L'atmosphère terrestre et la vie : exercices corrigés d’enseignement scientifique terminale (PDF)

L’air que tu respires n’a pas toujours existé. Il y a 4,6 milliards d’années, l’atmosphère de la Terre contenait du diazote, du dioxyde de carbone et beaucoup de vapeur d’eau, mais pratiquement pas de dioxygène : celui-ci a été produit plus tard, par des êtres vivants. Ce chapitre raconte cette histoire, de l’eau liquide des premiers océans à la couche d’ozone qui arrête une partie des ultraviolets du Soleil. Les trois premiers exercices vérifient que le cours est compris, sans calcul : deux quiz et un texte à trous, corrigés dès que tu valides. Les deux suivants s’appuient sur des documents : le diagramme d’état de l’eau, du niveau de la mer au sommet de l’Everest, puis la courbe du dioxygène au cours des temps géologiques, reliée à l’histoire du vivant, avec un corrigé rédigé comme au tableau.

Comment la vie a transformé l’air de la Terre

1Deux atmosphères

Il y a environ 4,6 milliards d’années, l’atmosphère primitive était composée de diazote N₂, de dioxyde de carbone CO₂ et de vapeur d’eau H₂O, pratiquement sans dioxygène.

L’air sec aujourd’hui

Environ 1 % d’autres gaz, surtout de l’argon, avec des traces de vapeur d’eau, de CO₂ (environ 0,04 %), de méthane CH₄ et de protoxyde d’azote N₂O.

2L’eau liquide, condition de la vie

En se refroidissant, la surface de la Terre primitive a permis la liquéfaction de la vapeur d’eau, très rapide à l’échelle des temps géologiques : les océans, c’est-à-dire l’hydrosphère, se sont formés, et la vie s’y est développée.

L’état de l’eau dépend de deux grandeurs, sa température et sa pression : on place le point sur le diagramme d’état, puis on lit le domaine où il tombe.

À 1 000 hPa (1 bar), l’eau est solide au-dessous de 0 °C, liquide de 0 °C à 100 °C, gazeuse au-dessus. Sous une pression inférieure à 6,1 hPa, celle du point triple, elle ne peut être liquide à aucune température.

3Le dioxygène, un produit du vivant

Par la photosynthèse, des bactéries produisent du dioxygène depuis au moins 3,5 milliards d’années. Il oxyde d’abord le fer dissous des océans, puis s’accumule dans l’air à partir d’environ 2,4 milliards d’années : les roches en gardent la trace.

Les nombres de la frise sont des milliards d’années avant aujourd’hui. Les fers rubanés se sont déposés au fond des océans, là où le dioxygène oxydait le fer dissous ; les paléosols rouges se sont formés à l’air libre, quand l’air contenait du dioxygène.

Sources et puits aujourd’hui

La photosynthèse produit du dioxygène : c’est la source. La respiration et les combustions en consomment : ce sont les puits.

Dioxygène et biodiversité

Les interactions entre l’atmosphère et la biosphère ont modifié la biodiversité : pour le montrer, on place les grandes étapes du vivant sur la courbe de la teneur en dioxygène, avec la même échelle de temps.

4L’ozone, un bouclier contre les ultraviolets

Dans la stratosphère, les ultraviolets du Soleil dissocient une partie du dioxygène, puis chaque atome d’oxygène peut s’associer à une molécule de dioxygène :

O₂ → O + O puis O + O₂ → O₃

La première étape demande l’énergie d’un rayonnement ultraviolet.

L’ozone absorbe une partie des ultraviolets, avec un maximum vers 250 nm, là où l’ADN absorbe aussi, avec un maximum vers 260 nm. Ces ultraviolets sont mutagènes : ils peuvent modifier l’ADN. En les absorbant, l’ozone protège les êtres vivants.

L’ozone absorbe ces rayonnements : il ne les renvoie pas vers l’espace.

La carte du chapitre : d’où vient l’air que l’on respire, pourquoi l’eau est liquide sur Terre, et comment l’ozone protège le vivant. Les exercices de la page s’appuient sur ces repères.

Avant de te lancer : pour les exercices 4 et 5, cherche au brouillon avant d’ouvrir le corrigé : c’est en te trompant que tu progresses. Les exercices réussis se cochent au fur et à mesure, et la page retient où tu en es.

Exercice 3

L'histoire de l'atmosphère en un paragraphe

★★★

Le cours en un texte à trous

Il y a environ 4,6 milliards d'années, l'atmosphère primitive contenait du diazote, du dioxyde de carbone et . En se refroidissant, la surface de la Terre a permis la de cette vapeur : les océans ont formé l'hydrosphère, où la vie s'est développée. Sur le diagramme d'état de l'eau, on lit l'état de l'eau à partir de sa température et de sa . Par la , des bactéries produisent du dioxygène depuis au moins 3,5 milliards d'années ; ce gaz s'accumule dans l'atmosphère à partir d'environ . Aujourd'hui, la respiration et les combustions sont des de dioxygène. Dans la , le dioxygène dissocié par les ultraviolets du Soleil aboutit à la formation d'ozone, qui une partie de ces rayonnements. Les ultraviolets ainsi absorbés sont : ils peuvent modifier l'ADN des êtres vivants.

Exercice 4

Déterminer l'état de l'eau avec son diagramme d'état

★★★

Placer des points, lire une température d'ébullition, raisonner sur la pression

La pression atmosphérique diminue quand on s’élève : elle vaut environ $1\,013\ \text{hPa}$ au niveau de la mer, soit environ $1\ \text{bar}$ , et environ $330\ \text{hPa}$ au sommet de l’Everest, à $8\,849\ \text{m}$ d’altitude. