ENSEIGNEMENT SCIENTIFIQUE, Examens de Évolution

Télécharge ENSEIGNEMENT SCIENTIFIQUE et plus Examens au format PDF de Évolution sur Docsity uniquement! 76/78 rue Saint Lazare – 75009 Paris COURS-LEGENDRE-EAD.FR ENSEIGNEMENT SCIENTIFIQUE Terminale - Première partie - Extr ait de co urs E ns eig ne men t S cie nti fiq ue Term ina le Extr ait de co urs E ns eig ne men t S cie nti fiq ue Term ina le Cours d’Enseignement Scientifique Terminale Enseignement Scientifique Tle – Première Partie - Page 19 SEQUENCE 1 THEME 1 : SCIENCE, CLIMAT ET SOCIETE PARTIE I : L’ATMOSPHERE TERRESTRE ET LA VIE Chapitre 1 : De l’atmosphère primitive à l’atmosphère d’aujourd’hui La planète Terre est une planète tellurique formée majoritairement de silicates renfermant un noyau de fer et de nickel. Elle est entourée aujourd’hui d’une atmosphère originale composée de 78 % de diazote (N2), 21 % de dioxygène (O2), 0,03 % de CO2 et de quantités variables de vapeur d’eau. D’autres planètes telluriques possèdent une atmosphère comme Mars et Vénus, de composition bien différente : 95 % de CO2 et 5 % de N2. La planète Terre se distingue des autres planètes du système solaire par la présence de la Vie. Cette particularité peut avoir un lien avec l’originalité de la composition de l’atmosphère terrestre. Comment reconstituer la composition de l'atmosphère primitive et comment a-t-elle évolué ? Extr ait de co urs E ns eig ne men t S cie nti fiq ue Term ina le Cours d’Enseignement Scientifique Terminale Enseignement Scientifique Tle – Première Partie - Page 20 I) La formation de la planète et la mise en place d’une atmosphère La Terre s’est formée il y a 4,5 Ga par accrétion. Période : De 4,5 à 4,4 millions d’années Composition : He (Hélium) et H (Hydrogène). La Terre s'est formée par accrétion (agglomération) de particules à l'intérieur d'un grand nuage qui est à l'origine du système solaire. Ce nuage est essentiellement formé d'Hélium et d'Hydrogène, quand le globe terrestre arrive à sa taille définitive, les gaz qui constituent son atmosphère primitive sont donc l'Hélium et l'Hydrogène. L'accrétion s'est faite par collision des particules les unes avec les autres ce qui a produit un échauffement important, de plus la présence de particules radioactives fait qu'au début de son existence, la température à la surface du globe terrestre est supérieure à 1500° C. On considère aujourd'hui que la Terre s’est formée en même temps que les autres planètes telluriques du système solaire par accrétion et collision avec d'autres corps célestes (comètes apportant de l’eau et astéroïdes constitués de roches). Certains corps, de très grande taille, sont restés stables et ont subi une différenciation, c’est-à- dire une organisation en enveloppes liée à la migration des éléments suivant leur densité : le noyau terrestre contenant les éléments les plus dense (fer et nickel) est surmonté du manteau, les éléments moins denses migrant vers sa périphérie. Parallèlement la Terre se refroidit : une croûte s’installe entourée d’une atmosphère. Extr ait de co urs E ns eig ne men t S cie nti fiq ue Term ina le Cours d’Enseignement Scientifique Terminale Enseignement Scientifique Tle – Première Partie - Page 21 D’autres corps solides mais trop petits pour subir une différenciation, se sont fragmentés et sont devenus des astéroïdes indifférenciés particuliers appelés chondrites. On considère donc que la composition de météorites indifférenciées comme les chondrites correspond à la composition de la Terre primitive indifférenciée. Extr ait de co urs E ns eig ne men t S cie nti fiq ue Term ina le Cours d’Enseignement Scientifique Terminale Enseignement Scientifique Tle – Première Partie - Page 24 On peut donc établir un tableau de comparaison entre atmosphère primitive supposée et atmosphère actuelle mesurée. L’atmosphère primitive est donc très riche en vapeur d’eau et dioxyde de carbone. On note l’absence de dioxygène. Information supplémentaire : La formation de la Lune En résumé : La Terre est une planète différenciée, résultat