L'atmosphère terrestre et la vie

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1.1 Introduction : d'où vient l'air que nous respirons ?

Respirez. Vous venez d'inspirer environ un demi-litre d'un mélange gazeux dont un cinquième est du dioxygène. Ce geste vous semble aller de soi ; il est pourtant, à l'échelle de l'histoire de la Terre, une nouveauté récente et une anomalie. Pendant plus de la moitié de l'existence de notre planète, un être vivant comme vous n'aurait pas tenu une minute : il n'y avait pas de dioxygène dans l'air. Et si l'on remonte plus loin encore, jusqu'aux premiers instants, l'atmosphère terrestre était un enfer de vapeur d'eau et de dioxyde de carbone sous une pression de plusieurs dizaines de bars.

Entre cet enfer et votre respiration, il s'est passé quelque chose que ce chapitre a pour objet d'expliquer. Deux évènements, en réalité, et le second n'aurait pas eu lieu sans le premier.

L'eau s'est condensée. La Terre s'est refroidie assez pour que la vapeur d'eau de son atmosphère devienne liquide. Il en est sorti les océans — et, dans ces océans, la vie.
La vie a modifié l'atmosphère. Des bactéries microscopiques ont inventé un métabolisme qui rejette un déchet : le dioxygène. En deux milliards d'années, ce déchet a rempli l'atmosphère, changé la chimie de la planète, fabriqué une couche d'ozone protectrice — et permis l'apparition de tout ce qui vit à l'air libre aujourd'hui, vous compris.

Il y a donc, entre l'atmosphère et la biosphère, une boucle : l'atmosphère a rendu la vie possible, puis la vie a refait l'atmosphère. C'est cette boucle qu'il faut comprendre.

Mais une question, plus difficile, se pose immédiatement : comment sait-on tout cela ? Personne n'a prélevé un échantillon d'air il y a trois milliards d'années. Aucune mesure directe n'existe au-delà de quelques centaines de milliers d'années — et encore, seulement grâce aux bulles d'air piégées dans les glaces polaires. Pour tout le reste, les scientifiques n'ont que des indices : des minéraux, des isotopes, des roches. Ils les lisent comme on lit une archive. Distinguer ce qui est mesuré, ce qui est reconstitué et ce qui est encore débattu : c'est l'exercice principal de ce chapitre.

iRemarqueUne notation, et un ordre de grandeur

Les durées dont il sera question ici se comptent en milliards d'années. On écrira couramment $4, 6 G a$ (giga-années, soit $4, 6 \times 1 0^{9}$ ans) et $540 M a$ (méga-années, soit $540 \times 1 0^{6}$ ans). Pour donner l'échelle : si l'histoire de la Terre tenait en une journée de $24$ heures, la vie apparaîtrait vers $4$ heures du matin, le dioxygène envahirait l'atmosphère vers midi, les premiers animaux à coquille surgiraient à $21$ h, et toute l'histoire humaine tiendrait dans les deux dernières secondes.
$\leftrightarrow$ Ordres de grandeur, puissances de $10$ .

1.2 De quoi l'atmosphère est-elle faite, et depuis quand ?

1.2.1 L'air d'aujourd'hui

Commençons par ce que l'on mesure — c'est-à-dire par le seul point de cette histoire dont nous ayons une connaissance directe et précise.

Proposition 1.1La composition de l'atmosphère, hier et aujourd'hui

Il y a environ $4, 6$ milliards d'années, l'atmosphère primitive était composée de $N X_{2}$ , $CO X_{2}$ et $H X_{2} O$ . Sa composition actuelle est d'environ $78 %$ de $N X_{2}$ et $21 %$ de $O X_{2}$ , avec des traces d'autres gaz (dont $H X_{2} O$ , $CO X_{2}$ , $CH X_{4}$ , $N X_{2} O$ ).

Deux listes séparées par quatre milliards et demi d'années. La première ne contient pas de dioxygène ; la seconde en est pleine. Tout le chapitre tient dans cet écart.

Voici le détail de l'air sec actuel, en proportion du nombre de molécules :

Gaz	Proportion
diazote $N X_{2}$	$78, 1 %$	inerte, réservoir principal
dioxygène $O X_{2}$	$20, 9 %$	produit par la photosynthèse
argon $Ar$	$0, 93 %$	gaz noble, issu de la radioactivité du potassium
dioxyde de carbone $CO X_{2}$	$\approx 420 pp m$	soit $0, 042 %$
néon, hélium, krypton	quelques ppm	gaz nobles
méthane $CH X_{4}$	$\approx 1, 9 pp m$
protoxyde d'azote $N X_{2} O$	$\approx 0, 34 pp m$

À quoi il faut ajouter la vapeur d'eau, que l'on ne fait pas figurer dans ce tableau parce que sa proportion n'est pas fixe : de presque zéro au-dessus des déserts froids à près de $4 %$ sous les tropiques humides. C'est le seul constituant de l'air dont la teneur varie d'un jour à l'autre et d'un lieu à l'autre — et ce n'est pas un détail, comme on le verra au chapitre suivant.

Définition 1.2Partie par million (ppm)

Une partie par million est un millionième : $1 pp m = 1 0^{- 6} = 0, 0001 %$ . On l'emploie pour les gaz très minoritaires, où le pourcentage donnerait des nombres illisibles. Ainsi $420 pp m$ de $CO X_{2}$ signifie : sur un million de molécules d'air, $420$ sont du dioxyde de carbone.
$\leftrightarrow$ Pourcentages, puissances de $10$ .

iRemarqueMinoritaire ne veut pas dire négligeable

Le dioxyde de carbone représente quatre molécules sur dix mille. On serait tenté d'en conclure qu'il ne compte pas. Ce serait une erreur de raisonnement grave : ce qui fait l'importance d'un gaz, ce n'est pas seulement son abondance, c'est le produit de son abondance par son efficacité dans le phénomène considéré. Le $CO X_{2}$ absorbe très fortement l'infrarouge ; sa faible teneur suffit à modifier la température de la planète. Le raisonnement — abondance $\times$ efficacité — servira encore au chapitre $2$ pour comparer les gaz à effet de serre, et dans cette section pour l'ozone, dont la teneur ne dépasse jamais $10 pp m$ et qui protège pourtant toute la biosphère.

