III partiepartie Origine et évolutions liées de l

IIIIIIèèmeme partiepartieOrigine et Origine et éévolutions livolutions liéées es

de l'atmosphde l'atmosphèère, de re, de l'hydrosphl'hydrosphèère et de la re et de la biosphbiosphèère terrestresre terrestres

I Les enveloppes fluides de la Terre, I Les enveloppes fluides de la Terre, atmosphatmosphèère et hydrosphre et hydrosphèèrere

II Origine et II Origine et éévolution de la biosphvolution de la biosphèèrerele point de vue gle point de vue gééologiqueologique

I Les enveloppes fluides de la Terre, I Les enveloppes fluides de la Terre, atmosphatmosphèère et hydrosphre et hydrosphèèrere

1) Rappels, originalité de la Terre

2) Atmosphère et hydrosphère primitifs

3) Evolution de l'atmosphère et de l'hydrosphère depuis 4 Ga

4) Atmosphère et hydrosphère actuels, cycles et circulations, éléments de climatologie

1) Originalit1) Originalitéé de la Terrede la Terre

Eau liquide en abondance(+ H2O atmosphérique, 0-4%)

Atmosphère oxygénéeEffet de serre => T° modérée = 15°Cmoy

Deux facteurs essentiels :distance 1/1 au Soleilrôle de la biosphère

AtmosphAtmosphèères des planres des planèètes telluriques tes telluriques (compar(comparéées es àà la Terre) :la Terre) :

Mercure aucune atmosphère (gravité trop faible)

Mars: P = 1 hPa, T°moy -20 à 80°C (amplitude diurne 100°C), 95% CO2, 3% N2, 0,4 % O2, traces H2O

Vénus: P = 105 hPa, T°= 460°C, 95% CO2 , 3,5% N2, 60 ppm O2, 1 000 ppm de H2S et S, 1000 ppm d'H20 (photolyse de l'eau)

Terre: P = 103 hPa, T°moy 15°C, 78% N2, 21% O2, 1% Ar, 350 ppm CO2, 0,1 ppm d’O3

2) Atmosph2) Atmosphèère et hydrosphre et hydrosphèère primitifs, les premiers re primitifs, les premiers temps de la Terretemps de la Terre

Météorites (solides)et comètes (gaz et H2O)

Accrétioninitiale

Différentiation manteau/noyau

DDéégazage: COgazage: CO22, H, H22O, ClO, Cl22, NH, NH33, CH, CH44, H2, H2SS

bombardementstardifs

Condensation de l’hydrosphère

LL’’atmosphatmosphèère primitivere primitive

• Probablement identique à celle des autresplanètes telluriques et aux gaz volcaniques actuels : CO et CO2, N2, CH4, NH3 et H20.• Pression atmosphérique au sol élevée• Assez comparable à celle de Venus (effet de serre)• Enrichissement relatif en N2 par dissolution du CO2 dans l’océan lors de la condensation de H2O

LL’’hydrosphhydrosphèère primitivere primitive

• Condensation entre 4 et 3,8 Ga• Température initiale : env. 375°C (P > 250 atm)• Composition chimique et pH

⇒ dissolution CO2 et Cl2 atmosphériques⇒ pH acide (5 à 6)⇒ agressivité chimique⇒ dissolution des silicates de la croûte primitive

(mise en solution de NaCl et Fe++)• caractère fortement réducteur• bombardements tardifs (météorites et comètes)

⇒ Eau supplémentaire⇒ composés carbonés ( surtout acides aminés)⇒ « soupe primitive »

3) Evolution de l'atmosph3) Evolution de l'atmosphèère et de re et de l'hydrosphl'hydrosphèère terrestres depuis 4 Ga :re terrestres depuis 4 Ga :

Compositions chimiques liées en raison de la solubilité des gaz dans l'eau

• Apparition de l'oxygène moléculaire (n'existe pas sur les autres planètes telluriques)=> oxyg=> oxygéénationnation

• Disparition de la quasi totalité du CO2=> ddéécarboxylationcarboxylation

L'oxygL'oxygéénationnationL’apparition de la photosynthèse vers 3,8 Ga a déclenché le dégagement d’oxygène dans l’océan.

