Photographie réalisée par Thomas Pesquet, astronaute français à bord de la station spatiale internationale
Légende de la photo : « This pic shows how fragile Earth is–the thin band on the horizon is our atmosphere, the only protection from the vacuum & radiation of space »

La composition de l’atmosphère terrestre est très étrange quand on la compare à celle des autres planètes telluriques connues. Citons-en 3 : une forte concentration en dioxygène (O2), beaucoup d’eau (H2O) sous toutes ses formes et très peu de dioxyde de carbone.
Nous allons démontrer que tout cela s’explique en partie par la présence des êtres vivants.


Objectifs
 s’interroger sur les indices qui permettent de connaitre la composition de l’atmosphère primitive et son
évolution ;
 expérimenter sur les processus biologiques et chimiques qui ont pu modifier la composition de l’atmosphère terrestre

Pour lire toute l’histoire cliquez ICI

FichesNotionsCompétences travaillées et à maîtriser
Fiche 1 – L’évolution
de la [O2] dans
l’atmosphère
;
Photosynthèse, CO2, O2,
ExA0, cyanobactéries,
fers rubanés, oxydation
des minéraux riche en fer
◻ Réaliser une expérience ExAO simple ;
◻ PHOTOSYNTHESE : comprendre les échanges entre les
êtres vivants (O2,CO2) et l’environnement au cours de la
photosynthèse ;
◻ Identifier le rôle des réactions d’oxydations dans
l’évolution passée du O2
Fiche 2 – Les grandes
étapes de l’évolution
de l’atmosphère
Atmosphère primitive,
indices géologiques, O2,
CO2, ozone,(O3)
photosynthèse
◻ Connaître les propriétés de l’atmosphère primitive ;
◻ Raisonner à partir d’indices géologiques ;
◻ Faire le lien entre la photosynthèse et l’évolution de
l’atmosphère terrestre ;

Fiche 1 – L’évolution de la [O2] dans l’atmosphère

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La fiche en version numérique

Les résultats de secours

Quelques éléments de correction de cette fiche – à compléter par vos propositions

Les ressources complémentaires – Les tutos de la manipulation

Fiche 2 – Les grandes étapes de l’évolution de l’atmosphère ESCAPE-GAME

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Les ressources complémentaires – Les tutos de l’escape game

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ATTENTION – La partie suivante est FACULTATIVE. Elle correspond à un cours classique de ce programme pour les élèves qui le souhaitent. Le travail réalisé en séance est suffisant pour les évaluations.

Introduction

Depuis l’époque de sa formation, presque en même temps que le Soleil et des autres planètes du système solaire, la Terre a connu une évolution spécifique de sa surface et de la composition de son atmosphère. Sa température de surface permet notamment l’existence d’eau liquide, formant l’hydrosphère. Plus tardivement,  s’est ajoutée l’émergence des êtres vivants et de leurs métabolismes. Un fragile équilibre, qui permet la vie et la maintient, a été atteint.

Plan du chapitre

Problématique

Comment peut-on reconstituer l’évolution de l’atmosphère terrestre et ses liens avec la biosphère ?

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I – La formation de l’atmosphère et de l’hydrosphère sur Terre

Pour comprendre comment se sont formées l’atmosphère et l’hydrosphère, nous nous sommes appuyés sur l’étude des météorites, les caractéristiques physiques de l’eau et les témoins de réactions chimiques passées observables dans les roches.

-> Activité 1 : La formation de l’atmosphère et des océans sur Terre

Résumé des éléments essentiels de connaissances  : Il y a environ 4,6 milliards d’années, l’atmosphère primitive était composée de N2, CO2 et H2O. On déduit cette composition de l’étude des météorites et des gaz volcaniques.

La composition actuelle de l’atmosphère est d’environ 78 % de N2 et 21 % de O2, avec des traces d’autres gaz (dont H2O, CO2, CH4, N2O).

Au début de l’histoire de la terre, le refroidissement de la surface de la Terre primitive a conduit à la condensation de la vapeur d’eau présente dans l’atmosphère initiale. Cela a permis la formation des océans et plus généralement de l’hydrosphère, dans laquelle s’est développée la vie.