1.2.2 L'atmosphère primitive : un monde sans dioxygène

Il y a $4, 6$ milliards d'années, la Terre achève de se former par accrétion de poussières et de planétésimaux. Sa surface est en fusion. L'atmosphère qu'elle possède alors n'a rien à voir avec l'actuelle : elle provient du dégazage du magma — les gaz dissous dans les roches fondues s'échappent par le volcanisme — et elle contient essentiellement de la vapeur d'eau $H X_{2} O$ , du dioxyde de carbone $CO X_{2}$ et du diazote $N X_{2}$ , avec du dioxyde de soufre et des traces d'autres composés.

Aucun dioxygène. C'est le point capital, et il n'a rien d'arbitraire : le dioxygène est une molécule très réactive, qui ne peut pas s'accumuler dans un milieu contenant du fer réduit, du soufre réduit et du méthane. Elle serait consommée immédiatement. Pour qu'il y ait du dioxygène libre dans une atmosphère, il faut qu'un mécanisme en produise en permanence, plus vite qu'il n'est détruit. Sur Terre, ce mécanisme sera la photosynthèse. Ailleurs dans le système solaire, il n'existe pas : ni Vénus, ni Mars, ni Titan n'ont d'oxygène libre en quantité notable.

Évolution reconstituée de la pression partielle des principaux gaz

atmosphériques depuis la formation de la Terre. L'échelle verticale est logarithmique : chaque graduation correspond à un facteur $100$ . Trois histoires très différentes s'y lisent — le diazote ne bouge presque pas, la vapeur d'eau s'effondre en quelques dizaines de millions d'années, le dioxyde de carbone décroît lentement pendant quatre milliards d'années, et le dioxygène surgit brutalement. Attention : ces courbes sont des reconstitutions. Les ordres de grandeur et la chronologie sont établis, les valeurs exactes restent discutées.</div>

Méthode : Analyser des données d'évolution de la composition de
l'atmosphère au cours des temps géologiques</h4><div class="text-gray-700 leading-relaxed font-sans text-xs select-text"> Devant un graphique comme celui ci-dessus, procéder dans cet ordre.

Lire les deux axes avant les courbes. Quel est le sens du temps ? Ici il va de gauche (le passé lointain) à droite (le présent), ce qui est l'usage en géologie mais l'inverse d'un graphique ordinaire.
Repérer si l'échelle est logarithmique. Si les graduations sont $1 0^{- 6}$ , $1 0^{- 4}$ , $1 0^{- 2}$ , $1$ , $100$ , elle l'est. Une même hauteur ne représente alors plus une même différence, mais un même facteur. Une courbe qui monte d'une graduation a été multipliée par $100$ .
Décrire chaque courbe séparément : croissante, décroissante, stable ; brutale ou lente. Donner la valeur de départ, la valeur d'arrivée et le facteur entre les deux.
Situer les évènements. Une variation brutale correspond presque toujours à un évènement identifié : ici, la condensation des océans et la Grande Oxydation.
Se demander d'où viennent les données. Mesure directe ? Reconstitution à partir d'indices ? Modèle ? Sur ce graphique, tout est reconstitué sauf l'extrémité droite.
Conclure par une phrase quantifiée, du type : « la pression partielle de $CO X_{2}$ a été divisée par environ $1 0^{5}$ en quatre milliards d'années ».

$\leftrightarrow$ Lectures graphiques, organisation et exploitation de données, ordres de grandeur et puissances de $10$ .

Exemple 1.3Lire le graphique ci-dessus

Le diazote. Sa pression partielle passe d'environ $0, 5 ba r$ à $0, 79 ba r$ : elle est multipliée par $1, 6$ en $4, 6$ milliards d'années. Sur une échelle logarithmique, c'est une droite presque horizontale. Pourquoi ? Parce que $N X_{2}$ est chimiquement très inerte : la triple liaison $N \equiv N$ est l'une des plus solides de la chimie. Le diazote ne réagit ni avec les roches, ni avec l'eau. Il s'accumule et il reste. C'est d'ailleurs pour cela qu'il est aujourd'hui majoritaire : non parce qu'il y en a beaucoup, mais parce que tous les autres sont partis.

Le dioxyde de carbone. Il passe de plusieurs dizaines de bars à $4 \times 1 0^{- 4}$ bar, soit une division par environ $1 0^{5}$ . Où est-il passé ? Dissous dans les océans, puis précipité sous forme de carbonates — les calcaires. Le carbone de l'atmosphère primitive est aujourd'hui dans les falaises d'Étretat et dans les Alpes.

1.3 L'eau liquide : la condition qui a tout permis

1.3.1 La grande condensation

Proposition 1.4Du refroidissement à l'hydrosphère

Le refroidissement de la surface de la Terre primitive a conduit à la liquéfaction très rapide (à l'échelle des temps géologiques) de la vapeur d'eau présente dans l'atmosphère initiale. Dans l'hydrosphère ainsi formée s'est développée la vie.

Le scénario est le suivant. La surface de la Terre, d'abord fondue, rayonne son énergie vers l'espace et refroidit. Lorsque sa température passe sous une valeur critique, la vapeur d'eau atmosphérique ne peut plus rester à l'état gazeux : elle se condense. Il pleut. Il pleut, selon les estimations, pendant des milliers à des dizaines de milliers d'années, et cette pluie remplit les creux de la croûte : l'hydrosphère est née.

L'expression « très rapide à l'échelle des temps géologiques » du programme mérite qu'on s'y arrête : elle veut dire quelques dizaines de milliers ou quelques millions d'années — une éternité à l'échelle humaine, un clin d'œil à l'échelle de la Terre. C'est le genre de renversement d'échelle qu'il faut apprendre à manier dans ce chapitre.

Exemple 1.5Comment sait-on que l'eau liquide est si ancienne ?

Les roches de cette époque ont presque toutes été détruites par la tectonique. Il subsiste pourtant des grains minéraux extrêmement résistants : les zircons. Ceux des Jack Hills, en Australie occidentale, ont été datés jusqu'à $4, 4$ milliards d'années — ils sont plus vieux que la plus vieille roche connue. Or la composition isotopique de leur oxygène indique qu'ils se sont formés au contact d'eau liquide à basse température (résultat publié dans Nature en $2001$ ). L'océan aurait donc existé moins de $200$ millions d'années après la formation de la Terre. Ce résultat est solide, mais son interprétation reste discutée : c'est un exemple de savoir scientifique en cours de consolidation, et non d'une certitude figée.

