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.
Les durées dont il sera question ici se comptent en milliards d'années. On écrira couramment (giga-années, soit ans) et (méga-années, soit ans). Pour donner l'échelle : si l'histoire de la Terre tenait en une journée de heures, la vie apparaîtrait vers heures du matin, le dioxygène envahirait l'atmosphère vers midi, les premiers animaux à coquille surgiraient à h, et toute l'histoire humaine tiendrait dans les deux dernières secondes.
Ordres de grandeur, puissances de .
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.
Il y a environ milliards d'années, l'atmosphère primitive était composée de , et . Sa composition actuelle est d'environ de et de , avec des traces d'autres gaz (dont , , , ).
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 | inerte, réservoir principal | |
| dioxygène | produit par la photosynthèse | |
| argon | gaz noble, issu de la radioactivité du potassium | |
| dioxyde de carbone | soit | |
| néon, hélium, krypton | quelques ppm | gaz nobles |
| méthane | ||
| protoxyde d'azote |
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 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.
Une partie par million est un millionième : . On l'emploie pour les gaz très minoritaires, où le pourcentage donnerait des nombres illisibles. Ainsi de signifie : sur un million de molécules d'air, sont du dioxyde de carbone.
Pourcentages, puissances de .
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 absorbe très fortement l'infrarouge ; sa faible teneur suffit à modifier la température de la planète. Le raisonnement — abondance efficacité — servira encore au chapitre pour comparer les gaz à effet de serre, et dans cette section pour l'ozone, dont la teneur ne dépasse jamais et qui protège pourtant toute la biosphère.
1.2.2 L'atmosphère primitive : un monde sans dioxygène
Il y a 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 , du dioxyde de carbone et du diazote , 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.
atmosphériques depuis la formation de la Terre. L'échelle verticale est logarithmique : chaque graduation correspond à un facteur . 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.Méthode : Analyser des données d'évolution de la composition de l'atmosphère au cours des temps géologiques
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 , , , , , 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 .
- 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 a été divisée par environ en quatre milliards d'années ».
Lectures graphiques, organisation et exploitation de données, ordres de grandeur et puissances de .
Le diazote. Sa pression partielle passe d'environ à : elle est multipliée par en milliards d'années. Sur une échelle logarithmique, c'est une droite presque horizontale. Pourquoi ? Parce que est chimiquement très inerte : la triple liaison 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 bar, soit une division par environ . 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
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.
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 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 ). L'océan aurait donc existé moins de 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.
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.
Le point triple est l'unique couple (température, pression) où les trois états coexistent. Pour l'eau : et (soit ). Le point critique est l'extrémité de la courbe de vaporisation : au-delà ( et pour l'eau), la distinction entre liquide et gaz disparaît, on parle de fluide supercritique.