Enseignement scientifique Terminale
Durée 1h – 10 points – Thème « Science, climat et société »
Sujet n°ENSSCI3179 et n°ENSSCI3180
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La Terre s’est formée il y a plus de 4 milliards d’années par agglomération (on parle aussi d’accrétion) de météorites appelées « chondrites ». L’atmosphère primitive de la Terre, est issue d’un dégazage des roches au cours de son refroidissement. Elle avait une composition très différente de l’atmosphère actuelle. La transformation de l’atmosphère au cours du temps est marquée en particulier par un fort enrichissement en dioxygène, ce qui lui a conféré un caractère oxydant.
L’objectif de cet exercice est de rechercher des arguments expliquant l’enrichissement de l’atmosphère en dioxygène, il y a 2,4 milliards d’années et de comprendre comment les chercheurs ont pu reconstituer l’histoire de l’atmosphère.
Document 1 – Métabolisme des cyanobactéries actuelles
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
Données :
Il existe différents types de métabolismes, notamment :
- la respiration : O2+ Sucre →H2O+ CO2
- la photosynthèse : $CO_2+H_2O\xrightarrow{\text{en présence de lumière}}Sucre+O_2$
- la fermentation alcoolique : Sucre → CO2 + Ethanol
Les équations des réactions ne sont pas ajustées, elles indiquent seulement la nature des réactifs et des produits. Les sucres, appelés aussi hydrates de carbone, sont composés de carbone (C), d’hydrogène (H) et d’oxygène (O).
1- À l’aide du document 1, donner, en justifiant, le nom du métabolisme utilisé par les cyanobactéries dans l’expérience entre 0 et 5 minutes, puis entre 5 et 10 minutes.
Entre 0 et 5 minutes, la concentration en dioxygène diminue et la concentration en dioxyde de carbone augmente.
On en déduit que le dioxygène O2 est un réactif et le dioxyde de carbone CO2 un produit.
Ainsi, le métabolisme utilisé par les cyanobactéries entre 0 et 5 minutes est la respiration : O2 + Sucre → H2O + CO2
Entre 5 et 10 minutes, la concentration en dioxygène augmente et la concentration en dioxyde de carbone diminue.
On en déduit que le dioxygène O2 est un produit et le dioxyde de carbone CO2 un réactif.
Ainsi, le métabolisme utilisé par les cyanobactéries entre 5 et 10 minutes est la photosynthèse :
CO2 + H2O → Sucre + O2
2- Les stromatolithes sont des constructions carbonatées d’origine biologique formées par des micro-organismes, semblables à des cyanobactéries. Les plus anciens ont été datés à environ 3,5 milliards d’années. À partir du document 1 et de vos connaissances, justifier d’une origine probable de la production de dioxygène à partir de 3,5 milliards d’années.
Les plus anciens stromatolithes ont été datés à environ 3,5 milliards d’années.
Or les stromatolithes sont des constructions carbonatées d’origine biologique formées par des micro-organismes, semblables à des cyanobactéries.
Nous avons vu, dans le document 1, que les cyanobactéries utilisaient la photosynthèse et produisaient du dioxygène O2
Ainsi, on peut supposer qu’une origine probable de la production de dioxygène il y’a de 3,5 milliards d’années est due aux stromatolithes.
Document 2 – Les formations sédimentaires d’oxydes de fer
La grande majorité des minerais de fer du monde est constituée de ce qu’on appelle des fers rubanés (Banded Iron Formation ou BIF, en anglais). Ces BIF existent sous plusieurs formes, plus ou moins riches en fer, et contiennent un oxyde de fer composé de deux atomes de fer et de trois atomes d’oxygène.
Le tableau ci-dessous présente différents oxydes de fer :
| Oxyde de fer | Formule brute | Description | Équation chimique de formation de l’oxyde de fer, non ajustée |
| Wustite | FeO | Poudre grise | Fe + O2 → FeO |
| Hématite | Fe2O3 | Minéral de couleur rouille | Fe + O2 → Fe2O3 |
| Magnétite | Fe3O4 | Minéral de couleur noire | Fe + O2 → Fe3O4 |
3- Nommer l’oxyde de fer majoritaire présent dans les BIF et ajuster l’équation chimique modélisant sa formation après l’avoir recopiée sur la copie.
L’oxyde de fer majoritaire présent dans les BIF est l’hématite de formule Fe₂O₃.
Équation chimique modélisant sa formation : 4 Fe+3 O2→ 2 Fe₂O₃.
Document 3 – Évolution de la formation des paléosols rouges et des fers rubanés au cours du temps
Source : d’après C. Klein, Nature, 1997
L’axe des abscisses correspond à l’âge des roches en milliard d’années avant le présent. L’axe des ordonnées correspond à la quantité relative des roches formées.
