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Chapitre 2 : l’atmosphère terrestre et la vie

I. L’atmosphère primitive et son évolution précoce

Après sa formation, il y a environ 4,6 Ga (=giga années ou milliards d’années), la Terre était entourée d’une atmosphère primitive dont la composition a pu être déterminée, en particulier par l’analyse de certaines météorites dont les conditions de formation sont considérées comme identiques à celles de la Terre.

D’après ces études, l’atmosphère primitive était principalement constituée de H20 (environ 80%) associée essentiellement à du CO2 ou dioxyde de carbone (environ 15 %) et du N2 ou diazote (environ 5 %). Il n’y avait donc pas de dioxygène.

Le refroidissement de la Terre, suite à sa formation, a permis la liquéfaction (transformation vapeur en liquide) de la vapeur d’eau présente dans l’atmosphère primitive en eau liquide, phénomène à l’origine de la formation des océans primitifs, donc d’une hydrosphère.

II. Le développement de la vie et son impact sur la composition de l’atmosphère.

L’existence d’océans a permis tout d’abord le stockage de CO2, initialement présent dans l’atmosphère qui a diffusé vers les océans. Ce transfert de CO2, depuis l’atmosphère vers l’hydrosphère, a contribué à diminuer la teneur atmosphérique en CO2 et ainsi à réduire l’effet de serre et donc la température terrestre.

Les océans ont également permis l’apparition et le développement de la vie (sans que les mécanismes de formation des 1ères cellules vivantes ne soient connus). Les traces de vie les plus anciennes sont datées d’au moins 3,5 Ga et se présentent sous la forme de fossiles appelés stromatolithes. Il s’agit de constructions calcaires élaborées par des organismes unicellulaires et photosynthétiques appelés cyanobactéries. Par leur métabolisme photosynthétique, ces cellules ont produit le dioxygène qui s’est progressivement réparti dans les océans et a oxydé des espèces chimiques réduites (les traces de cette 1ère phase d’oxygénation des océans se retrouvent sous la forme de roches sédimentaires appelées fers rubanés et qui se caractérisent par la présence de fer à l’état oxydé ; ces roches se sont formées entre 3,5 et environ 2 Ga).

Le dioxygène n’a pu atteindre l’atmosphère et s’y accumuler qu’à partir de 2,4 Ga (comme en témoignent les premières roches continentales oxydées dont les plus vieilles sont datées d’environ 2,3 Ga).

Ainsi, l’apparition de la vie et en particulier de la photosynthèse dans les océans a permis l’oxygénation progressive de l’hydrosphère, puis de l’atmosphère. On estime que la concentration atmosphérique actuelle en dioxygène a été atteinte il y a 500 millions d’années environ. Depuis, un état d’équilibre est atteint : la principale source de O2 atmosphérique est la photosynthèse, la respiration et la combustion représentants les mécanismes majeurs de consommation d’O2.

III. Formation de la couche d’ozone et protection des êtres vivants

Sous l’effet du rayonnement ultraviolet solaire, le dioxygène de la stratosphère (couche atmosphérique située entre dizaine et une cinquantaine de kilomètres) peut être transformé en ozone (O3). Ce gaz s’accumule et forme la couche d’ozone située à une altitude d’environ 30 km. Cette couche absorbe une partie du rayonnement ultraviolet solaire (totalité des UV.C et majorité des UV.B), protégeant ainsi les êtres vivants des effets mutagènes induits par les UV. La mise en place de la couche d’ozone permet ainsi le développement de la vie en milieu aérien à partir de 45O millions d’années environ.

Evolution de la composition de l’atmosphère (source : TermES, Bordas, 2020)

IV. Le cycle du carbone soumis aux influences des êtres vivants

Le carbone terrestre était initialement stocké dans l’atmosphère primitive. Au cours de l’histoire de la Terre, des transferts de cet élément chimique ont conduit à sa répartition dans plusieurs réservoirs, comme l’atmosphère, l’hydrosphère (océans essentiellement), la biosphère et la lithosphère (ensemble des roches terrestres). Cette distribution du carbone résulte d’échanges entre les réservoirs qui constitue le cycle du carbone terrestre. Aujourd’hui, le principal réservoir de carbone sur Terre est la lithosphère qui concentre plus de 90 % de cet élément, sous la forme de roches carbonatées (roches calcaires dont une partie s’est formée grâce à l’activité d’organismes vivants) et de roches carbonées (charbons, pétroles, gaz) issues de matière organique fossile.

Cycle du carbone (wikipédia)

Les combustibles fossiles se sont donc formés à partir du carbone des êtres vivants, il y a plusieurs dizaines à plusieurs centaines de millions d’années. Aujourd’hui, leur utilisation par l’Homme contribue grandement à réinjecter dans l’atmosphère du carbone stocké depuis des millions (la production anthropique mondiale de CO2 est estimée à environ 37 Gt/an). Comme les roches carbonées et carbonatées ne se renouvellent pas suffisamment vite pour que leurs stocks se reconstituent, l’exploitation de ces roches modifie les équilibres des réservoirs de carbone initialement stables et participent ainsi aux changements climatiques récents.

Evolution des émissions anthropiques mondiales de CO2

Projet de stockage de CO2 en Norvège : Northern Lights

Vidéo Northern Lights Project