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    Spé SVT : Thème 2 - Atmosphère, hydrosphère, climats : du passé à l'avenir

    Vendredi 24 novembre 2017

    Introduction

    Atmosphère et hydrosphère sont des enveloppes fluides de la Terre en interactions permanentes avec la biosphère et la géosphère et sous l’influence de l’énergie solaire. Ces interactions sont à l’origine de l’histoire du climat mondial.

     

     

     

     

     

     

     

    Objectif : comprendre la complexité des interactions contrôlant les climats de la Terre à différentes échelles de temps pour mieux envisager le climat de demain.

     

    Origines des données climatiques récentes

     

    Au jour le jour, nous disposons des données météorologiques fournies par divers appareils (thermomètre, anémomètre, pluviomètre,...) localisés précisément dans le monde et les données satellitales (satellites géostationnaires et à défilement polaire) : il est possible d’effectuer des relevés météo et d’établir au cours du temps les variations de températures et de précipitations.

     

     

     

     

     

     

    Il existe des archives historiques parcellaires sur 2000 ans mais elles sont souvent qualitatives donc peu précises. Il faut donc d’autres données pour remonter le temps.

     

    La paléoclimatologie s’appuie sur la géologie pour la reconstitution des faits, mais pour leur compréhension et leur interprétation, elle fait appel à des disciplines aussi variées que la zoologie, la botanique, la pédologie (étude des sols), la géochimie...

     

    Des données d’origines variées ont permis de retracer les grandes lignes de l’évolution du climat mondial :

    • La formation de l’atmosphère initiale de la Terre et son évolution pendant le précambrien.
    • L'évolution de l'atmosphère et du climat de la Terre sur une grande échelle de temps (depuis le précambrien).
    • L’évolution récente de l’atmosphère et du climat (depuis les 800 000 dernières années).
    • Et demain ?

     

    Quatre parties abordées :

    • I - L'atmosphère initiale de la Terre et son évolution pendant le Précambrien
    • II - L'évolution de l'atmosphère et du climat de la Terre sur une grande échelle de temps (depuis le précambrien)
    • III - L’évolution récente de l’atmosphère et du climat (depuis les 800 000 dernières années
    • IV – Et demain ?

    I - L'atmosphère initiale de la Terre et son évolution pendant le Précambrien

     

    Atmosphère actuelle : document.

     

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    gallery/meteo_techn

    Apporter la blouse le vendredi 01 décembre

    Vendredi 01 décembre 2017

    Quelles sont les données scientifiques attestant de l’existence d’une atmosphère initiale (primitive) différente de l’atmosphère actuelle ?

     

    A – Caractéristiques de l’atmosphère initiale de la Terre

     

    Activité – Caractéristiques de l’atmosphère initiale de la Terre

     

    Plusieurs données sont utilisées pour déterminer indirectement la composition de l’atmosphère initiale de la Terre :

     

    u Analyse des chondrites et des gaz volcaniques issus du manteau inférieur (points chauds)

     

    Conclusion : voir tableau.

     

    u Estimation par calculs

     

    La pression totale aurait donc été de 1509.1015 / 500.1012 = 3.103 tonnes par m² soit 300 atmosphères (300.105 Pa).

    La pression atmosphérique actuelle étant de 1025 hPa (1.105 Pa), la pression atmosphérique initiale aurait été 300 fois supérieure !

    Pourcentage de CO2 : 124 * 100 / 1509 = 8 % (actuellement elle est de 0,04%).

    Pourcentage de H2O : 1380 * 100 / 1509 = 91 %

     

    u Les dépôts d’uraninite

     

    Dans une atmosphère dépourvue de dioxygène, des filons d’uraninite (UO2), insoluble, ont pu être érodé par les eaux de pluie et donner des sables : ces sables ont pu être transportés et se déposer sous forme de roches sédimentaires détritiques.

    En présence de dioxygène, UO2 est très instable, il s’oxyde et devient UO3alors 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. Or, les formations sédimentaires contenant de l’uraninite sont toutes plus âgées que - 2 Ga. De 4,5 à 2 milliards d'années, la teneur en dioxygène dans l’atmosphère était donc nulle ou très faible. 

     

    u Les pyrites (FeS2)

     

    La pyrite en présence d'une atmosphère (ou d'une hydrosphère) oxydante est instable et est détruite. Cela pose le problème de l'existence de galets de pyrite. De tels galets arrondis ont été transportés par des eaux à haute énergie, c'est-à-dire rapides et donc certainement « aérées » par l'agitation et la vitesse du courant (torrent de montagne, vagues déferlantes…). De telles eaux sont en équilibre avec l'atmosphère ; elles sont donc oxydantes et contiennent de l'O2 dissout quand l'atmosphère contient de l'O2 comme actuellement. Les eaux qui ont transporté ces galets de pyrite à l'Archéen n'étaient donc pas oxydantes, et ne contenaient pas d'O2 en solution.

     

    Conclusion : l'atmosphère de cette époque (-2,9 Ga) ne contenait donc (quasiment) pas d'O2.

     

    BILAN

     

    L’atmosphère initiale de la Terre était donc réductrice (absence de dioxygène), riche en eau et en dioxyde de carbone.

     

    • A partir de quand et comment la concentration en dioxygène atmosphérique a-t-elle augmenté ?
    • Comment l’atmosphère initiale s’est-elle appauvrie en CO2 et en H2O ?

