Thème 1 (2 du programme) : Enjeux planétaires contemporains Chapitre 1 : Evolution de l'atmosphère terrestre 2 questions : I- quelle a été l'atmosphère initiale ? II- comment la vie a pu modifier cette atmosphère pour parvenir à l'actuelle? 1

Il faut se souvenir de notions vues en 2e ou première comme : composition du système solaire structure de la terre réactions de la photosynthèse ... et échelle des temps : Grande période autrefois du précambrien avec actuellement 3 sous périodes Hadéen, Archéen et protérozoique et 3 périodes correspondant aux anciennes ères : I II et III

I) Quelle était l'atmosphère initiale ? Vues d'artiste : la Terre primitive (Don dixon) La composition de l’atmosphère primitive semble bien différente de sa composition actuelle. On peut penser à une atmosphère de nébuleuse à l'origine, lors de la formation de la Terre par accrétion: hydrogène et hélium. Elle s’est formée par dégazage du manteau au cours de la différenciation de ses enveloppes internes. On reconstitue une image de l’atmosphère primitive par la composition des gaz volcaniques. Ces derniers sont riches en CO2 et SO2 ainsi qu’en vapeur d’eau. On notera l’absence de dioxygène. On reconstitue aussi cette image de la composition atmosphérique primitive par l’étude des météorites dites chondrites dont la composition globale est la même que la Terre. En les chauffant on entraîne un dégazage où les gaz libérés sont sensiblement les mêmes que ceux vus auparavant (sans dioxygène). 3

Atmosphère et formation de la Terre On peut penser à une atmosphère de nébuleuse à l'origine, lors de la formation de la Terre par accrétion: hydrogène et hélium. Mais ces gaz légers ont pu être entrainés vers les planètes externes. L’analyse des gaz rares indique que l’atmosphère terrestre s’est formée par un dégazage intense du manteau terrestre dans les cent à cent cinquante premiers millions d’années qui ont suivi la formation de la Terre par accrétion. Ce dégazage s’est poursuivi par la suite mais d’une manière lente et continue. 4

source: http://manuel.gonzales.free.fr/pages/origine.html

Composition des météorites

Les volcans rejettent des gaz ; les magmas en contiennent : Ils sont à l'origine d’une partie de l'atmosphère primitive et de son évolution Ensuite d’autres choses sont intervenues 7

Bilan Une atmosphère primordiale, formée des gaz de la nébuleuse planétaire à l'origine du système solaire, a peut être existé. Néanmoins elle a sans doute été intégralement ou presque expulsée par les vents solaires vers les planètes gazeuses. L'atmosphère primitive s'est formée ensuite principalement par le dégazage volcanique. On peut connaître sa composition à partir de celle des gaz libérés par la fusion des météorites chondritiques (non différenciées), qui est très proche de ceux libérés actuellement par les volcans terrestres. C'est cette atmosphère qui aurait servi de point de départ à l'atmosphère actuelle Elle est Riche en eau Riche en dioxyde de carbone Sans dioxygène Elle contient un peu de diazote

II) l'évolution vers l'atmosphère actuelle Les courbes sont hypothètiques. Au début de l'évolution de la planète, la température de surface est très élevée. L'eau est donc à l'état de vapeur. Très vite la température de surface diminue entraînant la condensation de la vapeur d'eau. Donc la baisse de la vapeur d'eau s'explique par des précipitations et la formation des océans. Quels arguments a t on pour décrire une baisse du CO2 et dans un 2e temps une progression de l'oxygène ?

