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
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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.
L'atmosphère primitive, dépourvue de $\mathrm{O_2}$, a été transformée par les cyanobactéries photosynthétiques il y a $2{,}7$ Ga.
- 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
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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 : $\mathrm{O} + \mathrm{O_2} \rightarrow \mathrm{O_3}$.