Enseignement scientifique Terminale
Durée 1h – 10 points – Thème « Science, climat et société »
Sujet n°ENSSCI3225
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Notre planète Terre est singulière dans le système solaire, notamment par son atmosphère. Dans cet exercice, nous étudions cette atmosphère en la comparant à celle de Vénus et en analysant son évolution depuis sa formation.
Partie 1 – Vénus et la Terre : des atmosphères jumelles ?
Vénus est la deuxième planète du système solaire par sa distance au Soleil. Elle est appelée l’Étoile du berger car elle brille intensément. De par sa taille équivalente et sa proximité de la Terre, Vénus a longtemps été considérée comme la « sœur jumelle » de la Terre.
| Document 1 – Paramètres physico-chimiques des quatre planètes telluriques | ||||
| Planètes | Composition atmosphérique (en % volumique) | Pression atmosphérique (en Pa) | Distance moyenne au Soleil (en millions de km) | Température moyenne de surface (en °C) |
| Mercure | atmosphère quasi inexistante | ≈ 0 | 58 | 167 |
| Vénus | CO2 (96,5 %) N2 (3,5 %) | 1 x 107 | 108 | |
| Terre primitive | H2O (80 %) CO2 (12 %) N2 (5 %) Autres (3 %) | 1 x 107 | 150 | > 1500 |
| Terre actuelle | 1 x 105 | 150 | + 15 | |
| Mars | CO2 (95 %) N2 (2,7 %) Autres (2,3%) | 6 x 103 | 228 | -63 |
1- Rappeler la composition atmosphérique actuelle de la Terre en précisant le pourcentage de chaque constituant.
Composition atmosphérique actuelle de la Terre :
- Dioxygène O2 (20 %)
- Diazote N2 (80 %)
Si on représente les températures moyennes de surface en fonction de la distance moyenne au Soleil, on obtient le graphique ci-dessous
2- Le graphique précédent semble indiquer qu’il y a une relation affine entre la température moyenne de surface d’une planète et sa distance au soleil. Préciser, si tel était le cas, la température moyenne de surface que devrait avoir Vénus.
Si y a une relation affine entre la température moyenne de surface d’une planète et sa distance au soleil, sachant que la distance moyenne au Soleil est de 180 millions de km la température moyenne de surface que devrait avoir Vénus serait de 85°C.
3- La température moyenne de Vénus est en réalité voisine de 462 °C. L’hypothèse énoncée en question 1 est-elle validée ? En exploitant le document 1 et ses connaissances personnelles, proposer une hypothèse expliquant la température moyenne observée de Vénus.
La température moyenne de Vénus est en réalité voisine de 462 °C, cette valeur est bien différente de la température trouvée par la modélisation de la question précédente.
Ainsi, L’hypothèse énoncée en question 1 n’est pas validée.
On peut faire l’hypothèse que la présence de 96,5% de CO2 (qui est un gaz a effet de serre) peut expliquer que la température moyenne observée de Vénus est bien supérieure à celle trouvée par la modélisation de la question précédente.
4- L’atmosphère terrestre contient un gaz particulier, l’ozone. Rappeler comment se forme ce gaz et préciser son intérêt pour les êtres vivants.
L’ozone (O₃) se forme dans la stratosphère lorsque des molécules de dioxygène (O₂) sont dissociées par les rayons ultraviolets du Soleil, produisant des atomes d’oxygène libres (O) qui réagissent ensuite avec d’autres molécules de dioxygène : O₂ + O → O₃.
5- En exploitant le document 1 et ses connaissances personnelles, expliquer à l’aide de plusieurs arguments que l’atmosphère de Vénus ne peut être considérée ni comme « jumelle » de celle de la Terre primitive ni comme « jumelle » de celle de la Terre actuelle.
Comparons Vénus et la Terre primitive :
- La pression de Vénus et celle de la Terre primitive est identique
- L’atmosphère de Vénus contient du CO2 et du N2 et la Terre primitive contient du CO2 et du N2 également.
Ces ressemblances conduisent à l’affirmation : Vénus a longtemps été considérée comme la sœur jumelle de la Terre.
D’après le document 1, l’atmosphère de Vénus est composée à 96,5 % de CO₂, avec une pression 100 fois supérieure à celle de la Terre, ce qui n’est pas comparable à l’atmosphère actuelle de la Terre, riche en azote et en oxygène. Les températures sont très différentes.
