iii partiepartie origine et évolutions liées de l
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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