On peut affirmer que les océans constituent le plus grand piège à CO2 de la planète. Avec la mise en place des océans, le taux de CO2 atmosphérique baisse rapidement D'autant que le CO2 est d'autant plus soluble que la température de l'eau est basse. A- La baisse initiale du CO2

Un gisement de fer rubané (fig tree Afrique du sud): B-L'apport des fers rubanés Un gisement de fer rubané (fig tree Afrique du sud): La grande majorité des minerais de fer du monde est constituée de ce qu'on appelle des fers rubanés ( Banded Iron Formation ou BIF, en anglais). Ces BIF existent avec plusieurs faciès, mais le faciès « classique » est constitué d'alternances de lits de silice (plus ou moins ferrugineuse) et d'hématite (Fe2O3, oxyde ferrique où le fer est sous sa forme la plus oxydée Fe3+). Ce sont toujours des formations sédimentaires marines. Origine : Site ENS Lyon, 10 octobre 2011 http://planet-terre.ens-lyon.fr/image-de-la-semaine/Img364-2011-10-10.xml

Répartition mondiale des fers rubanés Ces gisements représentent 80% des réserves de fer de la planète. Leur teneur en Fer est élevée (jusqu'à 65% ) Ils se répartissent sur les terrains anciens de tous les continents, mais particulièrement en Australie, Brésil, Afrique du sud, Labrador et Ukraine Ils sont toujours très anciens ( -4 à -2 milliards d'années) Ces fers rubanés sont tous d'âge archéen ou protérozoïque inférieur, à l'exception de ceux liés aux épisodes Snowball Earth (épisodes Terre boule de neige) vers -0,7 Ga (voir plus bas la figure sur les BIF au cours du temps). doc : http://www.evolution-biologique.org/histoire-de-la-vie/monde-bacterien/gisements-de-fer-rubane.html

Voici la localisation de gisements photographiés par Pierre Thomas en Afrique du sud

L'échelle est donnée par le couteau suisse. On y retrouve des lits d'hématite gris ou bruns-rouges foncés, alternant avec des lits de silice roses ou rouges (couleur très variable suivant les endroits).

La formation des fers rubanés n'a plus lieu actuellement La formation des fers rubanés n'a plus lieu actuellement . C'est un phénomène uniquement passé. Il a eu lieu surtout entre -3,5 et -2,5 milliards d'années (puis vers 1 milliard d'années alors que la Terre était couverte de glaces. Ils indiqueraient alors une période avec une couche de glace sur la mer empèchant les échanges d'oxygène. A la bascule l'oxygèneprovoque la précipitation ... ??? )

C- Altération des roches continentales et atmosphère Des sols rouges riches en Fer peuvent se former sur les continents suite à l'altération des roches mères. Ce sont des latérites

ex : le granite, une roche constituée de silicates

Quelques réactions chimiques Le silicate à base de calcium de l'équation est rare dans la nature. Mais il existe des silicates ou le calcium est associé à d'autres éléments alcalins K, Na... On constate que l'altération d'un silicate nécessite la consommation de 2 CO2. C'est ce qui explique qu'un massif énorme comme l'Himalaya, constitué en grande partie de roches silicatées soit considéré comme une pompe à CO2. Un certain nombre d'éléments chimiques sont transportés par les eaux de ruissellement. C'est le cas des ions hydrogénocarbonates HCO3-. Arrivés dans les océans, les ions hydrogénocarbonates libèrent 1 CO2 et précipitent sous forme d'ions carbonates (CO3--) insolubles. Ils se forment ainsi des roches sédimentaires carbonatées. L'exemple le plus connu (attention la roche est de formation plus tardive) est la craie. (vu en 2e à propos du cycle du carbone cf hydrosphère et role des cimenteries... )

TP1. Cyanobactéries et Précipitation de carbonates Montrer que les cyanobactéries favorisent la précipitation de carbonates et donc la formation de stromatolites TP2. Augmentation du taux d'O2 atmosphérique Exao : montrer que les cyanobactéries et d'autres végétaux chlorophyliens rejettent de l'oxygène. 19

D- les stromatolithes Ce sont des roches finement laminées que l'on a retrouvées dans les couches géologiques de moins de 3,5 milliards d'années. Elles sont liées à la présence de cyanobactéries.

cyanobactérie (anciennes « algues bleues » ce sont des végétaux photosynthétiques avec une chlorophylle différente de celle de la lignée verte Q: rappel de 2e pourquoi bactérie ? quel groupe d'après la photo ? pas de noyau donc procaryote Le schéma d'ultrastructure montre la présence de thylakoides qui contiennent la chlorophylle.

