L’air que tu respires n’a pas toujours existé sous cette forme. La composition de l’atmosphère a profondément changé depuis la formation de la Terre, il y a environ 4,6 milliards d’années, et le vivant a joué un rôle majeur dans ces transformations : c’est la photosynthèse qui a enrichi l’atmosphère en dioxygène. Comprendre cette histoire permet aussi de comprendre le cycle du carbone, au cœur de la question climatique actuelle.
Une question sur ce cours ?
ULU, le tuteur d’ULUMINE, t’aide à partir de ce cours.
Objectifs
- Décrire la composition de l’atmosphère primitive et de l’atmosphère actuelle
- Expliquer l’origine biologique du dioxygène et citer des indices géologiques de son accumulation
- Expliquer la formation de la couche d’ozone et son rôle protecteur
- Identifier les réservoirs et les flux du cycle du carbone et calculer un temps de résidence
1. De l’atmosphère primitive à l’atmosphère actuelle
L’atmosphère primitive, issue du dégazage du manteau lors de l’activité volcanique intense de la jeune Terre, était composée majoritairement de vapeur d’eau (H₂O), de dioxyde de carbone (CO₂) et de diazote (N₂). Elle ne contenait pratiquement pas de dioxygène (O₂).
- En se refroidissant, la Terre a permis la condensation de la vapeur d’eau : les pluies ont formé les océans.
- Une grande partie du CO₂ s’est ensuite dissoute dans les océans, puis a été piégée dans des roches carbonatées (calcaires) et plus tard dans la matière organique fossile.
- Le diazote, peu réactif, s’est accumulé : il est aujourd’hui le gaz majoritaire.
| Gaz | Proportion |
|---|---|
| Diazote N₂ | ≈ 78 % |
| Dioxygène O₂ | ≈ 21 % |
| Argon Ar | ≈ 0,9 % |
| Dioxyde de carbone CO₂ | ≈ 0,04 % (plus de 420 ppm) |
2. Le dioxygène, un gaz d’origine biologique
Photosynthèse : Réaction réalisée par des êtres vivants chlorophylliens qui, grâce à l’énergie lumineuse, produisent de la matière organique à partir de CO₂ et d’eau, en libérant du dioxygène.
6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂
Les premiers producteurs de dioxygène sont des micro-organismes, les cyanobactéries, dont certaines construisent des stromatolithes (structures calcaires en couches). Des stromatolithes fossiles sont connus depuis environ 3,5 milliards d’années, même si leur origine biologique la plus ancienne est discutée.
- Le dioxygène produit a d’abord oxydé le fer dissous dans les océans : il a précipité sous forme d’oxydes, formant les fers rubanés (BIF), abondants entre environ 3,8 et 2 milliards d’années.
- Le dioxygène s’est ensuite accumulé dans l’atmosphère, de façon nette à partir d’environ 2,4 milliards d’années (« grande oxydation »).
- Les paléosols rouges, riches en oxydes de fer, apparaissent après environ 2 milliards d’années : ils indiquent la présence de dioxygène dans l’air au contact des sols.
3. La couche d’ozone, un bouclier contre les ultraviolets
Dans la stratosphère (entre environ 15 et 50 km d’altitude), les rayonnements ultraviolets (UV) du Soleil cassent des molécules de dioxygène. Les atomes d’oxygène libérés se combinent à d’autres molécules de O₂ pour former de l’ozone O₃.
O₂ + UV → O + O puis O + O₂ → O₃
Bilan : 3 O₂ → 2 O₃
L’ozone absorbe une grande partie des UV les plus énergétiques, nocifs pour l’ADN. La formation de la couche d’ozone, rendue possible par l’accumulation du dioxygène, a permis au vivant de coloniser les continents.
4. Le cycle du carbone
Le carbone circule entre plusieurs réservoirs : atmosphère (CO₂), océan (carbone dissous), biosphère (matière organique), sols, roches carbonatées et combustibles fossiles (charbon, pétrole, gaz). Les échanges entre réservoirs sont des flux.
| Processus | Effet sur le CO₂ atmosphérique |
|---|---|
| Photosynthèse | Prélève du CO₂ |
| Respiration, décomposition | Libère du CO₂ |
| Dissolution dans l’océan | Prélève du CO₂ |
| Volcanisme | Libère du CO₂ |
| Combustion des combustibles fossiles | Libère du CO₂ stocké depuis des millions d’années |
Temps de résidence : Durée moyenne pendant laquelle un atome de carbone reste dans un réservoir. On l’estime par le quotient : stock du réservoir ÷ flux sortant (si le réservoir est à l’équilibre).
Calculer un temps de résidence
On suppose que l’atmosphère contient 850 Gt de carbone et qu’elle en échange 200 Gt par an avec les autres réservoirs.
- Temps de résidence = stock ÷ flux sortant
- 850 ÷ 200 = 4,25
Un atome de carbone reste en moyenne environ 4 ans dans l’atmosphère avant d’être échangé.
À retenir
- L’atmosphère primitive contenait surtout H₂O, CO₂ et N₂, sans dioxygène.
- Le dioxygène est d’origine biologique (photosynthèse des cyanobactéries) ; il s’est accumulé dans l’air à partir d’environ 2,4 milliards d’années.
- Fers rubanés et paléosols rouges sont des indices géologiques de l’oxygénation des océans puis de l’atmosphère.
- L’ozone stratosphérique, formé à partir du dioxygène sous l’effet des UV, protège le vivant des UV les plus nocifs.
- Le carbone circule entre réservoirs ; temps de résidence = stock ÷ flux. Les combustions fossiles accélèrent un transfert normalement très lent.
Et maintenant, à toi !
Vérifie que tu as compris avec les exercices, puis révise avec la fiche.