                B – L’atmosphère initiale s'est appauvrie en CO2 et en H2O et s’est enrichie en O2

     

    Activité -  L'évolution de l'atmosphère initiale de la Terre

     

    u De l’eau liquide peu de temps après la formation de la Terre

     

    Alors que le système solaire, dont la Terre, a commencé sa formation il y a 4,556 milliards d’années, les plus anciennes preuves de la présence d’eau liquide sur notre planète datent de 4,3 à 4,4 milliards d’années. En 2001, des zircons ont été découverts dans les grès et conglomérats de Jack Hills dans l’ouest de l’Australie datés de 3,3 milliards d’années. Les zircons sont des minéraux quasiment indestructibles. Les zircons retrouvés dans les grés de Jack Hill sont environ âgés de 4,4 Ga. Ces zircons possèdent des inclusions de :

    Ces inclusions sont des minéraux caractéristiques de granites, les principales roches de la croûte continentale.

     

    Le zircon est un minéral qui se forme dans des magmas granitiques riches en eau : température de cristallisation des zircons correspondant à la cristallisation d’un granite hydraté. La formation de ces granites s’est effectuée près de la surface et/ou en surface en présence de beaucoup d’eau liquide.

     

    Conclusion

     

    De l’eau liquide était présente dès 4,3 milliards d’années > la température de l’atmosphère a donc diminué : l’eau atmosphérique s’est condensée en pluies intenses. L’atmosphère s’est donc appauvrie en eau pendant que les premiers océans se formaient.

     

    Remarque : les données actuelles montrent qu’un bombardement météoritique intense autour de 4 milliards d’années a contribué à l’apport d’eau dans l’atmosphère de la Terre.

    gallery/atm_primitive

    Vendredi 07 décembre 2017

     

    Activité -  L'évolution de l'atmosphère initiale de la Terre (suite)

    Bilan : document.

     

    Frise chronologique : ici.

    Vendredi 15 décembre 2017

    II - L'évolution de l'atmosphère et du climat de la Terre sur une grande échelle de temps

     

    Les traces de variations climatiques importantes sont enregistrées dans les roches sédimentaires. On prendra deux exemples d’évolution climatique :

    • Entre le Carbonifère et le Permien.
    • Au cours du Crétacé.

    Activité – Evolution du climat mondial entre le Carbonifère et le Permien

     

    u La limite entre le Carbonifère et le Permien se trouve autour de - 295 Ma.

     

    Les indices paléoclimatiques :

    • Charbon autour de l’équateur, fossiles de fougères arborescentes : climat équatorial
    • Bauxites et latérites près des côtes entre équateur et tropiques : climat tropical côtier
    • Evaporites intracontinentales entre les tropiques : climat aride intracontinental
    • Tillites et blocs isolés, anciennes moraines, stries d’érosion glaciaire dans l’hémisphère sud : super continent recouvert par une grande calotte de glace très étendue.

    Conclusion : glaciation importante dans l’hémisphère sud, forêt arborescente importante au niveau de l’équateur.

     

    Les causes du refroidissement entre le Carbonifère et le début du Permien

     

    • Grandes forêt équatorial pompent du CO2 lors de la photosynthèse : le carbone est alors piégé lors de la formation des gisements de charbon.
    • CO2 piégé par l’érosion de la chaine hercynienne
    • Effet de serre plus faible > augmentation des précipitations neigeuses et diminution de la fonte des neiges

    Conclusion : refroidissement général dû à une diminution importante de la quantité de CO2 atmosphérique.

    Vendredi 12 janvier 2018

    u Le Crétacé : de -135 Ma à – 65 Ma (70 Ma) (Correction)

     

    Les indices paléoclimatiques :

     

    • Disparition totale des calottes polaires au Crétacé supérieur.
    • Répartition de palmiers, arbre à pain et de coraux à des latitudes importantes (60°N et S).
    • Evaporites, bauxites et latérites mondiales.
    • Indice stomatique faible à la fin du Crétacé (3,4%) indique un taux de CO2 important d’environ 446 ppm.

    Conclusion : période de réchauffement dû à un effet de serre de grande ampleur.

     

     

    Les causes du réchauffement au cours du Crétacé

     

    Au cours du Crétacé, on constate l’ouverture de la dorsale atlantique associée à une forte activité des dorsales océaniques : la libération de CO2 par le volcanisme au niveau des rifts entraîne le réchauffement général (10°C de plus que l’actuel).

    Le Crétacé est une période de transgression marine importante : le niveau des mers est monté de 200 à 300 mètres au-dessus du niveau actuel.

     

    Deux causes à cette transgression :

    • La fonte des calottes polaires et des glaciers continentaux a apporté un volume considérable d’eau dans les océans.
    • Le volume de lave émis par la dorsale a « rempli » le fond de l’océan et a fait monter le niveau marin.

    Conséquence : les mers épicontinentales peu profondes se développent. Dans ces mers se déposent des particules calcaires produites par les algues unicellulaires : les coccolithophoridés. Cette accumulation s'est déroulée pendant plusieurs millions d'années (associées à une subsidence des fonds océaniques) expliquant la présence actuelle de falaises (Pays de Caux, falaise d'Etretat). Les conditions climatiques et la transgression marine au Crétacé ont favorisé la formation de dépôts carbonatées dont la craie.

     

    Bilan depuis le précambrien

    Document

     

    III - L’évolution climatique des 800 000 dernières années

     

    La reconstitution l’évolution climatique s’effectue à partir de l’étude de nombreux indices dont les résultats d’analyse concordent.

     

    A – Utilisation des associations faunistiques et floristiques

     

    u Utilisation d’association de fossiles d'animaux

     

    Exemple n°1 - Exemple n°2

     

    Apporter la blouse vendredi 19 janvier