1.3.2 Le diagramme d'état de l'eau

Pourquoi l'eau est-elle liquide sur Terre, solide sur Mars et absente sous forme liquide sur Vénus ? La réponse ne tient pas à la nature de l'eau, qui est la même partout, mais à deux grandeurs : la température et la pression. Un diagramme les met en relation.

Définition 1.6Diagramme d'état

Le diagramme d'état (ou diagramme de phases) d'un corps pur est le graphique qui donne, pour chaque couple (température, pression), l'état physique — solide, liquide ou gazeux — dans lequel ce corps se trouve à l'équilibre. Les trois domaines sont séparés par des courbes de changement d'état : sur ces courbes, deux états coexistent.

Définition 1.7Point triple, point critique

Le point triple est l'unique couple (température, pression) où les trois états coexistent. Pour l'eau : $0, 01° C$ et $611 Pa$ (soit $6, 1 mba r$ ). Le point critique est l'extrémité de la courbe de vaporisation : au-delà ( $374° C$ et $221 ba r$ pour l'eau), la distinction entre liquide et gaz disparaît, on parle de fluide supercritique.

Diagramme d'état de l'eau, en échelle logarithmique de pression. Les

points orange situent quelques conditions réelles. La Terre est le seul des trois corps représentés dont les conditions moyennes de surface tombent dans le domaine liquide ; Mars est trop froide et sa pression trop basse, Vénus trop chaude. Le sommet de l'Everest et l'autocuiseur sont placés sur la courbe de vaporisation : ils donnent la température d'ébullition à leur pression.</div>

Méthode : Déterminer l'état physique de l'eau à partir du diagramme
d'état</h4><div class="text-gray-700 leading-relaxed font-sans text-xs select-text"> On donne une température $T$ et une pression $P$ ; on cherche l'état de l'eau.

Vérifier les unités. La pression peut être donnée en pascals, en bars ( $1 ba r = 1 0^{5}$ Pa), en hectopascals ( $1 h P a = 100 Pa$ ), en millibars ( $1 mba r = 1 h P a$ ) ou en atmosphères ( $1 a t m = 1013 h P a$ ). Convertir dans l'unité de l'axe avant toute chose.
Placer le point figuratif : abscisse $T$ , ordonnée $P$ . Sur une échelle logarithmique, ne pas interpoler linéairement entre deux graduations.
Lire le domaine dans lequel tombe le point : solide, liquide ou vapeur.
Cas particulier : le point est sur une courbe. Les deux états de part et d'autre coexistent ; c'est un changement d'état en cours (fusion, vaporisation ou sublimation).
Interpréter physiquement. Un déplacement horizontal vers la droite est un chauffage ; un déplacement vertical vers le bas, une dépressurisation. Une même eau peut bouillir sans être chauffée, simplement parce qu'on abaisse la pression : c'est ce qui se produit en altitude.

$\leftrightarrow$ Lectures graphiques, conversion d'unités.

Exemple 1.8Trois lectures

Sur Mars ( $- 63^{\circ}$ C en moyenne, $610 Pa$ ) : le point tombe dans le domaine solide. L'eau martienne est de la glace, et elle se sublime directement en vapeur lorsqu'elle est chauffée — sans passer par le liquide. On remarquera que la pression moyenne de Mars est presque exactement celle du point triple : de l'eau liquide n'y est possible que dans les rares lieux et instants où la température dépasse $0^{\circ}$ C et où la pression locale dépasse $611 Pa$ .

Au sommet de l'Everest ( $8849 m$ , pression environ $33 k P a$ ) : la courbe de vaporisation croise cette pression vers $70^{\circ}$ C. L'eau y bout à $70^{\circ}$ C. On ne peut pas y cuire un œuf convenablement — un fait bien connu des alpinistes, et une conséquence directe du diagramme.

Dans un autocuiseur ( $2 ba r$ ) : l'eau bout vers $120^{\circ}$ C. La cuisson est plus rapide non parce que l'eau bout plus vite, mais parce qu'elle est plus chaude.

iRemarqueUne bizarrerie de l'eau, visible sur le diagramme

La courbe de fusion de l'eau (entre solide et liquide) penche très légèrement vers la gauche : augmenter la pression abaisse la température de fusion. C'est exceptionnel — pour presque tous les corps purs, cette courbe penche vers la droite. La raison est que la glace est moins dense que l'eau liquide, propriété rarissime à laquelle nous devons que les glaçons flottent, que les lacs gèlent en surface et non en profondeur, et que la vie aquatique survive à l'hiver. On y reviendra au chapitre $2$ , à propos des glaces de mer.

iRemarqueChercher de l'eau ailleurs

La recherche d'eau liquide guide l'exploration du système solaire, précisément parce qu'elle est tenue pour une condition nécessaire à la vie telle que nous la connaissons. On sait aujourd'hui qu'il existe de la glace d'eau sur Mars (calottes polaires, sous-sol), sur la Lune (cratères polaires en ombre permanente), sur de nombreux astéroïdes et comètes ; et l'on soupçonne des océans liquides sous la croûte glacée d'Europe (satellite de Jupiter) et d'Encelade (satellite de Saturne), où la sonde Cassini a détecté en $2005$ des geysers de vapeur d'eau. La mission européenne JUICE, lancée le $14$ avril $2023$ , doit atteindre le système de Jupiter en $2031$ pour étudier ces mondes.

1.4 La vie transforme l'atmosphère : la Grande Oxydation

1.4.1 Des bactéries qui rejettent un poison

Proposition 1.9Les premières bactéries photosynthétiques et l'oxygénation

Les premières traces de bactéries photosynthétiques sont datées d'il y a au moins $3, 5$ milliards d'années. Par leur métabolisme photosynthétique, ces bactéries ont contribué à l'oxygénation de l'atmosphère terrestre il y a $2, 4$ milliards d'années. Les interactions entre l'atmosphère et la biosphère ont contribué à des modifications de la biodiversité.

