Expliquer la formation de l'atmosphère initiale et ses transformations à l'aide d'indices géologiques.
Quel est le phénomène qui a permis la formation de l'atmosphère primitive ?
Quels sont les gaz majoritaires de l'atmosphère primitive ?
Quels sont les gaz majoritaires de l'atmosphère actuelle ?
À quelle époque l'atmosphère initiale de la Terre a-t-elle commencé à se former ?
Parmi ces roches, quelles sont celles qui indiquent une oxygénation de l'atmosphère ?
La Terre s'est formée il y a 4,56 milliards d'années par accrétion de roches qui, à force de collisions, ont formé un corps de type planète en orbite autour du Soleil. Très rapidement après la formation de la Terre, une atmosphère s'est également formée. Cette atmosphère initiale a subi de nombreuses transformations au cours des temps géologiques. Nous verrons ici comment s'est formée cette atmosphère initiale et comment celle-ci a évolué jusqu'à l'atmosphère actuelle.
On pense que l'atmosphère initiale s'est formée très tôt au cours de l'Hadéen (entre - 4,55 milliards d'années et - 4 milliards d'années). On pense que trois réservoirs d'éléments volatils ont formé cette atmosphère primitive. Tout d'abord, les gaz issus de la nébuleuse protosolaire qui ont pu être capturés gravitationnellement dans l'atmosphère primitive. Cette contribution reste très limitée, car la composition de l'atmosphère en gaz rares est très différente de celle de la matière solaire. Ensuite, il y a eu un important apport d'éléments volatils lors du dégazage qui correspond à l'énergie libérée sous forme de chaleur par l'accrétion, puis la différenciation terrestre. Les magmas légers du manteau primitif migrent en surface, formant un océan magmatique qui dégaze alors les éléments volatils à l'origine de l'atmosphère primitive. La croûte et le manteau ont donc fourni la grande majorité des éléments volatils de l'atmosphère primitive au cours des 500 premiers millions d'années d'existence de notre planète. Enfin, le troisième apport d'éléments volatils est le bombardement de la Terre après sa formation par des chondrites carbonées (météorites) qui ont pu apporter un grand nombre d'éléments volatils à la Terre et à l'atmosphère. On pense que le stock d'eau sur Terre existe grâce à ce bombardement. Cette atmosphère primitive était composée de 80% d'eau, de 15% de \ce{CO2}, de 5% de N2 et de 0% d' \ce{O2}. Elle était donc très différente de l'atmosphère actuelle.
L'atmosphère actuelle est issue de l'évolution des différents gaz atmosphériques au cours des temps géologiques depuis l'Hadéen. Tout d'abord, dès la fin de ce dernier, la Terre se refroidit et l'eau se condense sous forme liquide, faisant diminuer la teneur en vapeur d'eau de l'atmosphère. On retrouve également de nombreux indices sédimentaires qui nous indiquent les évolutions de l'atmosphère. Les formations de fer rubané sont trouvées en Australie et datées de - 3 milliards d'années. On les appelle aussi BIF (pour Banded Iron Formation), elles se sont formées dans le milieu océanique et présentent des couches de fer oxydé. Ce n'est qu'en présence de dioxygène que l'ion \ce{Fe^2+} sera oxydé en ion \ce{Fe^3+}. Ces roches sont donc un indice de l'oxydation de la Terre et de l'apparition de l' \ce{O2} dans l'atmosphère terrestre. On trouve aussi des dépôts d'uraninite. En effet, en présence de dioxygène, l'uraninite (minerai d'uranium) est très instable, il s'oxyde et devient alors très soluble et ne se dépose pas. La présence de dépôts d'uraninite révèle donc une teneur en dioxygène du milieu, au moment du dépôt, plus de 100 fois inférieure à la teneur actuelle. Ces formations ne sont âgées que de - 2 Ga. Jusqu'à cette date, la teneur en dioxygène dans l'atmosphère était donc nulle ou très faible. Enfin, la présence de stromatolithes datés de - 3,5 milliards d'années nous informe sur les raisons de la modification des teneurs en \ce{O2} et \ce{CO2} de l'atmosphère. Ces stromatolithes sont des bioconstructions faites par des cyanobactéries. Les cyanobactéries sont des bactéries photosynthétiques, c'est-à-dire qu'elles absorbent le \ce{CO2} atmosphérique et rejettent de l' \ce{O2}. Ainsi, on pense que l'apparition de la photosynthèse par les organismes photosynthétiques a grandement participé à la diminution du \ce{CO2} atmosphérique et à l'augmentation de l' \ce{O2} dans l'atmosphère. Ces différents changements au cours de l'histoire de la Terre ont entraîné une évolution de la composition atmosphérique avec une composition actuelle de 0,03% de \ce{CO2}, de 78% de N2 et de 21% d' \ce{O2}.
- La composition de l'atmosphère initiale était majoritairement faite de vapeur d'eau et de \ce{CO2} .
- L'atmosphère a évolué dès - 3,5 milliards d'années avec une diminution de l'eau et du \ce{CO2}, à la faveur de l' \ce{O2} et du \ce{N2}.
- On trouve des traces de l'oxydation de la Terre comme les dépôts de fer rubané ou les dépôts d'uraninite. Le dioxygène est produit par la photosynthèse d'organismes comme les cyanobactéries.