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Brève histoire de l'atmosphère

MétéoSuisse-Blog | 01 mai 2023
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La pellicule d’air qui entoure notre planète est composée essentiellement d’azote et d’oxygène, et ce dans un rapport de 4 :1 ; ces deux gaz ne figurent qu’en petites quantités dans les atmosphères (quand elles existent) des autres planètes du système solaire. Cette composition ne va donc pas de soi, et de fait n’a pas toujours été celle que nous connaissons aujourd’hui. Le blog de ce jour porte sur l’évolution présumée de notre atmosphère au fil des quelques 4.5 milliards d’année d’histoire de la Terre.

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L’atmosphère terrestre a connu 3 phases. A son origine, elle était composée essentiellement des éléments les plus légers de la matière intergalactique qui a donné naissance, par accrétion, à toutes les planètes du système solaire, à savoir de l’hydrogène et de l’hélium (également composants principaux des étoiles). Encore presque entièrement en fusion, la Terre présentait en surface des températures proches de 1600 °C, et son atmosphère était entièrement dépourvue d’oxygène.

Cette atmosphère ne dura pas très longtemps à l’échelle géologique, soit quelques petites dizaines de millions d’années. En effet, l’hydrogène et l’hélium étant les plus simples et les plus légers de tous les éléments (atomes), ils parvinrent rapidement à se soustraire à l’attraction gravitationnelle de la Terre et à s’échapper vers l’espace.

La seconde atmosphère terrestre se mit en place par dégazage de la matière (encore en partie en fusion dans un premier temps) composant la planète. C’est donc de l’intérieur, en particulier par l’intermédiaire d’une importante activité volcanique, que s’échappèrent les éléments les plus volatiles présents dans le magma, en particulier les gaz. Bien que légers, ces éléments étaient cependant suffisamment lourds pour ne pas être en mesure d’échapper à la gravité terrestre. Cette atmosphère – dite du second stade – était composée essentiellement de vapeur d’eau (plus de 80 %), de dioxyde de carbone (CO2 : plus de 10 %), et d’un peu d’azote (N2). Comme on peut le voir, toujours pas la moindre trace d’oxygène respirable !

Cette seconde atmosphère dite de l’Archéen (période géologique allant de -3.8 à -2.5 milliard d’année environ), environ 100 fois plus dense que l’atmosphère actuelle et composée essentiellement de vapeur d’eau et de CO2, fut soumise à un effet de serre proprement diabolique. Par bonheur pour elle, le rayonnement du Soleil à cette époque était nettement moindre qu’actuellement, et c’est cet effet de serre qui permit à la Terre primordiale – une fois la croûte terrestre formée – de ne pas geler.

Au cours du refroidissement progressif qui se mit en place par la suite, les quantités phénoménales de vapeur d’eau présentes dans l’atmosphère condensèrent sous forme de pluieS acides riches en dioxyde de carbone (CO2). Cette phase qui dura environ 300 millions d’années, fut à l’origine de la formation des océans, lesquels incorporèrent – sous forme dissoute – environ la moitié du CO2 présent dans cette seconde atmosphère terrestre. Une partie de l’eau composant les océans fut également d’origine extraterrestre ; la Terre était en effet en ce temps-là soumise à un intense bombardement d’objets spatiaux, dont certains riches en eau comme les noyaux de comètes par exemple.

L’apparition et l’évolution de la vie dans les océans permit aux organismes d’incorporer une grande partie du dioxyde de carbone dissous dans l’eau, sous forme de coquilles et autres carapaces diverses, lesquelles tapissèrent rapidement le fond des océans au fur et à mesure que ces organismes mourraient. Au cours des âges, ces débris s’incorporèrent aux roches détritiques, voire formèrent elles-mêmes de nouvelles strates, notamment les couches de calcaire dont certaines sont très riches en fossiles.

La majeure partie du dioxyde de carbone restant dans l’atmosphère fut utilisée d’abord par les organismes végétaux marins (phytoplancton, algues, etc…), puis par ceux présents sur les rives, au moyen de la photosynthèse, laquelle permet de convertir le CO2 en nutriments grâce à l’énergie solaire. Le début de l’activité des organismes photosynthétiques entraîna l’apparition d’oxygène dans l’atmosphère sous forme de produit dérivé de la photosynthèse. A ce stade de l’évolution de la Terre, l’atmosphère contenait encore principalement de l’azote et de la vapeur d’eau.

Dans un premier temps, l’oxygène ainsi produit ne se maintint pas longtemps dans l’atmosphère. En effet, l’oxygène étant une molécule très réactive, elle se combina rapidement avec d’autres éléments présents à la surface de la Terre pour les oxyder. Ainsi se forma par exemple l’oxyde de fer que l’on appelle la « rouille » et qui compose généralement le minerai de fer.

Ce n’est qu’il y a environ 2 milliards d’années que l’atmosphère commença vraiment à s’enrichir en oxygène, la production par les plantes, de plus en plus nombreuses, devenant importante et l’oxydation des minéraux et autres matières présentes étant déjà bien avancée.

Ainsi, appauvri en dioxyde de carbone par la photosynthèse et en vapeur d’eau par les précipitations, puis enrichi en oxygène par l’activité des plantes, l’air devint le mélange d’azote et d’oxygène que nous respirons aujourd’hui. L’azote, composant proportionnellement mineur de l’atmosphère primitive, est aujourd’hui le composant principal d’une atmosphère nettement moins dense qu’à ses origines.

Actuellement, la proportion de CO2 dans l’atmosphère n’est plus que de 0.04 % environ, mais elle augmente dangereusement ! Celle de la vapeur d’eau est comprise entre 0.5 et 5 % selon les régions ; les océans étant sa principale source, elle est présente essentiellement dans les basses couches de l’atmosphère.

La planète sœur de la Terre, Vénus (voir l’article du 25 novembre 2022), à la composition originelle très semblable à celle de la Terre, a suivi un autre chemin, ne disposant ni d’océans pour dissoudre le CO2, ni d’organismes vivants capables de le convertir en oxygène et composés carbonés. Son atmosphère se compose aujourd’hui de 96 % de dioxyde de carbone (CO2), de 4 % d’azote et il y fait 460 °C en surface.

Ouf, on a eu chaud, on respire !

Pourvu que ça dure…