Les paléosols, ou sols fossiles, se sont formés par altération de roches continentales au contact de l’atmosphère. La couleur rouge de certains de ces sols provient de la forte teneur en hématite. Les fers rubanés sont toujours des formations sédimentaires marines.
Le volcanisme continental et marin relâchent une quantité importante de fer sous forme d’ions Fe2+ oxydés en Fe3+ par le dioxygène.
4- À l’aide du document 3, proposer une chronologie d’évènements ayant conduit à la mise en place d’une atmosphère riche en dioxygène.
À partir du document 3, on peut proposer la chronologie suivante des événements ayant conduit à une atmosphère riche en dioxygène :
Avant 3,5 milliards d’années :
Une activité volcanique relâche des ions Fe²⁺ dans l’eau, oxydés en Fe³⁺ (document 3) par le dioxygène produit par des organismes photosynthétiques comme les cyanobactéries (questions précédentes).
Les fers rubanés (BIF) se forment en grande quantité dans les océans (milieu océanique).
Cependant, ce dioxygène est immédiatement consommé pour précipiter le fer, il ne s’accumule donc pas dans l’atmosphère.
Vers 2,6 à 1,8 milliards d’années :
La formation des BIF (milieu océanique) diminue fortement, et des paléosols rouges dans (milieu continentale) apparaissent.
Le dioxygène commence à s’accumuler dans l’atmosphère et oxyde le fer contenu dans les sols continentaux.
La Terre s’est formée il y a plus de 4 milliards d’années par accrétion de chondrites. Très rapidement, elle a subi un processus de différenciation au cours de laquelle les éléments volatiles se seraient vaporisés, séparés de la roche et accumulés en surface, formant une atmosphère primitive par dégazage. Ainsi, l’analyse de la composition chimique des chondrites a permis d’estimer la composition chimique de cette atmosphère primitive.
5- À l’aide de vos connaissances et des documents 4 et 5 suivants, argumenter sur la nécessité, pour les scientifiques, d’employer différentes méthodes pour reconstituer la longue histoire de la composition de l’atmosphère terrestre.
L’analyse des chondrites (document 4), météorites primitives à l’origine de la Terre, permet d’estimer la composition initiale de la Terre et des gaz issus du dégazage, à l’origine de l’atmosphère primitive. Cependant, cette méthode ne donne que des informations issues d’échantillons non terrestres, et ne permet pas de connaître l’évolution de l’atmosphère dans le temps.
L’étude des glaces polaires (document 5) permet de retracer la composition de l’air grâce aux bulles d’air piégées dans les calottes de glaces polaires.
Cette méthode permet de mesurer la teneur en CO₂ au cours des cycles climatiques
Cependant, cette elle est limitée dans le temps car elle permet de remonter « seulement » sur les 800 000 dernières années et ne couvre donc qu’une fraction de l’histoire de l’atmosphère terrestre.
C’est pourquoi reconstituer l’histoire de la composition de l’atmosphère terrestre, les scientifiques doivent employer différentes méthodes pour reconstituer la longue histoire de la composition de l’atmosphère terrestre.
Document 4 – Comparaison de la composition chimique de la Terre des chondrites (météorites à l’origine de la Terre)
| Éléments | Composition chimique moyenne des chondrites | Composition chimique moyenne de la Terre globale |
| O | 31% | 32.4% |
| Fe | 27.4% | 28.2% |
| Si | 18.5% | 17.2% |
| Mg | 14% | 15.9% |
| Ca | 3.5% | 1.6% |
| Al | 2% | 1.5% |
| Na | 0.6% | 1.25% |
| K | 0.4% | 0.02% |
| Autres éléments | 2.6% | 2.9% |
Source : https://planet-terre.ens-lyon.fr/ressource/meteorites-origine-systeme-solaire.xml
Document 5 – En 1980 des glaciologues de l’IGE (Institut des géosciences de l’environnement) ont découvert comment reconstituer la teneur en CO2 de notre atmosphère
Lors de leur formation, au moment de la compaction de la neige à la surface, les calottes de glaces polaires piègent continuellement des petites bulles d’air. La glace a donc cette étonnante propriété : elle peut fournir une archive naturelle de la composition de l’air ancien, jusqu’à plusieurs centaines de milliers d’années ! Mais le challenge n’est pas simple et il a fallu plus de 20 ans d’efforts aux glaciologues de l’époque pour arriver à extraire ces informations. La solution fut trouvée, il y a 40 ans par Robert Delmas et ses collègues, qui développèrent une technique fiable pour extraire de la glace l’air qui y était contenu et en mesurer la composition en CO2. Ce travail pionnier ouvrait la voie aux mesures modernes des archives glaciaires montrant que les niveaux de CO2 dans l’atmosphère ont affectés la température de la Terre durant des centaines de milliers d’années.
Source : extrait du site de l’observatoire des sciences de l’univers (OSUG) de Grenoble