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L'atmosphère terrestre et la vie
Composition de l'atmosphère primitive et actuelle, Grande Oxydation, rôle de la photosynthèse, couche d'ozone, cycle du carbone et combustibles fossiles (programme d'enseignement scientifique de Terminale)
À propos de cette page
Ce cours d' en terminale sur « L'atmosphère terrestre et la vie » suit le programme officiel d' de terminale. Il présente les définitions, les propriétés et les méthodes essentielles, accompagnées d'exemples résolus pour bien comprendre. Au programme : L'essentiel, De l'atmosphère primitive à l'atmosphère actuelle, La photosynthèse et la Grande Oxydation, La couche d'ozone, un bouclier contre les UV. Chaque notion est expliquée pas à pas, puis mise en pratique grâce à des exercices interactifs, un QCM et une évaluation corrigée. Idéal pour réviser à son rythme, combler ses lacunes et progresser, en autonomie ou avec un professeur. Cours rédigé par un professeur particulier à Marseille pour aider les élèves de terminale à réussir en .
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L'essentiel
Atmosphère actuelle (air sec) : ≈ 78 % de diazote N2, ≈ 21 % de dioxygène O2, ≈ 0,9 % d'argon et des gaz à l'état de traces, dont le CO2 (≈ 0,04 %, soit ≈ 420 ppm). La vapeur d'eau s'y ajoute en quantité variable.
Atmosphère primitive (≈ 4,6 Ga) : issue du dégazage du manteau, elle contenait surtout N2, CO2 et H2O, sans dioxygène libre.
Photosynthèse oxygénique : 6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2 (énergie lumineuse captée par la chlorophylle). C'est la seule source massive du O2 atmosphérique.
Grande Oxydation : accumulation durable de O2 dans l'atmosphère, à partir d'environ 2,4 Ga.
Couche d'ozone : ozone O3 formé dans la stratosphère à partir de O2 sous l'effet des UV ; elle absorbe l'essentiel des UV solaires, qui sont mutagènes.
Réservoir, flux, temps de résidence : un réservoir (atmosphère, océans, sols, biomasse, roches) contient un stock de carbone, en GtC ; les échanges entre réservoirs sont des flux, en GtC/an. En régime stationnaire, temps de résidence = stock ÷ flux sortant.
Unités : 1 Ga = 1 milliard d'années ; 1 GtC = 109 tonnes de carbone ; 1 % = 10 000 ppm (parties par million).
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De l'atmosphère primitive à l'atmosphère actuelle
Trois transformations expliquent le passage de l'atmosphère primitive à l'atmosphère terrestre actuelle.
1. Condensation de l'eau. La surface de la Terre primitive se refroidit : la vapeur d'eau atmosphérique se liquéfie et forme l'hydrosphère (océans), très tôt dans l'histoire de la planète.
2. Piégeage du CO2. Le CO2 se dissout dans l'océan, puis le carbone précipite sous forme de roches carbonatées (CaCO3) : il quitte durablement l'atmosphère. Les roches sont aujourd'hui, de très loin, le plus grand réservoir de carbone.
3. Production de O2 par le vivant. Le dioxygène, absent au départ, est libéré par la photosynthèse (partie 3).
Le diazote, peu réactif et peu consommé, est resté dans l'air : il est devenu majoritaire parce que les autres gaz ont été retirés, non parce qu'il serait apparu tardivement.
| Gaz | Atmosphère primitive | Atmosphère actuelle (air sec) |
|---|---|---|
| N2 | présent | ≈ 78 % |
| CO2 | très abondant | ≈ 0,04 % |
| H2O | très abondante (vapeur) | faible et variable |
| O2 | absent | ≈ 21 % |
Exemple. 1 m3 = 1 000 L d'air sec contient environ 780 L de N2, 210 L de O2 et seulement 0,4 L de CO2.
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La photosynthèse et la Grande Oxydation
Les premiers producteurs de O2 : les cyanobactéries, micro-organismes chlorophylliens procaryotes vivant dans l'océan. Les stromatolites, constructions calcaires édifiées par des tapis microbiens (aujourd'hui dominés par les cyanobactéries), existent dès ≈ 3,5 Ga.
Un long délai. Le O2 libéré dans l'océan est d'abord consommé : il oxyde le fer dissous Fe2+ (soluble) en fer ferrique Fe3+ (insoluble), qui précipite :
4 Fe2+ + O2 + 4 H2O → 2 Fe2O3 + 8 H+
Ces dépôts forment les fers rubanés, abondants surtout avant ≈ 1,9 Ga. Les gaz volcaniques réduits consomment eux aussi du O2.
