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TP 3 - Effet de serre et climats du futur
Article mis en ligne le 13 mai 2020
dernière modification le 20 mai 2020

par F. Touihrat

 Ressources

 Activité 1

Captures d’image des observations microscopiques des deux montages (cliquer pour agrandir).

Montage 1
Montage 2

 Activité 2

Résultats de l’expérience du document 1

JPEG - 12.6 ko
Les deux tubes contiennent au départ du sulfate de fer III en solution.
De l’eau oxygénée a été ajoutée dans le tube 1.

 Activité 3

Le logiciel SimClimat pour l’activité 3 est téléchargeable gratuitement et légalement ici.

La fiche technique est téléchargeable sur la même page.

N’hésitez pas à faire d’autres simulations, les combinaisons de facteurs sont très nombreuses.

 Corrigé

 Introduction

Les points à retenir du document de référence :

  • La comparaison des gaz volcaniques et des gaz météoritiques permet d’avoir une bonne idée de la composition de l’atmosphère primitive, essentiellement composée de vapeur d’eau.
  • La différence principale entre l’atmosphère actuelle et l’atmosphère primitive est la présence de dioxygène en proportion non négligeable.
  • Attention à la lecture de ce tableau : la composition de l’atmosphère est donnée en proportions (pourcentages) et non en quantités. Les changements quantitatifs de quelques composés font également changer les proportions de ceux dont la quantité n’a pas changé. Par exemple, la quantité de diazote n’a pas changé, mais la forte diminution de la quantité de vapeur d’eau (condensation et formation des masses océaniques lors du refroidissement de la Terre) fait fortement augmenter la proportion de diazote.
  • Ceci étant, on considérera alors que
    • la quantité de dioxyde de carbone a diminué
    • la quantité de dioxygène a augmenté (à partir de 0...)

 Activité 1

La mise en situation présente les stromatolites et donne les conditions de leur formation : milieu océanique peu profond, c’est-à-dire eau et lumière et sels minéraux.

Le principe d’actualisme permet de supposer que les stromatolites fossiles, datés de 3,5 Ga se sont formés de la même façon que se forment les stromatolites observables aujourd’hui.

Le document 1 montre la structure interne d’un stromatolite. On retient qu’un stromatolites est constitué par la superposition d’un grand nombre de lamines claires et sombres alternées.

L’observation microscopique des deux cultures de cyanobactéries qu’à la lumière, il se forme des cristaux qui ne se forment pas à l’obscurité.

Le document 2 indique que la structure des Cyanobactéries présente des thylakoïdes et de la chlorophylle.

Le document 3 montrent que, à la lumière, elles consomment du dioxyde de carbone et produisent du dioxygène.

Les documents 2 et 3 permettent d’affirmer que les Cyanobactéries sont présentent une structure et un métabolisme semblable à celui des chloroplastes des végétaux chlorophylliens. Elles sont donc capables de réaliser la photosynthèse [1]

Le document 4 présente la réaction de précipitation/dissolution à l’origine de la formation du calcaire (carbonate de calcium) [2]. Ce qui nous intéresse dans ce TP étant la précipitation du carbonate de calcium (formation du les lamines calcaires des stromatolites), on se concentre sur le sens « de gauche à droite » de l’équilibre :

$HCO_{3}^{-} + Ca^{2+} \longrightarrow CaCO_{3} \downarrow + CO_{2} + H_{2}O$

Alors, comme dans toute réaction chimique (cf. vos cours de cinétique chimique), l’équilibre est déplacé vers la droite si un des produits est ôté (consommé par une autre réaction par exemple).

À l’aide de l’ensemble de ces éléments, on peut conclure que la formation des stromatolites est due à l’activité photosynthétiques des Cyanobactéries :

  • le biofilm formé par la colonie de cyanobactéries à la surface du stromatolite réalise la photosynthèse (milieu océanique peu profond).
  • la consommation du dioxyde de carbone dissous dans l’eau provoque un déplacement de l’équilibre des carbonates et la précipitation de carbonate de calcium, ce qui forme une lamine claire
  • cette couche de calcaire tue la majorité des cyanobactéries qui se trouvent piégées dessous, ce qui forme une lamine sombre (riche en matière organique)
  • la lamine supérieure de calcaire est à nouveau colonisée par les cyanobactéries qui forment un nouveau biofilm, lequel réalise la photosynthèse, etc.

Par conséquent, l’existence de stromatolites fossiles âgés de 3,5 Ga montre qu’il existait déjà une activité de type photosynthétique à l’époque, avec consommation de dioxyde de carbone, et donc production de dioxygène, en milieu océanique.

 Activité 2

Exploitation du document 1 :

  • On sait que
    • il existe (au moins) deux états d’oxydation du fer : le fer II, dit fer ferreux et le fer III dit fer ferrique
    • les ions correspondants à ces deux états d’oxydation sont respectivement Fe2+ et Fe3+
    • ces ions forment un coupe redox
    • les ions ferreux sont beaucoup plus solubles que les ions ferriques
    • l’eau oxygénée appartient à deux coupes redox H2O2/H2O ET O2/H2O2, ce qui en fait unn composé instable qui se dissocie spontanément en O2 et H2O
  • Or, on voit que
    • les ions ferreux donnent une couleur verte à la solution
    • les ions ferriques donnent une couleur rouge au précipité
  • Donc, on en déduit qu’en présence de dioxygène, l’oxydation des ions ferreux a formé un précipité d’oxyde de fer III Fe2O3

Le document 2 indique que l’oxyde ferrique se trouve en abondance dans des formations sédimentaires océaniques (fers rubanés) et continentales (sols rouges).

Le graphique met en parallèle les périodes de formation de ces dépôts sédimentaires et l’évolution du taux de dioxygène atmosphérique.

On constate que le dioxygène commence à être présent en quantité non négligeable il y a environ 2,5 à 2 Ga.

Or on a conclut de l’activité 1 que le dioxygène avait commencé à être produit vers -3,5 Ga. Comment expliquer ce retard d’environ 1 à 1,5 Ga ?

Sur le graphique, on voit que la période comprise entre -3,5 et -2 Ga correspond à la formation des fers rubanés, c’est-à-dire la précipitation d’oxyde de fer III.

On en déduit que pendant cette période, tout le dioxygène produit en milieu océanique (cyanobactéries) a été consommé par la réaction d’oxydation/précipitation des ions fer contenus dans l’eau de mer.

C’est seulement quand les ions fer se sont retrouvés en défaut, vers -2,5 à -2 Ga, que le dioxygène a pu s’accumuler dans l’eau de mer et, de là, diffuser dans l’atmosphère.

Cela est confirmé par la datation des premiers paléosols rouges continentaux, qui ont commencé à se former à ce moment, indiquant que l’atmosphère est devenue oxydante et a commencé à oxyder le fer présent en milieu continental (roches, sédiments) [3].

L’oxydation du fer continental se poursuit de nos jours.

L’augmentation du taux de dioxygène atmosphérique visible sur le graphique vers -350 Ma coïncide avec la colonisation de la terre ferme par les végétaux chlorophylliens.

 Activité 3

Il n’y en avait pas sur le TP, mais vous avez pu voir avec le logiciel de modélisation les liens qui existent entre la composition de l’atmosphère et le climat (sinon, il n’est pas trop tard pour télécharger le logiciel et faire un peu joujou).