Ainsi, l’atmosphère de Vénus ne peut être considérée comme la jumelle de la Terre actuelle.
D’après le document 1, à Terre primitive contenait plus de CO₂ et du N2 comme Venus. Cependant les proportions ne sont pas comparables (12% % de CO₂ pour la Terre contre 96,5% de CO₂ pour Venus).
De plus, la température moyenne à la surface de Vénus est de 462 °C, contre une température supérieure à 1500°C pour la Terre primitive.
Enfin, la Terre a vu son atmosphère évoluer grâce à l’apparition de la vie (photosynthèse, fixation du carbone), processus absents sur Vénus.
Ainsi, l’atmosphère de Vénus ne peut être considérée comme la jumelle de la Terre primitive.
Partie 2 – L’évolution de l’atmosphère terrestre au cours des temps géologiques
Document 2 – Évolution de la concentration de quelques gaz de l’atmosphère terrestre au cours du temps
6- En exploitant le document 2 et ses connaissances personnelles, expliquer l’évolution de la teneur en eau de l’atmosphère de la Terre observée sur le document 2. En déduire les dates du début et de la fin de la formation des océans.
On observe sur le document 2 qu’a partie de -4,5 milliards d’années la teneur en eau de l’atmosphère de la Terre diminue jusqu’à être nulle à -4,0 milliards d’années.
On peut estimer le début de la formation des océans se situe probablement autour de -4,5 milliards d’années et que la fin de cette formation se situe autour de -4,0 milliards d’années, lorsque la teneur en eau de l’atmosphère devient nulle.
Document 3 – Stromatolithes et métabolisme des cyanobactéries actuelles
Les stromatolithes sont des constructions carbonatées parmi les plus anciennes roches fossiles d’origine biologiques connues : les plus anciennes ont été datées à environ 3,5 milliards d’années. Elles se sont formées à partir de micro-organismes comme les cyanobactéries. On en trouve à quelques endroits de la Terre sur les littoraux marins ou lacustres.
Photo de stromatolithes à Highborne aux Bahamas
Source : Wikipédia
Une culture de cyanobactéries est placée dans une enceinte hermétique. Les teneurs en dioxygène et en dioxyde de carbone sont relevées sous différentes conditions d’éclairement. Les résultats sont présentés sur le graphique ci-dessous.
Évolution des teneurs en dioxygène et dioxyde de carbone de la culture de cyanobactéries
7- En exploitant le document 3 et ses connaissances personnelles, donner, en le justifiant, le nom des métabolismes mis en œuvre par les cyanobactéries dans l’expérience, entre 0 et 5 minutes puis entre 5 et 10 minutes.
Entre 0 et 5 minutes, il y a une diminution de la teneur en en dioxygène (O2) et une augmentation de la teneur dioxyde de carbone (CO2) : le dioxygène est un réactif et le dioxyde de carbone un produit. Les cyanobactéries utilisent le métabolisme de la respiration.
Entre 5 et 10 minutes, il y a une diminution de la teneur en dioxyde de carbone (CO2) et une augmentation de la teneur en dioxygène (O2) : en présence de lumière le dioxyde de carbone est un réactif et le dioxygène un produit. Les cyanobactéries utilisent le métabolisme de la photosynthèse
8- En exploitant l’ensemble des documents de l’exercice et ses connaissances personnelles, décrire les quatre grandes étapes expliquant l’évolution de la composition de l’atmosphère terrestre depuis sa formation jusqu’aux changements les plus récents.
L’évolution de l’atmosphère terrestre s’est déroulée en quatre grandes étapes :
- Première atmosphère (-4,5 milliards d’années) : l’atmosphère est composée principalement de dioxyde de carbone (CO₂), azote (N₂) et vapeur d’eau (document 1).
- Formation des océans (-4,5 à -4,0 milliards d’années) : Le refroidissement de la Terre a permis la condensation de la vapeur d’eau permettant la formation des océans, réduisant la teneur en CO₂ dans l’atmosphère (document 2).
- Apparition de la vie et oxygénation (-3,5 à -2,5 milliards d’années) : Les cyanobactéries ont commencé à produire de l’oxygène par photosynthèse, entraînant une augmentation progressive de l’oxygène atmosphérique (document 3).
- Atmosphère actuelle (depuis -0,5 milliard d’années) : L’oxygène s’est stabilisé à 21 %, tandis que le dioxyde de carbone a diminué. Cependant, les activités humaines ont récemment augmenté les gaz à effet de serre, affectant le climat.