Enseignement scientifique — Science, climat et société
L'atmosphère terrestre et la vie
Composition atmosphère primitive vs actuelle, photosynthèse et O₂, couche d'ozone, effet de serre naturel, CO₂ et cycle du carbone
Résumé synthétiqueFiche en 4 sectionsQuiz de 10 questionsGratuit, sans pub
Résumé
L'**atmosphère primitive** de la Terre, il y a $4{,}5$ milliards d'années, était composée principalement de $\mathrm{CO_2}$, $\mathrm{N_2}$, $\mathrm{H_2O}$ et de traces de $\mathrm{CH_4}$, mais ne contenait quasiment pas de **dioxygène** ($\mathrm{O_2}$). C'est l'apparition des **cyanobactéries**, il y a environ $2{,}7$ milliards d'années, qui a progressivement enrichi l'atmosphère en $\mathrm{O_2}$ grâce à la **photosynthèse oxygénique** : $6\,\mathrm{CO_2} + 6\,\mathrm{H_2O} \rightarrow \mathrm{C_6H_{12}O_6} + 6\,\mathrm{O_2}$. Aujourd'hui, l'atmosphère contient environ **78 %** de $\mathrm{N_2}$, **21 %** de $\mathrm{O_2}$ et **0,04 %** de $\mathrm{CO_2}$. Le dioxygène a permis la formation de la **couche d'ozone** ($\mathrm{O_3}$) dans la **stratosphère**, qui filtre les **UV-C** et une partie des **UV-B**, rendant possible la vie terrestre. L'**effet de serre naturel**, dû principalement à $\mathrm{H_2O}$ et $\mathrm{CO_2}$, maintient la température moyenne terrestre à environ $+15\ \mathrm{°C}$ au lieu de $-18\ \mathrm{°C}$ sans atmosphère. Le **cycle du carbone** fait circuler le carbone entre l'**atmosphère**, la **biosphère**, l'**hydrosphère** et la **lithosphère** via la photosynthèse, la respiration, la dissolution océanique et la sédimentation.
L'**atmosphère terrestre** a profondément changé au cours des $4{,}5$ milliards d'années d'histoire de notre planète. Comprendre cette évolution permet de saisir le **lien indissociable** entre la vie et la composition de l'air que nous respirons.
- **Atmosphère primitive** (il y a $4{,}5$ Ga) : principalement $\mathrm{CO_2}$, $\mathrm{N_2}$, $\mathrm{H_2O}$ vapeur, traces de $\mathrm{CH_4}$ et $\mathrm{NH_3}$ — quasi-absence de $\mathrm{O_2}$
- **Dégazage volcanique** : source principale des gaz de l'atmosphère primitive
- Apparition des **cyanobactéries** ($\approx 2{,}7$ Ga) : premiers organismes **photosynthétiques**, libérant du $\mathrm{O_2}$
- **Grande Oxydation** ($\approx 2{,}4$ Ga) : augmentation brutale du $\mathrm{O_2}$ atmosphérique, oxydation du fer (**formations de fer rubané** = BIF)
- **Atmosphère actuelle** : $\mathrm{N_2}$ (**78 %**), $\mathrm{O_2}$ (**21 %**), $\mathrm{Ar}$ (**0,93 %**), $\mathrm{CO_2}$ (**0,04 %**, soit $\approx 420\ \mathrm{ppm}$ en 2024)
- L'oxygène atmosphérique est un **sous-produit de l'activité biologique** : sans vie, pas de $\mathrm{O_2}$ libre
Exemple
Il y a $2{,}4$ Ga, le fer dissous dans les océans a été **oxydé** par le $\mathrm{O_2}$ produit par les cyanobactéries, formant les **BIF** (banded iron formations). Ce n'est qu'une fois tout ce fer oxydé que le $\mathrm{O_2}$ a pu s'accumuler dans l'atmosphère : c'est la **Grande Oxydation**.
Piège à éviter
L'atmosphère primitive ne contenait **pas** de $\mathrm{O_2}$. Ne pas confondre avec l'atmosphère actuelle. L'oxygène est un produit **biologique**, pas un constituant originel de l'atmosphère terrestre.