La photosynthèse dite oxygénique — celle des cyanobactéries, puis des algues et des plantes — s'écrit globalement : $6 CO X_{2} + 6 H X_{2} O lumi e ˋ re C X_{6} H X_{12} O X_{6} + 6 O X_{2}$ La cellule capte de l'énergie lumineuse, l'utilise pour arracher des électrons à l'eau et fabriquer de la matière organique à partir du dioxyde de carbone. Le dioxygène n'est, dans cette affaire, qu'un déchet. Un déchet toxique, même : pour les organismes anaérobies de l'époque, le dioxygène est un poison violent. La première pollution planétaire de l'histoire de la Terre a été produite par des bactéries, et elle a probablement causé la première extinction de masse.

Exemple 1.10Les stromatolites, signature des cyanobactéries

Les traces les plus anciennes attribuées à des bactéries photosynthétiques sont des stromatolites : des structures rocheuses feuilletées, en couches millimétriques, formées par des tapis bactériens qui piègent des sédiments. On en trouve dans la région du Pilbara, en Australie occidentale, dans des formations datées d'environ $3, 5$ milliards d'années. Fait remarquable, il en existe encore aujourd'hui des exemplaires vivants, à Shark Bay (Australie) — ce qui permet de comparer la structure fossile à la structure actuelle et de conforter l'interprétation. Conforter : le débat n'est pas clos, car des processus purement minéraux peuvent produire des feuilletages semblables. Les paléontologues croisent donc plusieurs critères — morphologie, composition isotopique du carbone, contexte sédimentaire — avant de conclure.

Exemple 1.11D'où vient le dioxygène ? Une expérience décisive (

1941

)

L'équation de la photosynthèse fait apparaître de l'oxygène des deux côtés : dans le $CO X_{2}$ et dans l' $H X_{2} O$ . De laquelle des deux molécules provient le dioxygène rejeté ? Pendant des décennies, on a supposé — assez naturellement — qu'il venait du dioxyde de carbone. En $1941$ , Samuel Ruben et Martin Kamen tranchent la question en cultivant des algues dans une eau enrichie en isotope $^{18}$ O, plus lourd que l'oxygène ordinaire. Résultat : le dioxygène dégagé est lui aussi enrichi en $^{18}$ O. Il vient donc de l'eau, et non du dioxyde de carbone.
L'expérience est un modèle de méthode : on ne pouvait pas « suivre » un atome d'oxygène ; on a donc fabriqué un atome marqué, chimiquement identique mais physiquement reconnaissable, et on l'a laissé raconter son parcours.

1.4.2 Comment sait-on que l'oxygénation date de $2, 4$ milliards d'années ?

Voici le cœur méthodologique du chapitre. Aucun instrument n'a mesuré la teneur en dioxygène de l'air archéen. La datation de la Grande Oxydation repose entièrement sur des indices géologiques : des roches et des minéraux dont la formation ou la destruction dépend de la présence de dioxygène. Chacun pris isolément serait fragile ; c'est leur convergence qui fait la solidité du résultat.

Quatre indices géologiques indépendants de l'oxygénation de

l'atmosphère. Deux disparaissent à $- 2, 4$ Ga, un culmine puis s'éteint, un apparaît. Aucun ne prouve à lui seul la date ; leur concordance, oui. C'est le mode de raisonnement caractéristique des sciences historiques de la nature.</div>

Méthode : Mettre en relation la production de dioxygène atmosphérique
et des indices géologiques</h4><div class="text-gray-700 leading-relaxed font-sans text-xs select-text"> Le raisonnement est toujours le même : tel minéral ne peut exister que si le dioxygène est absent (ou présent) ; on le trouve avant (ou après) telle date ; donc le dioxygène est apparu à cette date. En détail :

Identifier la sensibilité chimique de l'indice. Est-il détruit par le dioxygène (uraninite, pyrite) ? formé grâce à lui (oxydes de fer, paléosols rouges) ? conditionné par la couche d'ozone (isotopes du soufre) ?
Repérer sa fenêtre temporelle dans les archives sédimentaires : quand le trouve-t-on, quand ne le trouve-t-on plus ?
Conclure dans le bon sens. Un minéral fragile face au dioxygène qui disparaît des sédiments indique une arrivée du dioxygène ; un minéral oxydé qui apparaît indique la même chose.
Croiser les indices. Un seul indice peut avoir une autre explication (climat, tectonique, biais d'échantillonnage). Quatre indices indépendants qui basculent à la même date, non.
Ne pas surinterpréter. Ces indices datent le moment où le dioxygène devient détectable et persistant, pas le moment où la photosynthèse a commencé. Entre les deux, il s'écoule environ un milliard d'années.

Exemple 1.12Les fers rubanés

Les fers rubanés (banded iron formations) sont des roches sédimentaires alternant des lits rouges d'oxydes de fer et des lits clairs de silice. On les dépose massivement entre $3, 8$ et $1, 8$ milliards d'années, avec un pic autour de la Grande Oxydation. L'interprétation la plus courante : l'océan archéen contenait du fer dissous à l'état d'ion $Fe X^{2 +}$ , soluble ; le dioxygène produit par les cyanobactéries l'a oxydé en $Fe X^{3 +}$ , insoluble, qui a précipité au fond. L'océan a donc servi d'éponge : pendant des centaines de millions d'années, tout le dioxygène produit était consommé par le fer, et rien ne parvenait à l'atmosphère. Ce n'est qu'une fois l'éponge saturée que le dioxygène a pu s'accumuler dans l'air.

Les fers rubanés constituent aujourd'hui les principales réserves de fer exploitées dans le monde. L'acier de votre bicyclette a été déposé par des bactéries il y a deux milliards et demi d'années.

Exemple 1.13La signature isotopique du soufre : l'indice le plus fin

Le soufre possède quatre isotopes stables. Dans les réactions chimiques ordinaires, leurs proportions varient d'une manière prévisible, proportionnelle à leurs différences de masse. Or, dans les sédiments antérieurs à $2, 45$ milliards d'années, on observe des écarts qui ne suivent pas cette règle : un fractionnement indépendant de la masse, noté $Δ^{33}$ S. Le seul mécanisme connu qui le produise est la photochimie du dioxyde de soufre sous un rayonnement ultraviolet intense — donc en l'absence de couche d'ozone. Cette signature s'éteint brutalement vers $2, 45$ milliards d'années. Publié en $2000$ , ce résultat est devenu le principal marqueur chronologique de la Grande Oxydation : il date non pas l'apparition du dioxygène, mais celle de son sous-produit, l'ozone stratosphérique.