Cependant, la saturation de l’océan et par conséquent,l’oxygénation de l’atmosphère, a attendu plus de 1 Gaà cause du Fe2+ dissous fixant l’O2 au fur et à mesure de sa production

100 %

Ga10 1 0,1234

O2 atmosphérique en % de la valeur actuelle

10 %

1 %

ConsConsééquences de lquences de l’’oxygoxygéénationnation

4 Fe2+ + 3 O2 => 2 Fe2O3

soluble insoluble

Formation des grands gisements de fer archFormation des grands gisements de fer archééens (3,5ens (3,5--2 Ga; Chine, Afrique, Australie, 2 Ga; Chine, Afrique, Australie, ……))Destruction des premiers organismes (monDestruction des premiers organismes (monèères res anaanaéérobies)robies)Favorise le dFavorise le dééveloppement des eucaryotes veloppement des eucaryotes (m(méétabolisent ltabolisent l’’OO22))CrCrééation de la couche dation de la couche d’’ozone et absorption des UVBozone et absorption des UVB

La dLa déécarboxylationcarboxylation(s(sééquestration du COquestration du CO22 sous forme minsous forme minéérale)rale)

Fixation du CO2 hydrosphérique

StromatolitesStromatolites (pr(préécipitation induite par la photosynthcipitation induite par la photosynthèèse)se)InvertInvertéébrbréés (enzyme carboxylase) s (enzyme carboxylase) àà p. de 600 Ma vont fixer 90% p. de 600 Ma vont fixer 90% du COdu CO22

=> réduction du CO2 atmosphérique

AtmosphAtmosphèère respirable pour les mre respirable pour les méétabolismes suptabolismes supéérieursrieursRRééduction de lduction de l’’effet de serre (Teffet de serre (T°°moymoy au sol => 15au sol => 15°°C)C)

Le reste du CO2 sera essentiellement fixé par les végétaux supérieurs sous forme de charbon (450-270 Ma)

4) Atmosph4) Atmosphèère et hydrosphre et hydrosphèère actuelles, re actuelles, cycles et bilans, cycles et bilans, ééllééments de ments de

climatologieclimatologie

a) Atmosphère et hydrosphère actuelles, caractéristiques physiques

Structure thermique de l'atmosphStructure thermique de l'atmosphèèrere

Altitude T°C P hPaIonosphère -

Thermosphère ≈ 500 km 1200°C 10-8

Mésosphère ≈ 85 km - 90°C 10-2

Stratosphère ≈ 50 km 0°C 3 - 1

Troposphère* 9 km pôles17 km équateur

6°C km-1

+50°C => -80°C980 -1010

* Les 3/4 de la masse gazeuse

120

100

80

60

40

20

0

10

thermosphère

mésosphère

stratosphère

troposphère- 80 - 60° 0 + 20° + 60°C- 100

O Z O N E

km

b) Circulations océaniques et atmosphériques

Circulations atmosphériques = équilibre entre forces de Coryolis et thermiques

Circulation atmosphCirculation atmosphéérique globalerique globale

ZCIT

Zone de convergence intertropicaleZone de convergence intertropicale(Pacifique Nord)(Pacifique Nord)

DDééplacement des cyclonesplacement des cyclones

KatrinaKatrina (28 ao(28 aoûût 2005)t 2005)

L'hydrosphL'hydrosphèère actuellere actuelle

Sous 3 formes: solide (glace), liquide et gazeuse, + de 80% de la surface terrestre

océans = 79%glaces = 1,7%eaux souterraines = 19 %eaux de surface = 0,013%atmosphère = 0,001%eau biologique = 0,0001%

température Dissolutioncarbonates

Dissolutionsilice nutriments

PO4

NO3

20°10°0°

CCD

Thermoclinepermanente

Eauxprofondes

Eaux desurface

Structure thermoStructure thermo--chimique de l'occhimique de l'océéanan

1000

2000

3000

4000

5000

Courants ocCourants océéaniques de surfaceaniques de surface(v. la carte des vents)(v. la carte des vents)

Configuration des continents, circulations Configuration des continents, circulations ococééaniques et climataniques et climat

Exemple des "ponts continentaux" (détroits de Bering et de Drake)

Configuration des continents, circulations Configuration des continents, circulations ococééaniques et climataniques et climat

Présent

Configuration des continents, circulations Configuration des continents, circulations ococééaniques et climataniques et climat

- 11 000 ans

Configuration des continents, circulations Configuration des continents, circulations ococééaniques et climataniques et climat

Courants de rCourants de réésurgence (upwelling)surgence (upwelling)

alizé

En haute mer Près d’une côte

Carte des tempCarte des tempéératures ocratures océéaniquesaniqueset localisation des zones det localisation des zones d’’upwellingupwelling

Carte de la productivitCarte de la productivitéé ococééanique (chlorophylle)anique (chlorophylle)

ÉÉchanges occhanges océéanan--atmosphatmosphèèrere

c) Exemples de cycles dans les enveloppes c) Exemples de cycles dans les enveloppes externesexternes

Cycle gCycle gééologique du carboneologique du carbone

Equilibre entre production et fixation du CO2atmosphérique/hydrosphérique

Cycles interdépendants ± rapides et faisant intervenir des masses variables

• Dégazage mantellique• Photosynthèse/respiration• Précipitation et biosynthèse des carbonates

Cycle gCycle gééologique du carboneologique du carbone

Volcanismecontinental

Volcanismeocéanique

ATMOSPHERE

BIOSPHERE

MANTEAU

Calcaires

hydrocarbures

charbons

respirationphotosynthèse