d'une migration des éléments au cours de son refroidissement. Ses enveloppes fluides sont le résultat du dégazage du manteau supérieur. Les gaz rares se sont dissous dans l'océan de magma primitif (à l'exception du xénon peu soluble) et continuent toujours d'être dégazés par le volcanisme. Les gaz les plus légers se sont échappés dans l'espace (ex : Hélium) et les plus lourds se sont accumulés dans l'atmosphère. Après la vapeur d'eau, le CO2 est le gaz le plus rejeté par les volcans mais sa concentration dans l'atmosphère actuelle ne représente que 0.03% L'atmosphère primitive était composée de 12% de CO2, or aujourd’hui on n’en compte plus que 0.03%. Où est-il passé ? III) La chute de la concentration du CO2 atmosphérique. Période : De 4 à 3,3 milliards d'années. Composition : elle évolue de 85% de H2O, 10 à 15% de CO2, 1 à 3% de N2 vers la composition actuelle. Il y a 4,4 milliards d'années environ, la surface de la Terre se refroidit progressivement. La vapeur d’eau atmosphérique se condense et précipite à la surface de la planète. Les Extr ait d co urs E se ign em en t S cie nti fiq ue Term ina le Cours d’Enseignement Scientifique Terminale Enseignement Scientifique Tle – Première Partie - Page 25 océans se forment. L'atmosphère s'est ainsi vidée de sa vapeur d'eau. L’atmosphère primitive présente une forte concentration en dioxyde de carbone (60 à 70 %). En précipitant, la vapeur d'eau a entraîné le CO2 atmosphérique qui s'est retrouvé dissout dans les océans selon la réaction : Le CO2 participant (avec la vapeur d'eau) à l'effet de serre, son stockage dans les océans a contribué à abaisser la température sur la planète. A 3,5 Milliards d'années, la température est tombée à environ 300°C. A 3,2 Milliards d'années elle n'est plus que de 100°C. On observe les traces des premières glaciations il y a 2,5 Ga. La courbe de dissolution du CO2 dans l'eau montre que plus la température baisse et plus la solubilité du CO2 augmente. L'eau de pluie chargée en CO2 est acide et use les roches volcaniques en arrachant entre autres minéraux du calcium. L'association entre le CO2 et le calcium donne du carbonate de calcium (calcaire), le calcaire précipite dans l'eau des mers et des océans et forme des couches de calcaire qui vont donner les premières roches sédimentaires. Extr ait de co urs E ns eig ne men t S cie nti fiq ue Term ina le Cours d’Enseignement Scientifique Terminale Enseignement Scientifique Tle – Première Partie - Page 26 L'ensemble de ces évènements (baisse du taux de CO2 et de la vapeur d'eau) fait que l'azote devient le constituant majeur de l'atmosphère terrestre. Au début de cette période l'atmosphère n'est pas vivable car il n'a pas d'oxygène. La vie apparaît sous forme de bactéries il y a 3,6 milliards d'années. Les premiers êtres vivants sont anaérobiques, c'est à dire qu'ils n'utilisent pas d'oxygène. Plusieurs indices indiquent que la teneur en CO2 a chuté progressivement : • On trouve des conglomérats de 3,5 milliards d’années (Ga) : ce sont des cumulas de débris de roches (sédiments) qui ont été roulés et usés par l’eau. Si le taux de CO2 atmosphérique avait été proche de l’actuel, la température de la Terre aurait été de - 20°C donc sans eau liquide. Le taux de CO2 était donc fort à l’époque. De plus les minéraux silicatés des roches de la croûte subissent une altération : l’eau de pluie est donc acide donc chargée en acide carbonique. Extr ait de co urs E ns eig n men t S cie nti fiq ue Term ina le Cours d’Enseignement Scientifique Terminale Enseignement Scientifique Tle – Première Partie - Page 29 L’anthracite (roche carbonée) • De plus, à partir de -300 Ma, l’étude de feuilles fossiles permet d’établir que la quantité de CO2 atmosphérique diminue progressivement. En effet on a pu établir expérimentalement que la quantité de stomates est directement liée à la concentration en CO2 : plus il y a de stomates, moins il y a de CO2 dans l’atmosphère. Indice stomatique en fonction de la teneur en CO2 Empreinte de la face inférieure d’une feuille de