1.4.3 Dioxygène et biodiversité : une histoire commune

Teneur reconstituée de l'atmosphère en dioxygène. La bande claire

indique l'incertitude : elle s'étend sur plusieurs ordres de grandeur pour les périodes anciennes et se resserre vers le présent. Les deux grandes marches — $- 2, 4$ Ga et $- 0, 6$ Ga — encadrent une longue période de stagnation. Chaque marche est suivie d'un renouvellement majeur de la biodiversité.</div>

Méthode : Suivre la teneur en dioxygène et la relier à la biodiversité

Lire la courbe par paliers, pas point par point. Ce qui compte, ce sont les deux marches et les plateaux entre elles.
Traduire chaque marche en facteur. De $- 2, 4$ à $- 2, 3$ Ga : la teneur passe d'environ $1 0^{- 4} %$ à environ $0, 5 %$ , soit une multiplication par plus de $1000$ .
Prendre l'incertitude au sérieux. Une enveloppe large de deux ordres de grandeur interdit toute lecture précise. Dire « environ un pour cent » est honnête ; dire « $0, 8 %$ » ne l'est pas.
Mettre en regard les évènements biologiques : quelles formes de vie sont possibles à chaque niveau ?
Chercher le mécanisme, pas seulement la coïncidence. Deux courbes qui montent ensemble ne prouvent rien tant qu'on n'a pas dit pourquoi l'une agit sur l'autre. Ici, le mécanisme est connu : la respiration aérobie fournit environ $15$ fois plus d'énergie par molécule de glucose que la fermentation, et le collagène des animaux ne peut se synthétiser sans dioxygène.

$\leftrightarrow$ Lectures graphiques, corrélation et causalité.

Exemple 1.14Trois conséquences biologiques de la montée du dioxygène

Une extinction. L'arrivée du dioxygène a probablement éliminé une grande partie des micro-organismes anaérobies, réfugiés depuis dans les milieux privés d'air : sédiments profonds, marais, tube digestif des animaux. Ils n'ont pas disparu — ils se sont cachés.

Une invention. La respiration aérobie, apparue en réponse au poison, utilise le dioxygène comme accepteur final d'électrons. Elle libère beaucoup plus d'énergie que la fermentation. C'est cette énergie abondante qui rend possible les organismes complexes, mobiles, à grande taille.

Un plafond. Au Carbonifère (il y a environ $300$ millions d'années), la teneur en dioxygène atteint son maximum, estimé autour de $35 %$ . C'est l'époque des insectes géants : la libellule fossile Meganeura atteignait $70 c m$ d'envergure. Les insectes respirent par des trachées, tubes qui conduisent l'air passivement jusqu'aux tissus ; la longueur de ces tubes limite leur taille, et cette limite recule quand l'air est plus riche en dioxygène. L'hypothèse est séduisante et largement admise ; elle n'est pas la seule proposée, d'autres invoquant l'absence de prédateurs volants.

1.5 Les sources et les puits de dioxygène aujourd'hui

Proposition 1.15Le bilan actuel du dioxygène atmosphérique

Les sources et puits de dioxygène atmosphérique sont aujourd'hui essentiellement liés aux êtres vivants (photosynthèse et respiration) et aux combustions.

Définition 1.16Source, puits, réservoir

Un réservoir est un compartiment où une substance s'accumule (ici, l'atmosphère). Une source est un flux qui l'alimente ; un puits est un flux qui le vide. Le réservoir est à l'équilibre lorsque la somme des sources égale la somme des puits ; sa quantité varie sinon. Ce vocabulaire servira aussi au chapitre $6$ pour le carbone.

Le bilan du dioxygène atmosphérique. Les deux flux biologiques,

énormes et opposés, se compensent à moins d'un pour cent près ; c'est leur différence, minuscule, qui a construit le réservoir en deux milliards d'années. Les combustions humaines ajoutent un puits dix fois plus faible que la respiration.</div>

iRemarqueVa-t-on manquer de dioxygène ?

La question revient régulièrement, et elle se tranche par un calcul d'ordre de grandeur. Le réservoir atmosphérique contient environ $1, 2 \times 1 0^{18} k g$ de dioxygène, soit $1, 2$ million de gigatonnes. Les combustions en consomment de l'ordre de $27$ gigatonnes par an. Le rapport vaut $\frac{27}{1 , 2 \times 1 0 ^{6}} \approx 2 \times 1 0^{- 5},$ soit deux centièmes de pour mille par an. En un siècle, à ce rythme, la teneur en dioxygène de l'air baisserait de $0, 2 %$ — de $20, 95 %$ à $20, 91 %$ . Personne ne s'en apercevrait en respirant. La combustion des énergies fossiles ne pose pas un problème de manque de dioxygène ; elle pose un problème d'excès de dioxyde de carbone, parce que le réservoir de $CO X_{2}$ est, lui, cinq cents fois plus petit. Une même réaction chimique, deux réservoirs de tailles très différentes, deux conclusions opposées : c'est exactement le genre de raisonnement quantitatif que l'esprit critique exige.

1.6 L'ozone stratosphérique : un bouclier fabriqué par la vie

1.6.1 Comment se forme l'ozone

Proposition 1.17Formation et rôle de l'ozone stratosphérique

Sous l'effet du rayonnement ultraviolet solaire, le dioxygène de la stratosphère peut se dissocier, engageant une transformation chimique qui aboutit à la formation d'ozone. Cet ozone stratosphérique absorbe une partie du rayonnement ultraviolet solaire et protège les êtres vivants de ses effets mutagènes.

Définition 1.18Ozone

L'ozone est le corps de formule $O X_{3}$ : une molécule à trois atomes d'oxygène, instable, très réactive. C'est une variété allotropique de l'oxygène — même élément, molécule différente. Il ne faut pas la confondre avec le dioxygène $O X_{2}$ , qui est le gaz respirable.

À gauche, la répartition verticale de l'ozone : elle culmine

vers $22 k m$ , dans la stratosphère. À droite, le cycle de réactions proposé par Sydney Chapman en $1930$ . L'ozone est sans cesse détruit et sans cesse reformé ; ce qui compte n'est pas une molécule particulière mais l'équilibre du cycle — et le fait que ce cycle consomme de l'ultraviolet à deux de ses quatre étapes.</div>

Trois remarques sur ce cycle.

L'ozone est un produit du dioxygène.