Cyanobactéries des cultures utilisées en TP Cylindrospermum Synecchocystis

Cristaux issus des cultures du TP En lumière polarisée analysée Cristaux visibles en LPA chez moi après une semaine. Teintes beige vert roe de la calcite.

Stromatolithes, à marée basse, sur le littoral de l'Ouest de l'Australie, dans le parc national de Yalgorup Actuellement, il s'en forme encore dans quelques localités en eau peu profonde. (semble t il la ou il n'y a pas d'organismes brouteurs du fait d'eaux sursalées )

Cyanobactéries et précipitation CaCO3

Autre représentation La croissance en couches successives d’un stromatolite, outre le dépôt et le piégeage mécanique de particules sédimentaires par les filaments bactériens, est la conséquence : - de la solubilisation du dioxyde de carbone atmosphérique dans l’eau (1) ; - de la dissolution du dioxyde de carbone qui donne des ions hydrogénocarbonates (HCO3-) (2) ; - de la précipitation biochimique du carbonate de calcium (CaCO3) formant un ciment calcaire à partir des hydrogénocarbonates (HCO3-) et des ions calcium (Ca2+) (3) ; - de la photosynthèse des cyanobactéries (4). Le prélèvement de CO2 déplace l'équilibre 4 vers la droite et fait précipiter le carbonate de calcium.

Actuellement, il se forme aussi des dépots carbonatés autour de certaines sources. Ce sont des tufs calcaires.

Tufs calcaires Ils sont dus à la présence de végétaux chlorophylliens, par exemple des bryophytes du genre Cratoneurum. Les eaux circulant dans des karsts (calcaires) se chargent d'ions HCO3 - et Ca2+ en solution. Quand ces eaux arrivent en surface au niveau dune source, elles relâchent vers l'atmosphère un peu de CO2, perte de CO2 qui est grandement favorisée par la photosynthèse de mousses, d'algues, de bactéries… Cette perte de CO2 déplace l'équilibre des carbonates "vers la droite" (dans l'équation ci-dessous), et entraîne un précipité de CaCO3. 2 HCO3 - + Ca2+̵̵̵ ↔ CO2 + CaCO3 + H2O

Jardin des fontaines pétrifiantes à Sone

Diminution CO2 : stromatolites Augmentation O2 : fers rubanés La diminution du CO2 commence donc avec l'apparition des cyanobactéries photosynthétiques Les fers rubanés signent l'augmentation de dioxygène liée au développement de ces cyanobactéries et la saturation progressive des océans.

L'atmosphère primitive a connu une longue et importante évolution : => Une diminution du taux d'H20 (des précipitations massives donnent naissance aux océans, ce qui fait diminuer le taux de vapeur d'eau dans l'atmosphère) => Une diminution du taux de CO2 Elle est liée à la précipitation de carbonates, d'abord chimique, puis liée à l'activité des végétaux chlorophylliens, dont les cyanobactéries à l'origine des stromatolithes. => Du dioxygène O2 apparaît et son taux augmente : on parle d'atmosphère oxydante (c'est toujours le cas aujourd'hui). On peut connaître l'évolution du taux de dioxygène grâce à certaines roches, notamment sédimentaires : → Les fers rubannés (BIF = banded Iron formations ) sont des roches sédimentaires marines constituées de couches alternativement formées en atmosphère oxydante ou pas. Elles témoignent d'une production de dioxygène d'origine océanique. Il a fallu une longue période pour saturer les océans en O2. L'atmosphère ne contenait pas encore de dioxygène pendant la formation des fers rubannés → Les sols rouges (latérites ou bauxites) à partir de 2,2GA montrent clairement la présence massive de dioxygène dans l'atmosphère : océans et roches de surface sont saturées, le dioxygène commence à aller dans l'atmosphère. Les diminutions d'H20 et de CO2 ayant été majeures, l'atmosphère actuelle est moins épaisse que l'atmosphère primitive. Le diazote N2 s'est ainsi retrouvé plus concentré bien qu'il n'ait lui même connu aucune apparition ou disparition significative. L'atmosphère actuelle contient 78,1 % de diazote, 20,9 % de dioxygène, 0,04 % de dioxyde de carbone ..