ginkgo biloba actuel vue au microscope optique Extr ait de co urs E ns eig ne men t S cie nti fiq ue Term ina le Cours d’Enseignement Scientifique Terminale Enseignement Scientifique Tle – Première Partie - Page 30 • Un zircon est un minéral très résistant formé exclusivement de carbone. Le plus vieux matériau terrestre connu à ce jour est un zircon âgé de 4,4 milliards d’années. Les Jack Hills sont une chaîne de collines du Mid West (Australie-Occidentale). Ils sont surtout connus comme le site du plus ancien minéral d'origine terrestre trouvé à ce jour : les zircons hadéens qui se sont formés il y a environ 4,39 milliards d'années. Ces zircons ont permis une recherche révolutionnaire sur les conditions de la terre dans l'éon Hadéen. En 2015, des « restes de vie biotique » ont été découverts dans des roches de 4,1 milliards d'années. Selon l'un des chercheurs, « si la vie est apparue relativement rapidement sur Terre... alors elle pourrait être courante dans l'univers ». En résumé : La vapeur d'eau s'est très tôt condensée pour former les océans qui ont piégé le CO2 issu du dégazage volcanique par dissolution. Les eaux acidifiées ont facilité la précipitation des carbonates de calcium. Le CO2 participant (avec la vapeur d'eau) à l'effet de serre, son stockage dans les océans a contribué à abaisser la température sur la planète ce qui explique les traces des premières glaciations il y a 2,5 Ga. Extr ait de co urs E ns eig ne men t S cie nti fiq ue Term ina le Cours d’Enseignement Scientifique Terminale Enseignement Scientifique Tle – Première Partie - Page 31 IV) Avec l’arrivée du dioxygène, l'atmosphère devient vivable Période : De 3,2 à 2 milliards d'années à aujourd'hui. Composition: N2: 78%; O2: 21%, H2O variable, CO2 0, 03% Comment expliquer l'apparition de dioxygène vers -2 milliards d’années sur la planète et l'augmentation de son taux dans l'atmosphère terrestre au cours du temps ? Quels sont les indices que l'on peut utiliser ? A) Les témoins sédimentaires de l'arrivée de dioxygène dans l'atmosphère 1. L’uraninite Aujourd’hui, la majorité des minéraux sont oxydés. Ils se sont formés dans une atmosphère riche en O2. Mais, certains paléosols révèlent la présence de minéraux réduits : les uraninites (UO2) et la sidérite (carbonate de fer) n’ayant pu se former qu’en présence d’une atmosphère pauvre en O2. La forme UO2 (uraninite) est la forme réduite de l'uranium, et la forme UO3 la forme oxydée. La présence d'uraninite dans un milieu indique donc l'absence de dioxygène dans le milieu en question. UO2 est un oxyde d'uranium. Il peut donc se former sans la présence de dioxygène libre. Au moment de la formation de la Terre, l'uranium était déjà lié à l'oxygène, en l'absence totale d'O2 libre dans la nébuleuse ou l'atmosphère primitive. L'uraninite UO2, qui s'est Extr ait de co urs E ns eig ne men t S cie nti fiq ue Term ina le Cours d’Enseignement Scientifique Terminale Enseignement Scientifique Tle – Première Partie - Page 34 Pour démontrer la formation d’oxyde de fer, on fait le montage suivant : Tube A : eau, fer et dioxygène Tube B : dioxygène et fer, absence de l’eau grâce au déshydratant Tube C : Eau et Fer, absence d dioxygène (l'eau bouillie est désoxygénée dans des proportions importantes). Extr ait de co urs E ns eig ne men t S cie nti fiq ue Term ina le Cours d’Enseignement Scientifique Terminale Enseignement Scientifique Tle – Première Partie - Page 35 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. Ou bien : Extr ait de co urs E ns eig ne men t S cie nti fiq ue Term ina le Cours d’Enseignement Scientifique Terminale Enseignement Scientifique Tle – Première Partie - Page 36 Avec les OH- de la soude : Fe3+ + 3(OH-) → Fe(OH) 3 3. L'étude des paléosols Sol actuel sous climat tropical subhumide. Couvert végétal : savane arborée (cerrado). Hauteur de la coupe : 200 cm. Le sol est relativement peu épais. On distingue un horizon clair, lessivé (E), un horizon jaune-rouge, à structure pédologique (Sk) un horizon rouge violet, à structure lithologique (C = schistes). Le sol est très différencié, lessivé. Dénomination WRB : Acrisol. Extr ait de co urs E ns eig ne men t S cie nti fiq ue Term ina le Cours d’Enseignement Scientifique Terminale Enseignement Scientifique Tle – Première Partie - Page 39 Le mécanisme de la photosynthèse est bien connu : 6 CO2 + 6 H2O donne C6H12O6 +6O2 Le dioxygène est un produit secondaire de la photosynthèse. Hypothèse : Les cyanobactéries seraient responsables de la production de dioxygène par photosynthèse. Elles devaient exister en très grandes quantités dans l’océan primitif. Observations / recherche d’indices : Des colonies cyanobactériennes sont connus encore actuellement, notamment au niveau de Shark Bay en Australie 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. Extr ait de co urs E ns eig ne men t S cie nti fiq ue Term ina le Cours d’Enseignement Scientifique Terminale Enseignement Scientifique Tle – Première Partie - Page 40 Si on fait une coupe transversale dans un stromatolithe, 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 dissout dans l'eau est capté par les cyanobactéries, les ions hydrogénocarbonates solubles dans l'eau, passent à l'état de carbonates insolubles et précipitent en donnant ces stromatolithes. Extr ait de co urs E ns eig ne men t S cie nti fiq ue Term ina le Cours d’Enseignement Scientifique Terminale Enseignement Scientifique Tle – Première Partie - Page 41 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 stromatolithes fossiles de très grandes dimensions, comme dans le massif allemand du Harz. Colonnes stromatolithiques datant du Protérozoïque (environ 2 milliards d'années) En résumé : Les premiers producteurs de dioxygène sont probablement des procaryotes, proches des cyanobactéries actuelles, qui édifiaient des constructions calcaires "en chou-fleur" : les stromatolithes dont les plus anciens sont datés autour de -3,5 Ga. Ces cyanobactéries consomment du CO2 et libèrent du dioxygène par photosynthèse. Extr ait de co urs E ns eig ne men t S cie nti fiq ue Term ina le Cours d’Enseignement Scientifique Terminale Enseignement Scientifique Tle – Première Partie - Page 44 s'associent et se transforment en ozone. L'absorption de certains UV (rayons Ultraviolets) pour la formation de ces molécules d'ozone, les empêche d'arriver jusqu'au sol, permettant ainsi à la vie de sortir des océans. Le taux de dioxygène dans l'atmosphère provient de l'action combinée des plantes vertes et des êtres vivants aérobies et finit par arriver à un certain équilibre, du au cycle qui s'établit entre les plantes vertes et les êtres aérobies. Au carbonifère, on note une forte activité photosynthétique qui va permettre la capture du CO2 dans la biomasse. C’est durant cette période qu’elle est rapidement enfouie mais n’est pas décomposée. La majorité des gisements pétrolifères se forme à ce moment-là. Extr ait de co urs E ns eig ne men t S cie nti fiq ue Term ina le Cours d’Enseignement Scientifique Terminale Enseignement Scientifique Tle – Première Partie - Page 45 Il y a environ 65 millions d'années, une météorite serait rentrée en collision avec la Terre projetant une couche de poussières dans l'atmosphère vivable, ce qui a pu faire varier dans une faible proportion la composition de l'atmosphère. Il en est de même pour les éruptions volcaniques importantes de l’époque. Depuis 150 ans, l'activité humaine est à l'origine de variations non négligeables de la composition et de la température de notre l'atmosphère. En résumé : Évolution de la composition de l'atmosphère terrestre en O2 et CO2. La composition de l’atmosphère récente correspond encore à celle de l’atmosphère actuelle. La présence de dioxygène est directement liée à la Vie sur Terre. La Terre possède aujourd’hui une atmosphère originale puisqu’elle contient du dioxygène (21 %) et une faible quantité de CO2 (0,03 %). L’étude des roches montre que cette composition a varié au cours des temps géologiques. On a pu construire une courbe d'évolution des gaz atmosphériques au cours du temps. Extr ait