Sans photosynthèse, pas de $O X_{2}$ ; sans $O X_{2}$ , pas d' $O X_{3}$ ; sans $O X_{3}$ , pas de bouclier. La protection dont bénéficient aujourd'hui tous les organismes terrestres a donc été fabriquée par la vie elle-même, et il a fallu attendre que la teneur en dioxygène soit suffisante. Ce n'est sans doute pas un hasard si la conquête des continents par les végétaux et les animaux date d'environ $450$ millions d'années, bien après la seconde marche d'oxygénation. Avant cela, l'eau constituait le seul écran efficace contre les ultraviolets.

Il y en a très peu.

L'ozone ne représente jamais plus de quelques parties par million de l'air stratosphérique. Ramené aux conditions de température et de pression du niveau de la mer, tout l'ozone de l'atmosphère formerait autour de la Terre une pellicule de $3 mm$ d'épaisseur. Trois millimètres entre la biosphère et un rayonnement mutagène.

Le mot « couche » est trompeur.

On dit « couche d'ozone » comme s'il existait une strate distincte, un film. En réalité, l'ozone est dilué dans l'air stratosphérique ; il n'y a pas de frontière, seulement un maximum de concentration. Nous verrons plus loin que le mot « trou » est encore plus trompeur.

Définition 1.19Unité Dobson

L'unité Dobson (DU) mesure la quantité totale d'ozone présente dans une colonne verticale d'atmosphère. Par définition, $1 D U$ correspond à une épaisseur de $0, 01 mm$ d'ozone pur, ramené à $0^{\circ}$ C et $1013 h P a$ . La valeur moyenne au-dessus du globe est d'environ $300 D U$ , soit les trois millimètres évoqués plus haut. Cette unité rend hommage à Gordon Dobson, qui mit au point dans les années $1920$ le spectrophotomètre permettant de mesurer l'ozone depuis le sol, en comparant l'intensité solaire à deux longueurs d'onde ultraviolettes voisines, l'une absorbée par l'ozone et l'autre non.

1.6.2 Pourquoi les ultraviolets sont dangereux, et lesquels

Définition 1.20Les trois domaines de l'ultraviolet

Le rayonnement ultraviolet est un rayonnement électromagnétique de longueur d'onde inférieure à celle de la lumière visible. On le divise en trois domaines :

UV-A : de $315$ à $400 nm$ , les moins énergétiques ;
UV-B : de $280$ à $315 nm$ ;
UV-C : de $100$ à $280 nm$ , les plus énergétiques.

Plus la longueur d'onde est courte, plus l'énergie transportée par chaque photon est grande, et plus le rayonnement est susceptible de casser des liaisons chimiques.

Le danger biologique tient à un fait précis : les bases azotées de l'ADN absorbent l'ultraviolet, avec un maximum vers $260 nm$ . Un photon absorbé peut provoquer une réaction entre deux bases voisines de la chaîne — la formation d'un dimère de thymine — qui déforme la molécule et perturbe sa lecture. La cellule dispose de systèmes de réparation, mais ils ne sont pas infaillibles : les lésions non réparées deviennent des mutations, et certaines mutations conduisent au cancer. C'est en ce sens que le programme parle d'effets mutagènes.

En haut, les spectres d'absorption de l'ozone (trait plein) et de

l'ADN (tirets) dans l'ultraviolet : les deux maximums, à $255$ et $260 nm$ , sont pratiquement confondus. En bas, l'éclairement solaire hors atmosphère et au niveau du sol : tout ce qui est plus court que $290 nm$ a disparu. L'ozone absorbe exactement là où l'ADN est vulnérable.</div>

Méthode : Mettre en relation les spectres d'absorption de l'ozone et de
l'ADN</h4><div class="text-gray-700 leading-relaxed font-sans text-xs select-text">

Repérer le maximum de chaque courbe et lire sa longueur d'onde. Ozone : $255 nm$ . ADN : $260 nm$ .
Comparer les positions. Deux maximums voisins signifient que les deux espèces absorbent le même rayonnement.
Comparer les largeurs. Ici, les deux bandes se recouvrent presque entièrement entre $240$ et $300 nm$ .
Conclure sur la protection, en distinguant les trois domaines : les UV-C, totalement absorbés par l'ozone (et par le dioxygène au-dessous de $242 nm$ ), n'atteignent jamais le sol ; les UV-B sont partiellement absorbés, et c'est là que se joue la protection ; les UV-A passent presque intégralement, l'ozone ne les absorbant pratiquement pas.
Ne pas confondre « absorbé par l'ozone » et « inoffensif ». Les UV-A traversent l'atmosphère et pénètrent profondément dans la peau : ils vieillissent le derme et participent au risque de cancer, sans que la couche d'ozone y puisse rien. La crème solaire, elle, y peut quelque chose.

$\leftrightarrow$ Lectures graphiques.

Exemple 1.21Ce qui change quand la colonne d'ozone diminue

La relation entre colonne d'ozone et ultraviolet reçu au sol n'est pas proportionnelle : c'est une atténuation exponentielle. En pratique, les mesures et les modèles concordent sur un ordre de grandeur simple et souvent cité : une diminution de $1 %$ de la colonne d'ozone accroît d'environ $1$ à $2 %$ le rayonnement UV-B reçu au sol. Une baisse de $10 %$ de l'ozone n'est donc pas une petite affaire : elle augmente d'environ $15 %$ la dose d'UV-B, avec les conséquences sanitaires (cancers cutanés, cataractes) et écologiques (dommages au phytoplancton, aux cultures) que cela suppose.

iRemarqueDeux ozones à ne pas confondre

L'ozone stratosphérique, entre $15 k m$ et $40 k m$ , est le bouclier protecteur. L'ozone troposphérique, celui que l'on respire, est un polluant : il se forme près du sol par réaction photochimique entre oxydes d'azote et composés organiques volatils issus des transports et de l'industrie ; il irrite les voies respiratoires et endommage les végétaux. « Bon ozone » en haut, « mauvais ozone » en bas — le même corps chimique, deux rôles opposés selon l'altitude. Cette distinction est reprise et approfondie au chapitre $6$ .

