Comme le climat est en grande partie du à la composition en gaz de l'atmosphère, nous allons nous intéresser à la composition des gaz de l'atmosphère et à son évolution depuis l'origine du globe, il y a 4,5 Ga.
Comment reconstituer la composition de l'atmosphère primitive et comment a t-elle évolué?
Le document suivant propose une des hypothèses de l'origine des planètes.
On considère aujourd'hui que les planètes et les météorites se sont formées en même temps par accrétion et collision avec d'autres corps céleste. On considèrent donc que la composition de météorites indifférenciées comme les chondrites correspond (en gros !) à la composition de la Terre primitive indifférenciées.
Une chondrite
L'analyse de la composition des gaz chondritiques permet de se faire une bonne idée de la composition originelle en gaz de la Terre.
Une autre piste est celle des gaz volcanique, qui correspondent à la fraction non dégazée des gaz originelles du globe.
On remarque que l'ordre de grandeur dans les deux cas est très proche. On peut donc considérer que l'hypothèse est bonne et que la composition en gaz de l'atmosphère primitive est une moyenne entre les valeurs ainsi déterminées (avec une forte marge d'incertitude).
Soulignons que la composition de l'atmosphère primitive reste une hypothèse et non un fait !
On peut donc établir un tableau de comparaison entre atmosphère primitive supposée et atmosphère actuelle mesurée.
On a pu ainsi construire une courbe d'évolution des gaz atmosphériques au cours du temps.
*Attention, ce graphe ne tient pas compte de la teneur en H2O de l'atmosphère primitive, de là la différence de pourcentage.
Trois gaz principaux interviennent donc dans la composition de l'atmosphère. nous allons en retenir deux qui ont un rôle biologique essentiel, le dioxyde de carbone (CO2) et le dioxygène (O2).
Comment expliquer la diminution du taux de CO2 au cours du temps dans l'atmosphère terrestre ?
Au début de l'évolution de la planète, la température de surface est très élevée. L'eau est donc à l'état de vapeur. Très vite la température de surface diminue entraînant la condensation de la vapeur d'eau. De plus, il semble que des météorites géocroiseurs (qui rencontrent l'orbite terrestre) ait augmenté la quantité d'eau liquide à la surface du globe. La courbe de dissolution du CO2 dans l'eau montre que plus la température baisse et plus la solubilité du CO2 augmente.
Comment expliquer l'apparition et l'augmentation du taux de dioxygène dans l'atmosphère terrestre au cours du temps ? Quels sont les indices que l'on peut utiliser ?
Sur les courbes d'évolutions du taux de dioxygène, on peut constater que celui-ci apparaît il y a environ 3 Ga.
Comment a t-on pu fixer la date d'apparition de l'oxygène à la surface du globe ?
Pour répondre à cette question, il faut s'intéresser à une formation géologique particulière, la formation de Barberton, en Afrique du sud, au niveau de la flèche rouge.
On trouve là des roches à l'aspect particulier, dit rubané, formées d'une alternance de couches rouges et de couches plus grises.
On a pu interpréter ces couche rouges comme des couches riches en oxydes de fer. Ces minerais de fer rubané (BIF) ne peuvent apparaître qu'en présence de dioxygène.
On a pu dater sur le terrain cette formation. On estime leur âge à environ 3 à 3,5 Ga. On pense donc que ces BIF représentent les plus anciennes traces de la présence de dioxygène sur la planète.
On sait que cette formation est le résultat d'un dépot sédimentaire. Cela signifie que l'apparition du dioxygène s'est fait dans le milieu océanique primitif.
Afin de démontrer la nécessité de deux éléments, le dioxygène et l'eau pour obtenir de l'oxyde de fer, on peut faire une expérience simple.
On fait le montage suivant :
On rappelle que l'eau bouillie est désoxygénée dans des proportions importantes.
Au bout de quelques jours, on obtient les résultats suivants :
On constate que l'oxyde de fer n'apparait qu'en présence d'eau et de dioxygène.
Quelle put être donc, l'origine de ce dioxygène ?
La courbe suivante, présentant l'évolution du taux d'oxygène au cours du temps nous donne une indication précieuse, l'apparition des cyanobactéries.
Les cyanobactéries sont des procaryotes. Leur particularités est d'être verte, c'est à dire de contenir de la chlorophylle.
Anabaena au microscope optique
Une étude précise de la structure des cyanobactéries a pu mettre en évidence la présence de thylakoïdes qui sont les structures contenant la chlorophylle. Or la chlorophylle est le pigment qui permet la photosynthèse.
Le mécanisme de la photosynthèse est bien connu :
Dioxyde de carbone + eau = glucose + dioxygène
Le dioxygène est donc un produit secondaire de la photosynthèse. On peut estimer que c'est l'apparition de la photosynthèse qui a permis l'apparition du dioxygène sur Terre et donc par conséquent, l'oxydation du minerai de fer.
Encore actuellement, c'est l'activité photosynthétique des végétaux qui assurent la présence du dioxygène sur notre planète.
Dans l'océan primitif, il devait exister des grandes quantités de cyanobactéries. Des colonies cyanobactériennes sont connus encore actuellement, notamment au niveau de Shark Bay en Australie (flèche noire).
Ces colonies , connues sous le nom de stromatolites sont installées dans les zones intertidales (zones de balancement des marées). Ces colonies sont alternativement immergées et émergées.
Si on fait une coupe transversale dans un stromatolite, on constate l'existence d'une série de couches de carbonate de calcium (CaCO3).
La présence de ces masses de CaCO3 s'explique facilement. Lorsque le CO2 dissous dans l'eau est capté par les cyanobactéries, les ions hydrogénocarbonates solubles dans l'eau, passent à l'état de carbonates insolubles et précipites en donnant ces stromatolites.
Une expérience faite en laboratoire permet de constater que des cyanobactéries éclairées du genre Anabæna en suspension dans une eau riche en hydrogénocarbonate produisent des cristaux de carbonate bien visibles;
On connait des stromatolites fossiles de très grandes dimensions, comme dans le massif allemand du Harz.