4 Fe2+ + O2 + 4 H2O → 2 Fe2O3 + 8 H+
Ces dépôts forment les fers rubanés, abondants surtout avant ≈ 1,9 Ga. Les gaz volcaniques réduits consomment eux aussi du O2.
Indices de la Grande Oxydation (≈ 2,4 Ga) : disparition des grains détritiques de pyrite (FeS2) et d'uraninite (UO2), qui ne résistent pas à l'oxydation ; apparition de paléosols et de grès continentaux rouges, riches en oxydes ferriques (« couches rouges »).
Condition d'accumulation. La respiration et la décomposition consomment autant de O2 que la photosynthèse en a libéré pour fabriquer la matière organique. Le O2 ne s'accumule que si une partie de cette matière organique est enfouie dans les sédiments, à l'abri de l'oxydation.
La teneur en O2 n'approche les valeurs actuelles qu'au cours du dernier milliard d'années.
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La couche d'ozone, un bouclier contre les UV
Formation (stratosphère, surtout entre ≈ 15 et 35 km) :
O2 + UV → 2 O, puis O + O2 → O3 ; bilan : 3 O2 → 2 O3.
O2 + UV → 2 O, puis O + O2 → O3 ; bilan : 3 O2 → 2 O3.
Rôle : l'ozone absorbe la totalité des UV-C et la majeure partie des UV-B. Ces UV sont mutagènes : ils altèrent l'ADN des cellules (cancers de la peau, mort des micro-organismes).
Mesure : la colonne d'ozone s'exprime en unités Dobson (DU) ; 1 DU correspond à 0,01 mm d'ozone pur ramené à 0 °C et 1 atm. Valeur moyenne : ≈ 300 DU, soit 3 mm seulement.
Conséquence historique. L'ozone ne peut se former qu'à partir de O2 : la couche d'ozone s'est épaissie après la Grande Oxydation. Tant qu'elle était mince, les UV atteignaient la surface et l'eau protégeait les êtres vivants. La colonisation durable des continents (premières plantes terrestres, ≈ 0,47 Ga) suit la mise en place d'un filtre efficace.
Près du sol, l'ozone est un polluant irritant. Le « trou » de la couche d'ozone, causé par les CFC (encadrés par le protocole de Montréal de 1987), concerne les UV : c'est un phénomène distinct de l'effet de serre.
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Le cycle du carbone et les combustibles fossiles
Réservoirs (ordres de grandeur) : roches, plusieurs dizaines de millions de GtC ; océans ≈ 38 000 GtC (surtout l'océan profond) ; sols ≈ 1 700 GtC ; atmosphère ≈ 870 GtC ; végétation ≈ 450 GtC.
Flux principaux : photosynthèse continentale ≈ 120 GtC/an, presque compensée par la respiration et la décomposition ; échanges océan-atmosphère ≈ 80 GtC/an dans chaque sens ; combustion des combustibles fossiles ≈ 10 GtC/an.
Combustibles fossiles : le charbon provient de végétaux continentaux (forêts marécageuses du Carbonifère, 360-300 Ma) ; le pétrole et le gaz proviennent du plancton marin, transformé en kérogène puis en hydrocarbures. Ils se forment quand une très faible fraction de la matière organique photosynthétique est enfouie en milieu pauvre en O2, puis transformée par l'augmentation de la température et de la pression pendant des millions d'années.
Ressource non renouvelable : un stock constitué en des dizaines à centaines de millions d'années est brûlé en quelques siècles. Combustion : C + O2 → CO2 ; 12 g de carbone donnent 44 g de CO2.
Le carbone fossile, retiré du cycle depuis des millions d'années, y est réinjecté rapidement : la teneur en CO2 de l'air est passée d'environ 280 ppm vers 1850 à plus de 420 ppm aujourd'hui. Ses effets sur le climat sont étudiés au chapitre suivant.
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Méthodes
Méthode 1 — Exploiter une équation bilan
- Écrire l'équation équilibrée.
- Convertir la donnée en quantité de matière : n = m ÷ M.
- Utiliser les coefficients de l'équation (proportionnalité).
- Revenir à une masse : m = n × M, avec l'unité.
