Évolution historique de la composition de l'atmosphère - Maxicours

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Évolution historique de la composition de l'atmosphère

Objectif
La composition de l’atmosphère terrestre a beaucoup évolué depuis sa formation, il y a 4,5 milliards d’années, jusqu’à nos jours.
Comment cette composition a-t-elle évoluée ?
1. Une atmosphère primitive réductrice

On suppose que l’agglomération ( accrétion) de poussières chondritiques (poussières issues des météorites) a donné naissance à la Terre.
À partir de ces matériaux, la Terre a subi un dégazage important qui a conduit à la naissance d’une atmosphère primitive. La gravitation terrestre est alors trop faible pour retenir des gaz comme l’hélium et l’hydrogène qui se dispersent dans l’espace.

L’étude des gaz recueillis lors d’éruptions volcaniques ou la mesure de la proportion des gaz contenus dans certaines météorites permettent d’émettre des hypothèses quant à la composition de l’atmosphère primitive : on présume qu'elle était constituée essentiellement de vapeur d’eau, d’une faible quantité de dioxyde de carbone et de diazote, mais il n’y avait  pas de dioxygène.

L’atmosphère terrestre primitive est réductrice (présence de pyrite et de fer à l’état réduit).

Dès la fin de la phase d’accrétion, la Terre connut un refroidissement au cours duquel la vapeur d’eau s'est condensée, permettant ainsi la formation d’eau liquide à l’origine des premiers océans.
Il s’en suivit une modification de la composition de l’atmosphère : cette dernière était alors essentiellement formée de dioxyde de carbone, CO2, de diazote, N2, de méthane, CH4 et d’ammoniac, NH3.

Aujourd’hui, les gaz qui composent l’atmosphère sont, entre autres :

– le diazote : 78,1 % ;
– le dioxygène : 20,8 % ;
– l’argon : 0,9 % ;
– le dioxyde de carbone : 0,03 %.

Le dioxygène présent dans l’atmosphère provient de la photosynthèse. L’évolution de la composition de l’atmosphère est donc indissociable de la présence des êtres vivants sur Terre.

2. CO2 piégé, O2 libéré : mécanismes chimiques et biologiques

Le passage de l’eau de l’état gazeux à l’état liquide entraîne la dissolution d’une grande partie du CO2, sous forme d’ions carbonates HCO3- , et sa précipitation, à l’origine de la formation des roches carbonatées CaCO3 (réaction de HCO3- avec Ca2+ lithosphérique).

Dès -3,8 Ga, la présence et surtout l’activité de procaryotes photosynthétiques (les cyanobactéries, producteurs de dioxygène) favorise la précipitation des carbonates.
Les cyanobactéries captent les ions carbonates présent dans les océans, qu’ils associent aux ions calcium ; il en résulte la formation de dioxyde de carbone, d’eau et d’un dépôt calcaire :

2 HCO3- + Ca2+  →  CO2 + CaCO3 + H2O.

•  Le dépôt calcaire est à l’origine de la formation de structures appelées stromatolites. Ce témoignage fossile de l’activité des cyanobactéries est constitué de l’empilement de feuillets calcaires (concrétions calcaires).
•  Le CO2 formé est piégé par les bactéries qui l’utilisent pour réaliser la photosynthèse.

De l’activité photosynthétique, il résulte :
– de la matière organique ;
– du dioxygène, O2, dégagé dans le milieu ;
selon l’équation :

6 CO2 + 12 H2O + énergie solaire  →  C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2

À partir de - 3,5 Ga, la diversification des espèces photosynthétiques et leur prolifération, par une photosynthèse de plus en plus active, ont induit une fixation de plus en plus importante de CO2 et par conséquent, une libération accrue de dioxygène dans l’atmosphère.
3. Évolution de la composition de l’atmosphère
La libération du dioxygène au cours de la photosynthèse est apparue précocement.
Une partie de ce gaz s’est dissoute dans l’eau, mais, pour l’essentiel, le dioxygène s’est trouvé piégé dans des composés minéraux, abondants dans le domaine océanique. Les composés minéraux sont alors passés de l’état réduit à l’état oxydé.
Les abondants gisements d’oxydes de fer, datés de - 3,8 à - 2 Ga, témoignent de cette oxydation.

Après saturation du milieu marin (le dioxygène y a oxydé la majorité du fer disponible), l’apparition des premiers sols oxydés (présence de fers rubanées) vers - 2 Ga atteste de l’augmentation de la teneur en dioxygène dans l’atmosphère où il s’est accumulé progressivement.

La quantité de dioxygène atmosphérique n’a cessé de croître jusqu’à - 0,4 Ga. Cette augmentation est attribuée à la prolifération et à la diversification d’espèces photosynthétiques et à la faible consommation  en O2 puisque le phénomène de la respiration apparaît plus tard (le dioxygène, toxique pour les êtres vivants anaérobies, favorise le développement de nouvelles espèces capables de l’utiliser et de libérer, par respiration, du dioxyde de carbone).

Ce déséquilibre, associé à la fossilisation d’une partie de la matière organique, a rendu possible cette accumulation de dioxygène jusqu’à sa teneur actuelle. Depuis, l’équilibre entre production et consommation de dioxygène et de dioxyde de carbone s’est instauré, permettant le maintien d’une atmosphère oxydante.
La présence de dioxygène dans la haute atmosphère a progressivement permis la formation d’une couche d’ozone (O3), protectrice contre les UV, permettant l’apparition, puis la diversification d’une vie hors de l’eau.

Doc. Évolution de la quantité de dioxygène atmosphérique
et formation de la couche d'ozone.


L’essentiel

L’atmosphère primitive a subi de multiples transformations, en relation avec l’évolution de la vie, qui ont donné naissance à l’atmosphère actuelle riche en O2.

L’atmosphère primitive s’est formée par dégazage. Elle était surtout constituée de vapeur d'eau, de dioxyde de carbone, CO2, et de diazote, N2, mais pas de dioxygène, O2.

La composition actuelle de l’atmosphère (riche en N2 et O2) s’est mise en place progressivement :
– la formation d’une hydrosphère liquide a permis, par dissolution, de puiser le CO2 atmosphérique, puis de l’accumuler sous forme de roches sédimentaires calcaires ; des conditions favorables à l’apparition de la vie ont ainsi été créées ;
– l’apparition des premiers êtres vivants capables de photosynthèse a favorisé la production de dioxygène. L’O2 libéré a immédiatement été piégé et précipité sous forme d’oxydes ; après épuisement des matériaux réduits oxydables par le dioxygène, son accumulation a pu se faire dans l’atmosphère.

L’ensemble de ces phénomènes est à l’origine de la mise en place de conditions favorables au développement des organismes aérobies et à l’apparition de la vie hors de l’eau.

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