de co urs E ns eig ne men t S cie nti fiq ue Term ina le Cours d’Enseignement Scientifique Terminale Enseignement Scientifique Tle – Première Partie - Page 46 Attention, ce graphe ne tient pas compte de la teneur en H2O de l'atmosphère primitive, d’où la différence de pourcentage. La production de dioxygène a, dans un premier temps, causé des extinctions massives chez les bactéries anaérobies mais elle a ensuite permis d’accélérer l’évolution des espèces grâce à l’apparition de la respiration. Plus tard, elle a permis la conquête des milieux continentaux par la mise en place de la couche d’ozone ••••• Extr ait de co urs E ns eig ne men t S cie nti fiq ue Term ina le Cours d’Enseignement Scientifique Terminale Enseignement Scientifique Tle – Première Partie - Page 49 Terre Mars Épaisseur (km) 800 200 Pression (atm) 1 0,006 Température moyenne (°C) 15 -140 à 20 Comparatif des atmosphères terrestre et martienne. Diagramme de phases de l’eau (H2O). Si des missions spatiales visant à habiter sur Mars sont planifiées avant 2030, l’établissement d’une colonie humaine sur la planète rouge est envisageable avant la fin du XXIe siècle. L’étape suivante pourrait consister à terra former Mars, c’est-à-dire transformer son atmosphère pour la rendre habitable par l’humain, malgré sa faible gravité. Questions : 1. Relever les conditions qui rendent l’atmosphère de Mars inhospitalière. 2. Formuler les paramètres à modifier et proposer des pistes de solutions pour terra former Mars. Exercice 4 : Comparaison des atmosphères des planètes telluriques Compétence principalement travaillée : Analyser des données en lien avec l’évolution de la composition de l’atmosphère. Vénus et la Terre sont deux planètes telluriques du système solaire qui présentent à leur surface une atmosphère différente. Ext ait de co ur E ns eig ne men t S cie nti fiq ue Term ina le Cours d’Enseignement Scientifique Terminale Enseignement Scientifique Tle – Première Partie - Page 50 Nuages de l'atmosphère de Vénus révélés par ultraviolet. L’atmosphère de Vénus est plus dense et plus chaude que celle de la Terre. La température et la pression à la surface sont respectivement de 740 K (soit environ 470 °C) et 93 bars. Des nuages opaques faits d'acide sulfurique se trouvent dans l'atmosphère, rendant l'observation optique de la surface impossible. Les principaux gaz atmosphériques de Vénus sont le dioxyde de carbone et l'azote. Les autres composants sont présents seulement sous forme de traces. Gaz Proportion (%) Dioxyde de carbone CO2 96,5 Diazote N2 3,5 Composition de l’atmosphère de Vénus. La pression et la composition exactes de l'atmosphère de Mars sont connues depuis moins d'un demi-siècle et remontent aux premières analyses in situ effectuées en 1976 par les « atterrisseurs » des sondes Viking 1 et Viking 2. [...] On sait aujourd'hui que Mars possède une atmosphère ténue dont la pression moyenne au niveau de référence martien est par définition de 610 Pa, avec une température moyenne de −63 °C. Elle est composée principalement de dioxyde de carbone CO2 (96,0 %), d'argon Ar (1,93 %) et de diazote N2 (1,89 %). Compte tenu de la faible gravité à la surface de Mars, la hauteur d'échelle de cette atmosphère est de 11 km, plus d'une fois et demi celle de l'atmosphère terrestre, qui n'est que de 7 km. . Questions : 1. Comparer les atmosphères de Vénus et de la Terre. Extr ait de co urs E ns eig ne en t S cie nti fiq ue Term ina le Cours d’Enseignement Scientifique Terminale Enseignement Scientifique Tle – Première Partie - Page 51 2. Calculer la masse de chaque gaz (CO2 et N2) sachant que la masse de l’atmosphère de Vénus est évaluée à 4,8×1020 kg. 3. Indiquer les éléments que les scientifiques doivent prendre en compte pour l’observation de la surface de Vénus et l’envoi de sondes. 4. Vénus est la planète la plus chaude du Système solaire. Expliquer pourquoi. 5. Émettre des hypothèses pour expliquer la faible épaisseur de l’atmosphère sur Mars. ••••• Extr ait de co urs E ns eig ne men t S cie nti fiq ue Term ina le