Histoire géochimique
L’histoire géochimique de l’atmosphère a été complexe. Les scientifiques s’accordent à dire que l’atmosphère actuelle est assez différente de celle d’origine. Elle est certainement très différente de celles des autres planètes. Il est raisonnable de conclure que cela reflète, en partie du moins, le fait que la Terre est le lieu de vie. L’atmosphère de la Terre diffère de celles de ses voisines du système solaire probablement en grande partie par l’action de la photosynthèse, un processus biologique complexe qui a probablement été précédé d’une longue période d’évolution organique.
La nature de l’atmosphère primitive de la Terre fait encore l’objet de quelques spéculations. Certains scientifiques, raisonnant par analogie avec les plus grosses planètes comme Jupiter, ont plaidé pour une atmosphère originelle composée en grande partie de méthane et d’ammoniac. D’autres ont considéré que les gaz volcaniques actuels pouvaient indiquer la nature de l’atmosphère primitive, auquel cas elle contenait du dioxyde de carbone, éventuellement du monoxyde de carbone, de l’azote et de la vapeur d’eau. Dans les deux cas, l’oxygène libre était absent. Si l’on retrace l’évolution de l’atmosphère en remontant dans le temps à travers les archives géologiques, une photosynthèse terrestre extensive est indiquée par une abondance de plantes terrestres à l’époque dévonienne, il y a environ 400 000 000 d’années. La photosynthèse marine, cependant, est beaucoup plus ancienne, puisque pratiquement tous les principaux groupes d’organismes marins étaient établis au début de la période cambrienne, il y a environ 540 000 000 d’années. Comme nous l’avons vu précédemment, les vastes formations de fer du Précambrien suggèrent une atmosphère sans oxygène qui s’est terminée il y a environ 2 000 000 000 d’années. Cette évidence s’est traduite par des estimations de la teneur en oxygène de l’atmosphère d’environ 1 pour cent du niveau actuel il y a 2 000 000 000 d’années, d’environ 10 pour cent du niveau actuel au début de la période cambrienne, et essentiellement du contenu actuel à l’époque dévonienne.
Bien qu’il ne soit pas encore possible de connaître la composition quantitative de l’atmosphère primitive, les processus géochimiques qui ont opéré pour modifier sa composition au cours des temps géologiques peuvent être évalués. Ces processus peuvent être résumés comme une série de gains et de pertes. Les ajouts à l’atmosphère comprennent (1) les gaz libérés par l’activité ignée ; (2) l’oxygène et l’hydrogène produits par la dissociation photochimique de la vapeur d’eau ; (3) l’oxygène produit par la photosynthèse ; (4) l’hélium produit par la dégradation radioactive de l’uranium et du thorium ; et (5) l’argon produit par la dégradation radioactive du potassium. Les pertes atmosphériques comprennent : (1) l’élimination de l’oxygène par l’oxydation du fer ferreux en fer ferrique, des composés soufrés en sulfates, de l’hydrogène en eau, et des réactions similaires ; (2) le dioxyde de carbone éliminé par la formation du charbon, du pétrole, et la mort et l’enfouissement des organismes ; (3) le dioxyde de carbone éliminé par la formation des carbonates de calcium et de magnésium ; (4) l’azote éliminé par la formation d’oxydes d’azote dans l’air et par l’action des bactéries nitrifiantes dans le sol ; et (5) l’hydrogène et l’hélium par échappement au champ gravitationnel de la Terre.
La photosynthèse a certainement été le processus le plus important pour contrôler la composition de l’atmosphère pendant une grande partie des temps géologiques. Grâce à ce processus, le dioxyde de carbone et l’eau sont convertis en hydrates de carbone, ce qui entraîne une libération d’oxygène. Une grande partie de ces glucides est consommée par les animaux et reconvertie en dioxyde de carbone et en eau par la respiration, et la décomposition oxydative aboutit au même résultat. Une partie, cependant, est incorporée dans les sédiments ; une partie peut aller former des dépôts exploitables de charbon et de pétrole, mais la plus grande partie reste sous forme de matière carbonée disséminée ; la teneur moyenne en carbone des roches sédimentaires est d’environ 0,4 pour cent.