1.7 Histoire des sciences : le « trou » dans la couche d'ozone

1.7.1 Trois moments

$1930$ — Chapman explique. Le géophysicien britannique Sydney Chapman propose le cycle de réactions qui porte son nom. Il ne s'agit pas d'une observation mais d'une théorie : Chapman cherche à rendre compte du fait, déjà mesuré, que l'atmosphère arrête les ultraviolets courts. Le modèle prédit correctement où se trouve l'ozone (dans la stratosphère) mais surestime sa quantité : il faudra des décennies pour identifier les cycles catalytiques naturels — impliquant les oxydes d'azote, l'hydrogène, le chlore — qui en détruisent une partie. Paul Crutzen publie en $1970$ le rôle des oxydes d'azote : c'est la première fois qu'on démontre qu'une trace de gaz peut contrôler l'ozone stratosphérique.

$1974$ — Molina et Rowland alertent. Mario Molina et Frank Sherwood Rowland, à l'université de Californie à Irvine, publient dans Nature un article de raisonnement pur. Ils partent d'un fait : les chlorofluorocarbures (CFC), gaz industriels utilisés dans les réfrigérateurs et les bombes aérosols, sont si stables que rien ne les détruit dans la troposphère. Ils en tirent une conséquence : ces molécules montent donc jusqu'à la stratosphère, où l'ultraviolet finit par les casser et libérer des atomes de chlore. Or un atome de chlore détruit l'ozone par un cycle catalytique : $Cl + O X_{3} ⟶ ClO + O X_{2} puis ClO + O ⟶ Cl + O X_{2}$ Le chlore ressort intact de la seconde réaction : il peut recommencer. Un seul atome peut ainsi détruire des dizaines de milliers de molécules d'ozone avant d'être neutralisé. L'article ne repose sur aucune mesure atmosphérique nouvelle ; il est une prédiction. L'industrie chimique la conteste vivement.

$1985$ — Farman, Gardiner et Shanklin mesurent. Trois chercheurs du British Antarctic Survey publient dans Nature les mesures effectuées à la station de Halley, en Antarctique, avec un spectrophotomètre de Dobson. Elles montrent que la colonne d'ozone d'octobre, stable autour de $300 D U$ des années $1950$ au milieu des années $1970$ , a chuté d'environ un tiers. L'ampleur du phénomène dépasse tout ce que les modèles prévoyaient.

iRemarqueUne leçon sur le traitement automatique des données

Le satellite américain Nimbus-7 mesurait l'ozone global depuis $1978$ et survolait l'Antarctique. Pourquoi n'a-t-il pas « vu » le trou avant les mesures au sol ? Parce que le programme de traitement des données comportait un filtre écartant les valeurs jugées trop basses pour être physiques : elles étaient signalées comme suspectes. Les données brutes existaient ; personne ne les avait regardées de près, faute de raison de le faire. Une fois l'article de Farman publié, les archives satellitaires furent réexaminées et confirmèrent immédiatement le phénomène — en montrant même son extension sur tout le continent.

La leçon n'est pas qu'il faille se méfier des ordinateurs. Elle est plus subtile et plus utile : tout traitement de données incorpore des hypothèses sur ce qui est possible, et ces hypothèses peuvent aveugler. Une découverte est souvent une valeur aberrante que quelqu'un a décidé de prendre au sérieux.

1.7.2 « Trou » : une expression scientifiquement robuste ?

Le programme invite explicitement à interroger cette expression. Faisons-le.

Ce qui est faux dans le mot.

Un trou est une absence de matière délimitée par des bords. Or il n'y a pas d'absence : au cœur du phénomène, la colonne d'ozone tombe vers $100 D U$ , soit un tiers de la valeur normale, mais elle ne s'annule pas. Il n'y a pas non plus de bords nets : la concentration décroît continûment. Il n'y a pas davantage de permanence : le phénomène est saisonnier, il se creuse en septembre-octobre (le printemps austral) et se referme en novembre-décembre. Enfin, il n'y a pas de « couche » percée, puisqu'il n'y a pas de couche au sens propre.

Ce qui est juste dans le mot.

Sur une carte en fausses couleurs de la colonne d'ozone, la zone appauvrie apparaît bel et bien comme une tache sombre entourée de valeurs normales : l'image évoque un trou. Le mot a été efficace : il a fait comprendre à des gouvernements et à des opinions publiques qu'il fallait agir. Sa force rhétorique a probablement contribué à la rapidité inhabituelle de la décision internationale.

Ce qu'il faut en conclure.

Le vocabulaire scientifique de vulgarisation doit être jugé sur deux critères qui ne coïncident pas toujours : l'exactitude et l'efficacité. « Trou dans la couche d'ozone » est inexact et efficace. La bonne attitude n'est ni de le bannir ni de l'employer sans précaution, mais de savoir ce qu'il recouvre : une diminution saisonnière et localisée de la quantité totale d'ozone au-dessus de l'Antarctique. Les scientifiques emploient d'ailleurs entre eux un critère chiffré : est considérée comme faisant partie du « trou » toute zone où la colonne est inférieure à $220 D U$ .

iRemarquePourquoi l'Antarctique ?

La question mérite d'être posée, car les CFC sont émis dans l'hémisphère nord, pas au pôle Sud. Trois conditions se conjuguent en Antarctique et nulle part ailleurs. D'abord, un vortex polaire — un tourbillon de vents violents qui isole l'air antarctique pendant l'hiver austral. Ensuite, un froid extrême (sous $- 78^{\circ}$ C) qui permet la formation de nuages stratosphériques polaires, des cristaux de glace et d'acide nitrique. Enfin, le retour du Soleil au printemps. À la surface des cristaux se produisent des réactions chimiques impossibles en phase gazeuse, qui convertissent les réserves inertes de chlore en formes actives ; il ne manque plus que la lumière pour déclencher la destruction. Elle arrive en septembre, et l'ozone s'effondre en quelques semaines. Le phénomène existe aussi en Arctique, mais y est bien plus faible et irrégulier, le vortex y étant moins stable et l'air moins froid.

