http://planet-terre.ens-lyon.fr/planetterre/XML/db/planetterre/metadata/LOM-uraninite.xml

La France exploite des gisement moins anciens dans des bassins qui ont permis la réduction de l'UO₃ :

3- L'étude des paléosols

Pb : Quelle est l'origine du dioxygène atmosphérique ?

III- Atmosphère et développement de la vie

1- Un dioxygène d'origine biologique

Les stromatolithes sont des constructions fossiles, formées de carbonates. Ce sont parmi les plus anciens fossiles connus, et certainement les plus anciens macrofossiles ; on en connaît depuis 3,5 Ga (en Australie). Ils sont formés en général par des cyanobactéries (« algues bleues ») photosynthétiques, qui existent encore à l'heure actuelle.

Cyanobactéries du genre Coelomoron sp (à vérifier) et Nostoc sp trouvées dans un jardin	Cyanobactéries du genre Microcystis sp trouvées dans les sédiments d'un aquarium sale

Dans un système où des ions carbonates (ou hydrogénocarbonates) existent en solution, on voit donc que, si on soustrait du CO2 au système, l'équation des carbonates est déplacée vers la droite, c'est à dire vers la précipitation de carbonates. La photosynthèse consomme du CO2, si bien qu'elle induit localement la précipitation de carbonates.

Source : http://planet-terre.ens-lyon.fr/planetterre/XML/db/planetterre/metadata/LOM-stromatolithes.xml

Autre lien sur une production académique : http://espace-svt.ac-rennes.fr/applic/cyano/cyano06.htm

2- Impact de l'évolution de l'atmosphère sur la vie