L'atmosphère terrestre et son évolution

Exercices corrigés

1. De combien l'effet de serre naturel élève-t-il la température moyenne à la surface de la Terre ?

   • A.D'environ 33 °CBonne réponse
   • B.D'environ 3 °C
   • C.D'environ 100 °C
   • D.D'environ 15 °C

   Réponse : A — D'environ 33 °C

   Sans atmosphère, le bilan radiatif donne une température d'équilibre de 255 K, soit −18 °C. La température moyenne réelle est de 15 °C. L'écart vaut 15 − (−18) = 33 °C : c'est l'effet de serre naturel. Attention au piège de la dernière option : 15 °C est la température finale, pas l'écart.

2. Quelles roches témoignent de la consommation du dioxygène par le fer dissous dans les océans anciens ?

   • A.Les granites
   • B.Les calcaires
   • C.Les charbons
   • D.Les fers rubanésBonne réponse

   Réponse : D — Les fers rubanés

   Les fers rubanés sont des roches sédimentaires marines, datées entre −3,8 et −1,8 milliard d'années, faites d'une alternance de lits siliceux clairs et de lits rouges d'oxydes de fer. Elles prouvent que du dioxygène était produit, mais qu'il était immédiatement consommé par le fer dissous — donc qu'il n'atteignait pas encore l'atmosphère. Les calcaires, eux, témoignent du piégeage du CO2, et les charbons de l'enfouissement de matière organique.

3. Quelle équation traduit correctement la photosynthèse ?

   • A.C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O
   • B.6 CO2 + 6 O2 → C6H12O6 + 6 H2O
   • C.6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2Bonne réponse
   • D.6 CO2 + C6H12O6 → 6 H2O + 6 O2

   Réponse : C — 6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2

   La photosynthèse utilise l'énergie lumineuse pour fabriquer de la matière organique à partir de matière minérale : 6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2. Elle consomme du CO2 et libère du O2. La première option est exactement l'inverse : c'est la respiration. Vérifie toujours en comptant les atomes : 6 carbones, 12 hydrogènes et 18 oxygènes de chaque côté.

4. La constante solaire vaut S = 1360 W/m² et l'albédo terrestre A = 0,30. Quelle puissance moyenne la Terre absorbe-t-elle par mètre carré de sa surface ?

   • A.238 W/m²Bonne réponse
   • B.952 W/m²
   • C.340 W/m²
   • D.102 W/m²

   Réponse : A — 238 W/m²

   Deux étapes. D'abord la géométrie : la Terre intercepte le rayonnement sur un disque (pi R²) mais rayonne sur toute sa sphère (4 pi R²), donc la puissance moyenne reçue vaut 1360/4 = 340 W/m². Ensuite l'albédo : 30 % est réfléchi, donc 70 % est absorbé : 340 × 0,70 = 238 W/m². Répondre 952 W/m², c'est oublier de diviser par 4 ; répondre 340 W/m², c'est oublier l'albédo ; 102 W/m² correspond à la part réfléchie, pas absorbée.

5. D'après la loi de Stefan-Boltzmann, par combien la puissance surfacique émise par un corps est-elle multipliée si sa température absolue double ?

   • A.Par 8
   • B.Par 16Bonne réponse
   • C.Par 4
   • D.Par 2

   Réponse : B — Par 16

   La loi s'écrit P = sigma × T⁴. Si T devient 2T, alors P devient sigma × (2T)⁴ = sigma × 16 T⁴, soit 16 fois la valeur initiale. La puissance croît donc très vite avec la température : c'est pourquoi le Soleil, à 5800 K, rayonne des millions de fois plus par mètre carré que la Terre à 288 K. Répondre 8 revient à confondre avec un cube, et répondre 2 à oublier complètement l'exposant.

6. En prenant une puissance absorbée de 238 W/m² et sigma = 5,67 × 10⁻⁸ W·m⁻²·K⁻⁴, quelle est la température d'équilibre de la Terre sans effet de serre ?

   • A.288 K, soit 15 °C
   • B.373 K, soit 100 °C
   • C.195 K, soit −78 °C
   • D.255 K, soit environ −18 °CBonne réponse

   Réponse : D — 255 K, soit environ −18 °C

   À l'équilibre, la Terre émet autant qu'elle absorbe : sigma × T⁴ = 238. Donc T⁴ = 238 / (5,67 × 10⁻⁸) = 4,20 × 10⁹ K⁴. On prend la racine quatrième, c'est-à-dire deux racines carrées successives : racine de 4,20 × 10⁹ ≈ 6,48 × 10⁴, puis racine de 6,48 × 10⁴ ≈ 255. D'où T ≈ 255 K, soit 255 − 273 = −18 °C. La valeur 288 K est la température réelle, obtenue grâce à l'effet de serre — ce n'est pas ce que demande la question.

7. La photosynthèse apparaît vers −3,5 Ga, mais le dioxygène ne s'accumule dans l'atmosphère qu'à partir de −2,4 Ga. Comment expliquer ce décalage d'environ un milliard d'années ?

   • A.La photosynthèse a été interrompue pendant un milliard d'années
   • B.Le dioxygène produit était intégralement consommé par l'oxydation du fer dissous dans les océansBonne réponse
   • C.Le dioxygène s'échappait dans l'espace tant que la Terre était trop chaude
   • D.Il fallait attendre l'apparition des plantes terrestres pour produire assez de dioxygène

   Réponse : B — Le dioxygène produit était intégralement consommé par l'oxydation du fer dissous dans les océans

   Les océans anciens contenaient d'énormes quantités de fer dissous. Le dioxygène produit par les cyanobactéries l'oxydait aussitôt, et ces oxydes précipitaient au fond : ce sont les fers rubanés. Tant que ce puits n'était pas saturé, la teneur atmosphérique en O2 restait quasi nulle. Ce n'est qu'une fois le fer océanique épuisé que le dioxygène excédentaire a pu s'accumuler dans l'air : c'est la Grande Oxydation, vers −2,4 Ga. Les plantes terrestres, elles, n'apparaissent que bien plus tard, vers −450 Ma.

