Atmosphère terrestre

1. Composition de l'atmosphère primitive vs actuelle

2. Évolution de la composition atmosphérique

1. Atmosphère primitive riche en CO₂, vapeur d'eau, N₂, gaz rares et H₂S.
2. Refroidissement de la Terre → condensation de la vapeur d'eau → formation des océans.
3. Diminution du CO₂ dans l'atmosphère, lié à sa dissolution dans les océans et à la formation de roches carbonatées.
4. Apparition progressive du dioxygène (O₂), enrichissant l'atmosphère actuelle.
5. Stabilisation vers une atmosphère majoritairement composée de diazote (N₂) et dioxygène (O₂).

3. Conditions atmosphériques à -4,4 milliards d'années

• Pression atmosphérique estimée : environ 210 bars.
• Température moyenne : environ 250 °C.
• Atmosphère dominée par la vapeur d'eau, qui s'est liquéfiée avec le refroidissement, permettant la formation des océans.
• Origine de l'eau : à la fois volcanique (dégazage) et météoritique (apports extraterrestres).

4. Origine du dioxygène terrestre

• Hypothèses principales :
  • Origine biologique : photosynthèse par les premières cyanobactéries produisant du dioxygène.
  • Origine extraterrestre : apport possible par des réactions chimiques ou météorites, mais moins probable.

L'apparition du dioxygène dans l'atmosphère est liée à l'activité biologique, notamment la photosynthèse, qui a transformé la composition atmosphérique primitive.

1. Formation de l'hydrosphère

• Après la formation de la Terre, son refroidissement a permis la liquéfaction de la vapeur d'eau présente dans l'atmosphère primitive, il y a environ 4 milliards d'années.
• L'hydrosphère terrestre (ensemble des eaux liquides) a une double origine :
  • Origine cosmique : apport d'eau par les météorites et comètes.
  • Origine interne : dégazage de la vapeur d'eau par le manteau primitif.

L’hydrosphère s’est formée dans ces conditions, créant un milieu propice au développement des premières formes de vie.

2. Origine du dioxygène atmosphérique et apparition de la vie

• Les cyanobactéries ont produit du dioxygène par photosynthèse, enrichissant d'abord l'océan.
• D'autres organismes photosynthétiques, comme les algues chlorophylliennes et les eucaryotes, ont également contribué à la production d'O₂.
• Le dioxygène s'est diffusé dans l'atmosphère, mais sa concentration a mis plusieurs centaines de millions d'années à atteindre le niveau actuel.
• La teneur en dioxygène dans l'eau reste stable en présence d'une biosphère marine ou continentale active.

Le dioxygène atmosphérique est un produit de la vie photosynthétique, et sa concentration actuelle résulte d’une longue évolution biologique.

1. Origine biologique du dioxygène atmosphérique

Le dioxygène ($O_2$) présent dans l’atmosphère terrestre provient principalement de la photosynthèse, un métabolisme réalisé par les organismes photosynthétiques dans la biosphère continentale et marine. Ce processus produit du dioxygène qui est essentiel à la respiration et à la combustion.

2. Cycle du dioxygène et de l’ozone dans l’atmosphère

• Le dioxygène peut se dissocier lentement sous l’effet des UV de grande longueur d’onde en atomes d’oxygène.
• Ces atomes d’oxygène peuvent se recombiner avec des molécules de $O_2$ pour former de l’ozone ($O_3$).
• L’ozone peut ensuite se dissocier en $O_2$ et en atomes d’oxygène, qui peuvent à nouveau se recombiner.
• Ce cycle entraîne une formation et une décomposition permanentes du dioxygène et de l’ozone dans l’atmosphère.

3. Rôle de la couche d’ozone et des UV

• La couche d’ozone absorbe tous les UV dont la longueur d’onde est inférieure à 300 nm, protégeant ainsi la vie terrestre.
• L’ADN a une forte absorbance dans le domaine des UV, ce qui peut provoquer des mutations et des cancers, notamment à cause des UVB.

4. Atmosphère primitive et formation de la Terre

• La Terre s’est formée il y a environ 4,57 milliards d’années par accrétion d’objets cosmiques.
• La planète s’est structurée par migration des éléments lourds vers le centre et des éléments légers vers la périphérie.
• L’atmosphère primitive est issue d’un dégazage précoce, composée principalement d’éléments légers.
• Cette atmosphère primitive était très différente de l’atmosphère actuelle, notamment en termes de composition et d’absence de dioxygène libre.

L’origine du dioxygène atmosphérique est donc liée à l’activité biologique photosynthétique qui a modifié la composition de l’atmosphère primitive en produisant du $O_2$.