1.7.3 De la mesure à la décision : un précédent

Du savoir à la décision, et retour. Deux ans seulement séparent la

publication de Farman de la signature du Protocole de Montréal — une rapidité sans équivalent en matière d'environnement. La date de $2066$ n'est pas une décision mais une projection scientifique, issue de l'évaluation de l'OMM et du PNUE publiée en $2023$ .</div>

La Convention de Vienne pour la protection de la couche d'ozone est adoptée le $22$ mars $1985$ — quelques semaines avant la publication de Farman. Elle ne fixe aucune obligation chiffrée : c'est un cadre. Le Protocole de Montréal, adopté le $16$ septembre $1987$ et entré en vigueur le $1 < s u p > er < / s u p >$ janvier $1989$ , impose lui un calendrier contraignant de réduction puis d'élimination des CFC. Il a depuis été renforcé plusieurs fois et compte $197$ parties : c'est le premier traité de l'histoire des Nations unies à avoir été ratifié par tous les États du monde. L'amendement de Kigali, adopté le $15$ octobre $2016$ , l'étend aux hydrofluorocarbures (HFC) — les gaz qui avaient remplacé les CFC, inoffensifs pour l'ozone mais très puissants comme gaz à effet de serre.

Les mesures montrent aujourd'hui que la concentration des CFC dans l'atmosphère décroît, et l'évaluation scientifique de l'ozone publiée en $2023$ par l'Organisation météorologique mondiale et le Programme des Nations unies pour l'environnement projette un retour aux valeurs de $1980$ vers $2040$ pour la majeure partie du globe, vers $2045$ en Arctique et vers $2066$ en Antarctique — à condition que les politiques actuelles soient maintenues.

iRemarqueUn précédent, mais un précédent trompeur

On cite souvent Montréal comme le modèle à suivre pour le climat. La comparaison mérite d'être maniée avec précaution. Le succès de Montréal doit beaucoup à trois circonstances favorables : les CFC étaient produits par une poignée d'entreprises, ils avaient des substituts techniques disponibles à un coût modéré, et ils n'étaient pas au cœur du fonctionnement économique des sociétés. Rien de tout cela n'est vrai des combustibles fossiles, produits par des centaines d'acteurs, sans substitut universel bon marché, et présents dans toutes les chaînes de production. Le précédent prouve qu'une action mondiale fondée sur un diagnostic scientifique est possible ; il ne prouve pas qu'elle soit facile.

iRemarqueLa diminution de l'ozone est-elle d'origine purement humaine ?

Non, et la nuance a son importance. Une partie de la destruction de l'ozone est naturelle : les cycles catalytiques impliquant les oxydes d'azote, l'hydrogène et le chlore d'origine volcanique existaient bien avant l'industrie, et l'équilibre de Chapman n'a jamais été atteint. Les éruptions volcaniques majeures injectent dans la stratosphère des aérosols qui accroissent temporairement la destruction. Ce qui est anthropique, c'est l'ampleur et la rapidité de l'appauvrissement observé depuis les années $1970$ , ainsi que le phénomène antarctique lui-même, qui n'a aucun équivalent connu avant l'ère des CFC. Distinguer « il existe une variabilité naturelle » et « le phénomène observé est naturel » est l'un des exercices d'esprit critique les plus utiles de ce chapitre — et le chapitre $2$ le reprendra à propos du climat.

1.8 Bilan

Ce qu'il faut savoir

Il y a environ $4, 6$ milliards d'années, l'atmosphère primitive était composée de $N X_{2}$ , $CO X_{2}$ et $H X_{2} O$ ; sa composition actuelle est d'environ $78 %$ de $N X_{2}$ et $21 %$ de $O X_{2}$ , avec des traces d'autres gaz dont $H X_{2} O$ , $CO X_{2}$ , $CH X_{4}$ et $N X_{2} O$ .
Le refroidissement de la surface a conduit à la liquéfaction très rapide, à l'échelle des temps géologiques, de la vapeur d'eau ; dans l'hydrosphère ainsi formée s'est développée la vie.
Les premières traces de bactéries photosynthétiques datent d'au moins $3, 5$ milliards d'années ; par leur métabolisme, ces bactéries ont contribué à l'oxygénation de l'atmosphère il y a $2, 4$ milliards d'années. Les interactions entre atmosphère et biosphère ont modifié la biodiversité.
Les sources et puits actuels de dioxygène sont essentiellement la photosynthèse d'une part, la respiration et les combustions d'autre part.
Sous l'effet du rayonnement ultraviolet solaire, le dioxygène stratosphérique se dissocie ; il en résulte la formation d'ozone, lequel absorbe une partie de l'ultraviolet et protège les êtres vivants de ses effets mutagènes.

Ce qu'il faut savoir faire

Analyser des données relatives à l'évolution de la composition de l'atmosphère au cours des temps géologiques, en lisant correctement une échelle logarithmique et en distinguant mesure et reconstitution.
Déterminer l'état physique de l'eau pour une température et une pression données à partir de son diagramme d'état.
Mettre en relation la production de dioxygène et des indices géologiques (uraninite et pyrite détritiques, fers rubanés, paléosols rouges, isotopes du soufre).
Suivre l'évolution de la teneur atmosphérique en dioxygène au cours des temps géologiques et la relier à l'évolution de la biodiversité.
Mettre en relation les spectres d'absorption de l'ozone et de l'ADN dans le domaine ultraviolet.

Quatre repères à retenir

$- 4, 4$ milliards d'années : les premiers océans. $- 3, 5$ milliards d'années : les premières bactéries photosynthétiques. $- 2, 4$ milliards d'années : la Grande Oxydation. Trois millimètres : l'épaisseur de tout l'ozone atmosphérique ramené au niveau de la mer.

Ce que ce chapitre dit de la science elle-même

Il n'existe aucun échantillon d'air archéen. Tout ce que nous prétendons savoir de l'atmosphère d'il y a trois milliards d'années repose sur des indices indirects : un minéral qui n'aurait pas dû survivre, une couleur de sol, un rapport isotopique inattendu. Chacun de ces indices, seul, serait un indice faible. Leur convergence en fait un savoir solide. C'est la méthode propre aux sciences historiques de la nature — la géologie, la paléontologie, la cosmologie — qui ne peuvent pas refaire l'expérience et doivent donc multiplier les témoins indépendants.

Ce chapitre montre aussi qu'une prédiction théorique peut précéder l'observation de onze ans : Molina et Rowland ont annoncé en $1974$ , par le seul raisonnement, une destruction de l'ozone que personne n'avait mesurée, et qui fut confirmée en $1985$ — plus grave encore qu'ils ne l'avaient prévue. Et il montre enfin qu'un savoir scientifique peut conduire, en deux ans, à un traité ratifié par tous les États du monde. Ce précédent ne garantit rien pour la suite. Mais il interdit de dire que c'est impossible.

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