La **photosynthèse** est la réaction clé qui a transformé l'atmosphère terrestre. En utilisant la **lumière** pour convertir le $\mathrm{CO_2}$ et l'eau en glucose et $\mathrm{O_2}$, les organismes **chlorophylliens** ont littéralement changé la chimie de notre planète.
- **Équation bilan de la photosynthèse** : $6\,\mathrm{CO_2} + 6\,\mathrm{H_2O} \rightarrow \mathrm{C_6H_{12}O_6} + 6\,\mathrm{O_2}$ (réaction **endothermique** utilisant l'énergie lumineuse)
- Les organismes **chlorophylliens** (plantes, algues, cyanobactéries) captent le $\mathrm{CO_2}$ et libèrent du $\mathrm{O_2}$
- La **respiration cellulaire** est la réaction inverse : $\mathrm{C_6H_{12}O_6} + 6\,\mathrm{O_2} \rightarrow 6\,\mathrm{CO_2} + 6\,\mathrm{H_2O}$ (libère de l'énergie)
- Le **bilan net** de la photosynthèse dépasse la respiration : la biosphère est un **puits net de carbone**
- Le **phytoplancton océanique** produit environ **50 %** du $\mathrm{O_2}$ de la planète
- La forêt amazonienne consomme **presque autant** de $\mathrm{O_2}$ qu'elle en produit (écosystème mature à l'équilibre)
Exemple
Le **phytoplancton océanique** produit environ **50 %** du $\mathrm{O_2}$ de la planète. Si l'on pesait toute la matière organique produite chaque année par photosynthèse, cela représenterait environ **120 milliards de tonnes** de carbone fixé.
Piège à éviter
La **forêt amazonienne** n'est **pas** le « poumon de la planète » au sens strict : écosystème **mature**, elle consomme presque autant de $\mathrm{O_2}$ (**respiration**) qu'elle en produit (**photosynthèse**). Le vrai « poumon » est le **phytoplancton océanique**.
La **couche d'ozone** est un bouclier invisible mais **vital** dans la stratosphère. Formée grâce au $\mathrm{O_2}$ produit par la vie, elle protège à son tour la vie terrestre des **rayons UV** les plus dangereux.
- L'**ozone** ($\mathrm{O_3}$) se forme dans la **stratosphère** ($15$–$50\ \mathrm{km}$ d'altitude) par photodissociation du $\mathrm{O_2}$ : $\mathrm{O_2} + \text{UV} \rightarrow 2\,\mathrm{O}$, puis $\mathrm{O} + \mathrm{O_2} \rightarrow \mathrm{O_3}$
- La couche d'ozone filtre les **UV-C** (très dangereux) et une grande partie des **UV-B** (responsables des cancers de la peau)
- Sans couche d'ozone, la **vie terrestre serait impossible** (les organismes seraient détruits par les UV)
- Les **CFC** (chlorofluorocarbones) détruisent l'ozone : un atome de chlore peut détruire des milliers de molécules de $\mathrm{O_3}$
- **Protocole de Montréal** (1987) : interdiction progressive des CFC — la couche d'ozone se **reconstitue** lentement
Exemple
Un seul atome de **chlore** libéré par un **CFC** peut détruire jusqu'à **100 000 molécules** d'$\mathrm{O_3}$ avant d'être neutralisé. Le **trou** dans la couche d'ozone au-dessus de l'Antarctique atteignait $26$ millions de $\mathrm{km^2}$ en 2006, mais se réduit lentement grâce au **protocole de Montréal**.
Piège à éviter
Ne pas confondre **ozone stratosphérique** (protecteur, $15$–$50\ \mathrm{km}$) et **ozone troposphérique** (polluant, au niveau du sol). L'ozone au sol est un **polluant nocif** pour la santé, formé par les gaz d'échappement sous l'action du soleil.
L'**effet de serre naturel** est un phénomène **indispensable** à la vie sur Terre. C'est son **renforcement** par les activités humaines qui pose problème. Le **cycle du carbone**, qui relie atmosphère, biosphère, océans et lithosphère, est au cœur de cette mécanique.