Exemple rédigé. Quelle masse de O2 libère une plante qui fabrique 90 g de glucose (M = 180 g/mol) ? n(glucose) = 90 ÷ 180 = 0,50 mol. D'après l'équation, 1 mol de glucose s'accompagne de 6 mol de O2 : n(O2) = 6 × 0,50 = 3,0 mol. m(O2) = 3,0 × 32 = 96 g.
Méthode 2 — Calculer un temps de résidence
- Vérifier que le réservoir est en régime stationnaire (flux entrants = flux sortants).
- Additionner les flux sortants, exprimés dans l'unité du stock par an.
- Diviser : τ = stock ÷ flux sortant total.
- Conclure avec l'unité et interpréter : c'est une durée moyenne.
Exemple rédigé. Atmosphère : 870 GtC. Sorties : ≈ 120 GtC/an vers la végétation et ≈ 80 GtC/an vers l'océan, soit 200 GtC/an. τ = 870 ÷ 200 ≈ 4,4 ans : un atome de carbone reste en moyenne quelques années dans l'air.
Méthode 3 — Encadrer l'âge d'un événement à partir d'indices géologiques
- Classer les indices par âge.
- Pour chacun, dire s'il suppose une atmosphère sans O2 ou avec O2, en justifiant par la chimie du fer ou de l'uranium.
- Placer l'événement entre le plus récent indice « sans O2 » et le plus ancien indice « avec O2 ».
Exemple rédigé. Une roche de 2,8 Ga contient de l'uraninite détritique intacte : l'air était pauvre en O2. Des couches rouges de 2,0 Ga contiennent de l'hématite formée à l'air libre : l'air était oxygéné. L'enrichissement en O2 se situe donc entre 2,8 et 2,0 Ga, ce qui est cohérent avec ≈ 2,4 Ga.
Méthode 4 — Convertir les unités de l'atmosphère
- Pourcentage → ppm : multiplier par 10 000.
- Unités Dobson → épaisseur d'ozone : multiplier par 0,01 mm.
- CO2 atmosphérique : 1 ppm ≈ 2,12 GtC.
Exemple rédigé. 0,035 % = 0,035 × 10 000 = 350 ppm, ce qui représente 350 × 2,12 ≈ 742 GtC. Une colonne de 300 DU correspond à 300 × 0,01 = 3 mm d'ozone.
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Pièges et erreurs classiques
« L'atmosphère primitive contenait du O2. » Faux : elle contenait N2, CO2 et H2O. Le O2 est d'origine biologique.
« Le O2 s'est accumulé dans l'air dès les premières cyanobactéries. » Faux : il a d'abord été consommé par le fer dissous et les gaz réduits, d'où plusieurs centaines de millions d'années de délai.
« La photosynthèse suffit à enrichir l'air en O2. » Faux : respiration et décomposition reprennent ce O2. Seul l'enfouissement de matière organique laisse un gain net ; une forêt à l'équilibre n'enrichit pas l'air.
Confondre les ozones. L'ozone stratosphérique protège ; l'ozone de basse altitude est un polluant. Et le trou d'ozone n'est pas la cause de l'effet de serre.
Temps de résidence. C'est stock ÷ flux sortant, en régime stationnaire, et c'est une moyenne, pas une durée maximale.
« Les combustibles fossiles se forment encore, donc ils sont renouvelables. » Faux : leur formation est des millions de fois trop lente par rapport à leur consommation.
Unités. 0,04 % n'est pas 40 ppm mais 400 ppm ; 12 g de carbone brûlé donnent 44 g de CO2, pas 12 g.
En bref
- Atmosphère primitive (≈ 4,6 Ga) : N2, CO2, H2O, sans O2 ; actuelle : ≈ 78 % N2, ≈ 21 % O2, traces de CO2.
- L'eau s'est condensée en océans ; le CO2 s'y est dissous puis a été piégé dans les carbonates.
- Les cyanobactéries produisent du O2 par photosynthèse ; il oxyde d'abord le fer dissous (fers rubanés), puis s'accumule dans l'air vers 2,4 Ga : c'est la Grande Oxydation.
- Le O2 ne s'accumule que si de la matière organique est enfouie.
- Stratosphère : 3 O2 → 2 O3 sous l'effet des UV ; la couche d'ozone filtre les UV mutagènes et a permis la vie sur les continents.
- Cycle du carbone : réservoirs (GtC), flux (GtC/an), temps de résidence = stock ÷ flux sortant.
- Combustibles fossiles : matière organique enfouie sans O2 pendant des millions d'années, brûlée en quelques siècles : ressource non renouvelable.
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