Quantitativement, des quantités plus importantes de dioxyde de carbone ont été retirées de l’atmosphère sous forme de calcaire et de dolomite. La plupart de cette élimination a été effectuée par des organismes marins, notamment des algues et des coraux, mais une précipitation inorganique directe peut se produire, notamment dans les eaux tropicales chaudes. À en juger par les vastes dépôts de calcaire et de dolomite dans les archives sédimentaires, ce processus a fonctionné avec un degré remarquable d’uniformité au cours des temps géologiques. Les formations calcaires étendues sont peut-être moins courantes dans les roches précambriennes plus anciennes, ce qui indique un début plus lent de la précipitation des carbonates. Il est vraiment remarquable qu’une telle quantité de roches carbonatées se soit déposée au cours des temps géologiques, le carbonate provenant en fin de compte d’une atmosphère qui n’a peut-être jamais contenu une concentration de dioxyde de carbone beaucoup plus élevée qu’aujourd’hui. On a fait remarquer que des réactions comme la décomposition du silicate de calcium-CaSiO3 + CO2 = CaCO3 + SiO2, dans laquelle CaSiO3 est le silicate de calcium, CO2 est le dioxyde de carbone, CaCO3 est le carbonate de calcium et SiO2 est le dioxyde de silicium, qui a tendance à aller vers la droite à des températures ordinaires- agiront comme des mécanismes tampons pour maintenir la concentration de dioxyde de carbone de l’atmosphère à un niveau continuellement bas.
Si la concentration de dioxyde de carbone est restée essentiellement constante, et que pourtant ce composé a été continuellement extrait pour former des carbonates et des composés organiques, il est clair qu’une source équilibrante de « nouveau » dioxyde de carbone est nécessaire. Cette source a manifestement été fournie par le volcanisme et d’autres activités ignées. La Terre est régulièrement dégazée, c’est-à-dire que les composés gazeux contenus dans le manteau s’échappent vers la surface. La présence de dioxyde de carbone dans le manteau a été démontrée par la présence d’inclusions microscopiques de dioxyde de carbone liquide dans les minéraux des xénolites de péridotite (roches contenues dans d’autres roches) remontées par certains volcans. Outre le dioxyde de carbone, une grande quantité d’eau et de petites quantités d’autres substances volatiles sont ajoutées en permanence à partir de sources situées dans le manteau. En définitive, l’hydrosphère, ainsi que l’atmosphère, est le produit du dégazage de l’intérieur de la Terre.
Parmi les gaz atmosphériques restants, l’argon présente des caractéristiques intrigantes. L’argon est de loin le plus abondant des gaz inertes sur Terre, alors que dans l’univers dans son ensemble, il est beaucoup moins abondant que l’hélium ou le néon. En outre, sa composition isotopique est très distincte, puisqu’il est presque entièrement constitué d’argon-40, alors que dans le Cosmos, l’argon-36 est l’isotope le plus abondant. La raison de ces anomalies est que l’argon atmosphérique est presque entièrement radiogénique, le produit de la désintégration de l’isotope 40 du potassium.
De même, l’hélium de l’atmosphère est probablement entièrement le produit de la désintégration radioactive de l’uranium et du thorium. En fait, l’atmosphère ne contient qu’environ 10 % de la quantité totale d’hélium générée par ces sources au cours des temps géologiques. Une partie de cet hélium reste enfermée dans les roches où elle s’est formée, une autre s’est échappée de la haute atmosphère. L’hélium (et l’hydrogène), composé d’atomes légers, peut s’échapper du champ gravitationnel de la Terre, alors que les gaz plus lourds ne le peuvent pas. Une source mineure d’oxygène atmosphérique au cours des temps géologiques est probablement la décomposition photochimique de la vapeur d’eau dans la haute atmosphère, avec la perte ultérieure de l’hydrogène vers l’espace extra-atmosphérique.
Une partie de l’oxygène a été éliminée de l’atmosphère par des réactions oxydatives, dont la plus importante a été la conversion du fer ferreux en fer ferrique. Dans les roches ignées, le rapport moyen fer ferreux/fer ferrique (FeO/Fe2O3) est supérieur à l’unité, alors que dans les roches sédimentaires, la proportion est inversée, le fer ferrique étant dominant par rapport au fer ferreux. Les autres réactions d’oxydation sont la conversion des composés manganeux en dioxyde de manganèse et du sulfure d’hydrogène en soufre libre et en sulfate. L’azote est presque inerte du point de vue géochimique, mais une petite quantité est fixée sous forme d’oxydes d’azote par la foudre, et un peu plus par l’action des bactéries nitrifiantes dans le sol. La majeure partie de cet azote est finalement renvoyée dans l’atmosphère par la décomposition des organismes. Les oxydes d’azote formés dans l’atmosphère sont éliminés par la pluie sous forme de nitrites et de nitrates. L’azote ne s’accumule pas dans le sol, cependant, sauf peut-être dans des conditions extrêmement arides, comme dans les déserts du nord du Chili, lieu des dépôts de nitrate uniques.