- L'**effet de serre naturel** : $\mathrm{H_2O}$, $\mathrm{CO_2}$, $\mathrm{CH_4}$ absorbent le **rayonnement infrarouge** émis par la Terre et le réémettent en partie vers le sol
- Sans effet de serre : $T_\text{moy} \approx -18\ \mathrm{°C}$ ; avec effet de serre : $T_\text{moy} \approx +15\ \mathrm{°C}$ (gain de $+33\ \mathrm{°C}$)
- Le cycle du carbone relie **4 réservoirs** : atmosphère ($\approx 870\ \mathrm{Gt}$), biosphère terrestre ($\approx 2\,000\ \mathrm{Gt}$), océans ($\approx 38\,000\ \mathrm{Gt}$), lithosphère ($\approx 10^{8}\ \mathrm{Gt}$)
- **Flux naturels** : photosynthèse (puits), respiration (source), dissolution océanique du $\mathrm{CO_2}$, sédimentation (formation de calcaires $\mathrm{CaCO_3}$)
- Les **combustibles fossiles** (charbon, pétrole, gaz) sont du carbone stocké dans la lithosphère depuis des millions d'années
- La **combustion des fossiles** transfère du carbone de la lithosphère vers l'atmosphère, **perturbant** le cycle naturel
- Les océans absorbent environ **25 %** du $\mathrm{CO_2}$ anthropique, ce qui provoque leur **acidification** (baisse du pH)
Exemple
La **lithosphère** contient environ $10^{8}\ \mathrm{Gt}$ de carbone (roches calcaires $\mathrm{CaCO_3}$ et combustibles fossiles), contre seulement $\approx 870\ \mathrm{Gt}$ dans l'atmosphère. En brûlant $1$ tonne de charbon, on transfère environ $3{,}7$ tonnes de $\mathrm{CO_2}$ de la lithosphère vers l'atmosphère.
Piège à éviter
L'effet de serre naturel n'est **pas** le problème : il maintient la Terre à $+15\ \mathrm{°C}$ au lieu de $-18\ \mathrm{°C}$. C'est l'**augmentation** de l'effet de serre par les émissions anthropiques de $\mathrm{CO_2}$, $\mathrm{CH_4}$ et $\mathrm{N_2O}$ qui provoque le **réchauffement climatique**.
Quiz - L'atmosphère terrestre et la vie
10 questions
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Questions fréquentes
Les points clés à retenir sur L'atmosphère terrestre et la vie, extraits du quiz de révision.
Quel gaz était quasi-absent de l'atmosphère primitive ?
Réponse :
Le dioxygène ($\mathrm{O_2}$)
L'**atmosphère primitive** ne contenait quasiment pas de $\mathrm{O_2}$. C'est l'apparition des **cyanobactéries** photosynthétiques il y a environ $2{,}7$ milliards d'années qui a progressivement enrichi l'atmosphère en dioxygène, lors de la **Grande Oxydation**.
Quel organisme est responsable de l'apparition du $\mathrm{O_2}$ dans l'atmosphère ?
Réponse :
Les cyanobactéries
Les **cyanobactéries**, apparues il y a environ $2{,}7$ Ga, sont les premiers organismes à pratiquer la **photosynthèse oxygénique**, libérant du $\mathrm{O_2}$ comme sous-produit. Elles ont progressivement transformé la composition de l'atmosphère terrestre.
Quelle est la composition approximative de l'atmosphère actuelle en $\mathrm{O_2}$ ?
Réponse :
21 %
L'atmosphère actuelle contient environ **78 %** de diazote ($\mathrm{N_2}$), **21 %** de dioxygène ($\mathrm{O_2}$), **0,93 %** d'argon ($\mathrm{Ar}$) et **0,04 %** de $\mathrm{CO_2}$ (environ $420\ \mathrm{ppm}$).
La couche d'ozone se situe dans :
Réponse :
La stratosphère
La **couche d'ozone** se situe dans la **stratosphère**, entre $15$ et $50\ \mathrm{km}$ d'altitude. Elle se forme par **photodissociation** du $\mathrm{O_2}$ par les UV solaires, puis recombinaison : $\mathrm{O} + \mathrm{O_2} \rightarrow \mathrm{O_3}$.