8. La surface terrestre absorbe environ 238 W/m² d'origine solaire, mais elle émet, à 288 K, une puissance de sigma × 288⁴ ≈ 390 W/m². Comment cet écart est-il possible sans violer la conservation de l'énergie ?

   • A.La Terre puise la différence dans sa chaleur interne d'origine radioactive
   • B.Le calcul de 390 W/m² est faux : un corps ne peut pas émettre plus qu'il ne reçoit
   • C.La surface reçoit aussi le rayonnement infrarouge réémis vers le bas par les gaz à effet de serreBonne réponse
   • D.L'écart correspond à un réchauffement continu et régulier de la planète

   Réponse : C — La surface reçoit aussi le rayonnement infrarouge réémis vers le bas par les gaz à effet de serre

   La surface a deux sources d'énergie, pas une seule : le rayonnement solaire (238 W/m² en moyenne) et le rayonnement infrarouge que l'atmosphère, chauffée par les gaz à effet de serre, réémet vers le bas (environ 150 W/m²). Le total, environ 390 W/m², est bien égal à ce qu'elle émet : le bilan est équilibré. C'est le sommet de l'atmosphère qui doit équilibrer 238 W/m² avec l'espace, pas la surface prise isolément. La chaleur interne de la Terre, elle, ne représente que 0,09 W/m² : elle est totalement négligeable ici.

9. L'atmosphère de Mars contient 95 % de dioxyde de carbone, contre 0,04 % pour la Terre. Pourtant, l'effet de serre martien ne dépasse pas quelques degrés, contre 33 °C sur Terre. Pourquoi ?

   • A.Parce que l'atmosphère martienne est extrêmement ténue : la quantité totale de CO2 par mètre carré y reste très faibleBonne réponse
   • B.Parce que le CO2 martien n'a pas les mêmes propriétés d'absorption que le CO2 terrestre
   • C.Parce que l'albédo de Mars, 0,25, est trop faible pour permettre un effet de serre
   • D.Parce que Mars est trop éloignée du Soleil pour émettre du rayonnement infrarouge

   Réponse : A — Parce que l'atmosphère martienne est extrêmement ténue : la quantité totale de CO2 par mètre carré y reste très faible

   Ce qui détermine l'effet de serre, ce n'est pas le POURCENTAGE d'un gaz mais la QUANTITÉ TOTALE de molécules absorbantes présentes dans la colonne d'atmosphère. La pression au sol martien vaut environ 6 hPa, contre 1013 hPa sur Terre : l'atmosphère de Mars est plus de 150 fois moins massive. Même à 95 %, son CO2 total reste modeste. Le CO2 est la même molécule partout dans l'Univers, avec les mêmes bandes d'absorption. Et un albédo faible favorise au contraire l'absorption d'énergie solaire.

10. Quel gaz est le plus abondant dans l'atmosphère terrestre actuelle ?

    • A.Le dioxygène
    • B.Le diazoteBonne réponse
    • C.Le dioxyde de carbone
    • D.La vapeur d'eau

    Réponse : B — Le diazote

    L'air sec actuel contient environ 78 % de diazote (N2), 21 % de dioxygène (O2), 1 % d'argon et seulement 0,04 % de CO2. Le diazote domine largement. Beaucoup d'élèves répondent « dioxygène » parce que c'est le gaz dont on parle le plus en biologie, mais il n'arrive qu'en deuxième position. Quant au CO2, malgré son rôle climatique majeur, il reste un gaz-trace.

11. Quelle était la composition de l'atmosphère primitive, juste après la formation de la Terre ?

    • A.Uniquement du diazote et du dioxygène, comme aujourd'hui
    • B.Du méthane pur issu des premiers êtres vivants
    • C.Autant de dioxygène qu'aujourd'hui, mais pas de diazote
    • D.Surtout de la vapeur d'eau, du dioxyde de carbone et du diazote, sans dioxygèneBonne réponse

    Réponse : D — Surtout de la vapeur d'eau, du dioxyde de carbone et du diazote, sans dioxygène

    L'atmosphère primitive vient du dégazage volcanique : elle contient donc les gaz du manteau, essentiellement H2O, CO2 et N2. Le dioxygène en est absent, car aucun processus ne le produit encore et il est trop réactif pour subsister. Retiens la règle : le O2 de l'atmosphère est intégralement d'origine biologique, pas volcanique.

12. Quelle est l'origine du dioxygène de l'atmosphère terrestre ?

    • A.La respiration des premiers animaux
    • B.Le dégazage volcanique
    • C.La photosynthèse réalisée par des organismes chlorophylliensBonne réponse
    • D.La dissociation du diazote par les UV solaires

    Réponse : C — La photosynthèse réalisée par des organismes chlorophylliens

    Le dioxygène est produit par la photosynthèse oxygénique, apparue chez des micro-organismes proches des cyanobactéries il y a environ 3,5 milliards d'années : 6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2. La respiration fait exactement l'inverse (elle consomme du O2), le volcanisme n'émet pas de dioxygène, et le diazote est une molécule très stable qui ne se dissocie pas ainsi.