Une vidéo pour aller plus loin sur l’évolution de l’atmosphère

II – L’évolution du dioxygène dans l’atmosphère terrestre

Pour mieux comprendre comment le dioxygène a évolué dans l’atmosphère terrestre, nous nous sommes appuyés sur l’étude des métabolismes source de dioxygène (photosynthèse), les caractéristiques physico-chimiques de l’eau et du dioxygène et les témoins de réactions chimiques passées observables dans les roches. Le principe d’actualisme sera exploité.

-> Activité 2 : Le dioxygène dans l’atmosphère terrestre au cours des temps géologiques

Résumé des éléments essentiels de connaissances  : Les premières traces de vie sont datées d’il y a au moins 3,5 milliards d’années, il s’agit de stromatolithe, des bioconstructions réalisées par des algues unicellulaires : les cyanobactéries.

Par leur métabolisme photosynthétique, les cyanobactéries ont produit du dioxygène qui a oxydé, dans les océans un certain nombre de roches comme en attestent les fers rubanés (des roches rouges, riches en oxydes de fer).

Le dioxygène s’est accumulé à partir de 2,4 milliards d’années dans l’atmosphère. Sa concentration atmosphérique actuelle a été atteinte il y a 500 millions d’années environ.

Les sources et puits de dioxygène atmosphérique sont aujourd’hui essentiellement liés aux êtres vivants (photosynthèse et respiration) et aux combustions. La quantité de dioxygène atmosphérique est stable.

Une vidéo pour aller plus loin sur le cycle du dioxygène

III – La couche d’ozone, une protection pour les êtres vivants

Pour mieux comprendre le rôle et l’importance de l’ozone dans l’atmosphère et pour la biosphère, nous avons étudié les spectres d’absorption de l’ozone et de l’ADN (notamment dans les UV).

-> Activité 3 : Le rôle protecteur de la couche d’ozone pour les êtres vivants

Résumé des éléments essentiels de connaissances  : Sous l’effet du rayonnement ultraviolet (UV) solaire, le dioxygène (O2) stratosphérique peut se dissocier, initiant une transformation chimique qui aboutit à la formation d’ozone (O3). Celui-ci constitue une couche permanente de concentration maximale située à une altitude d’environ 30 km : la couche d’ozone.

La couche d’ozone absorbe une partie du rayonnement UV solaire et protège les êtres vivants de ses effets. L’analyse d’un spectre d’absorption montre en effet que certains UV réagissent avec l’ADN présent dans les cellules des êtres vivants. Ils créent des cassures pouvant aboutir à des mutations dont certaines peuvent avoir des effets néfastes (tumeurs).

Une vidéo pour aller plus loin sur la couche d’ozone

IV – Le cycle du carbone, des interactions complexes entre les enveloppes terrestres

Pour comprendre l’importance du carbone dans l’équilibre de l’atmosphère et de la biosphère, nous avons étudié ses réservoirs, ses échanges et les modifications de la vitesse de ses flux liées aux activités humaines.

-> Activité 4 : La répartition du carbone et de ses flux sur Terre

Résumé des éléments essentiels de connaissances  : Le carbone est stocké dans plusieurs réservoirs superficiels : l’atmosphère, les sols, les océans, la biosphère et les roches. Les échanges de carbone entre ces réservoirs sont quantifiés par des flux (tonne/an). Les quantités de carbone dans les différents réservoirs sont constantes lorsque les flux sont équilibrés. L’ensemble de ces échanges constitue le cycle du carbone sur Terre.

Les actions des sociétés humaines perturbent ces cycles conduisant à une augmentation du carbone atmosphérique et océanique à l’origine du réchauffement climatique. Parmi ces actions perturbatrices, on peut retenir : la déforestation (transfert de carbone de la biosphère vers l’atmosphère) et l’utilisation des combustibles fossiles (transfert de carbone des roches vers l’atmosphère).

Les combustibles fossiles se sont formés à partir du carbone des êtres vivants, il y a plusieurs dizaines à plusieurs centaines de millions d’années. Ils ne se renouvellent pas suffisamment vite pour que les stocks se reconstituent : ces ressources en énergie sont dites non renouvelables

Une vidéo pour aller plus loin sur le cycle du carbone