1. Liquéfaction de l’eau atmosphérique

• La présence de zircon âgé de 4,4 Ga prouve une liquéfaction précoce de l’eau, donc la formation rapide des océans.
• Le refroidissement de la surface terrestre a permis la condensation de la vapeur d’eau atmosphérique, créant ainsi une hydrosphère.

2. Développement de la vie et évolution de l’atmosphère

• Les premières formes de vie, comme les stromatolithes fossiles, datent d’au moins 3,5 Ga.
• Vers −2,5 Ga, des organismes unicellulaires proches des cyanobactéries pratiquant la photosynthèse apparaissent, produisant du dioxygène (O₂).

3. Fixation du dioxygène dans l’hydrosphère

Le dioxygène produit initialement ne s’est pas accumulé dans l’atmosphère mais a été piégé dans l’hydrosphère par réaction avec le fer dissous.

Cette étape marque le début de la transition vers une atmosphère oxydante, conditionnée par l’apparition de la vie photosynthétique et la formation des océans.

1. Une oxygénation tardive de l’atmosphère

• Avant environ −2,4 Ga, le dioxygène (O₂) était absent de l’atmosphère terrestre.
• La précipitation du fer dissous dans les océans a permis la libération progressive de dioxygène dans l’atmosphère.
• Les paléosols appelés « red beds » témoignent de la présence d’oxygène dans l’atmosphère à partir de −2,2 Ga.
• Vers −2,2 Ga, l’atmosphère est passée d’un état réducteur (sans O₂) à un état oxydant (avec O₂).

2. Enrichissement progressif en dioxygène

• Le dioxygène s’est accumulé progressivement et de manière irrégulière jusqu’à atteindre sa concentration actuelle d’environ 21 % vers −0,5 Ga.

• Sources principales de dioxygène : la photosynthèse.

• Puits principaux de dioxygène : la respiration et les combustions.

• Composition actuelle de l’atmosphère :

  Gaz	Proportion approximative
  Diazote (N₂)	78 %
  Dioxygène (O₂)	21 %
  Autres gaz (H₂O, CO₂, CH₄, N₂O)	traces

3. Influence du taux de dioxygène sur la biosphère

• Les grandes étapes évolutives, notamment le passage d’organismes unicellulaires à pluricellulaires chez les eucaryotes, ont coïncidé avec des augmentations importantes du taux de dioxygène.
• Un taux élevé de dioxygène favorise le développement d’organismes de grande taille, même chez les groupes sans systèmes respiratoires et circulatoires complexes.
• Exemple marquant : au Carbonifère (−360 à −300 Ma), un taux de dioxygène estimé à 35 % a permis l’apparition d’arthropodes géants comme Meganeura.

L’accumulation progressive du dioxygène dans l’atmosphère a été un moteur clé de l’évolution de la biosphère, permettant l’émergence d’organismes plus complexes et plus grands.

1. Formation de l’ozone stratosphérique

• L’ozone (O₃) se forme dans la stratosphère entre 15 et 50 km d’altitude.
• Sous l’action des rayons ultraviolets (UV), les molécules de dioxygène (O₂) se dissocient en atomes d’oxygène (O).
• Ces atomes réagissent avec d’autres molécules de dioxygène pour former de l’ozone :
  $\mathrm{O_2} \xrightarrow{\text{UV}} 2\,\mathrm{O} \quad \text{puis} \quad \mathrm{O} + \mathrm{O_2} \rightarrow \mathrm{O_3}$
• La production d’ozone est maximale vers 25 km d’altitude.
• La "couche d’ozone" désigne cette zone enrichie en ozone, mais les molécules sont dispersées dans toute la stratosphère.

2. Rôle protecteur de la couche d’ozone

• Les rayons UV se divisent en trois types selon leur longueur d’onde : UVA, UVB, UVC.
• La couche d’ozone absorbe tous les UVC et une grande partie des UVB.
• Les UVA et les UVB non absorbés atteignent la surface terrestre et pénètrent dans la peau.
• Une exposition modérée aux UV est bénéfique (synthèse de vitamine D), mais une exposition excessive peut endommager l’ADN des cellules cutanées, provoquant des mutations et des cancers.
• La couche d’ozone protège donc l’ADN des êtres vivants contre les effets mutagènes des UV.
• Cette protection a permis la colonisation des milieux terrestres par la vie il y a environ 360 millions d’années.

3. Vocabulaire clé

La couche d’ozone stratosphérique est essentielle car elle absorbe les UV les plus dangereux, protégeant ainsi la vie sur Terre.