Évolution de l'Atmosphère Terrestre, Ozone et Cycle du Carbone

Introduction : Formation de la Terre et ses Enveloppes Fluides

La Terre s’est formée il y a environ 4,6 Ga (milliards d’années), presque en même temps que le Soleil et les autres planètes du Système solaire. Elle possède deux enveloppes fluides externes : l’atmosphère, composée de gaz, et l’hydrosphère, composée d’eau liquide.

1. L'atmosphère primitive : une composition réductrice

• Il y a environ 4,6 milliards d’années, l’atmosphère primitive était composée d’eau ($ ext{H}_2 ext{O}$), de dioxyde de carbone ($ ext{CO}_2$) et de diazote ($ ext{N}_2$). Elle était dépourvue de dioxygène ($ ext{O}_2$) : on parle alors d’atmosphère réductrice.
• Le refroidissement de la surface de la Terre primitive a conduit à la liquéfaction de la vapeur d’eau présente dans l’atmosphère initiale. L’hydrosphère s’est alors formée, dès 4,4 Ga.

2. L'évolution conjointe de l'atmosphère terrestre et de la vie

• Une fois l’hydrosphère formée, la vie s’y est développée. Les premières traces de vie sont datées d’il y a au moins 3,5 milliards d’années : il s’agit des stromatolites, produits par des cyanobactéries.
• Par leur métabolisme photosynthétique, les cyanobactéries ont produit du dioxygène ($ ext{O}_2$) dans les océans. Celui-ci a oxydé des espèces chimiques réduites, dont le $ ext{Fe}^{2+}$. Le fer oxydé ainsi produit a précipité et formé des fers rubanés.
• Lorsque tout le fer océanique a été oxydé, le dioxygène a diffusé dans l’atmosphère et s’y est accumulé à partir de 2,4 Ga : l’atmosphère est passée de réductrice (sans $ ext{O}_2$) à oxydante (avec $ ext{O}_2$).
• La concentration atmosphérique actuelle de dioxygène a été atteinte il y a environ 500 millions d’années.

Composition et flux de l'atmosphère actuelle

L’atmosphère actuelle est composée d’environ :

• 78% de diazote ($ ext{N}_2$)
• 21% de dioxygène ($ ext{O}_2$)

Elle contient également des traces d’autres gaz, dont l’eau ($ ext{H}_2 ext{O}$), le dioxyde de carbone ($ ext{CO}_2$), le méthane ($ ext{CH}_4$) et le protoxyde d’azote ($ ext{N}_2 ext{O}$).

Flux actuels de dioxygène atmosphérique

• Source principale : La photosynthèse constitue la principale source de dioxygène atmosphérique.
• Principaux puits : La respiration et la combustion de biomasse sont les principaux puits de dioxygène atmosphérique.

3. La couche d'ozone ($ ext{O}_3$) et la protection du vivant

Sous l’effet du rayonnement ultraviolet (UV) solaire, le dioxygène stratosphérique ($ ext{O}_2$) peut se dissocier. Les atomes d’oxygène libérés se recombinent avec d’autres molécules d’$ ext{O}_2}$, ce qui aboutit à la formation d’ozone ($ ext{O}_3$).

• Cette transformation chimique est à l’origine de la formation d’une couche permanente d’ozone, dont la concentration maximale se situe à une altitude d’environ 30 km dans la stratosphère.
• La couche d’ozone absorbe une partie du rayonnement UV solaire.
• Étant donné que les UV entraînent des mutations dans l’ADN, la couche d’ozone protège les êtres vivants des effets mutagènes du rayonnement UV solaire.

4. Le cycle géochimique du carbone sur Terre

Le carbone est stocké sous différentes formes dans plusieurs réservoirs superficiels :

• L’atmosphère
• Les sols
• Les océans
• La biosphère
• Les roches

L’ensemble des échanges (appelés flux) de carbone entre ces réservoirs constitue le cycle du carbone. Ces flux sont quantifiés en tonnes/an.

Impact humain sur l'équilibre du cycle du carbone

Les quantités de carbone dans les différents réservoirs sont constantes lorsque les flux sont équilibrés. Naturellement équilibrés, ces flux sont aujourd'hui perturbés par les activités humaines qui rejettent du $ ext{CO}_2$ dans l’atmosphère en raison de l’utilisation de combustibles fossiles (pétrole, charbon et gaz).

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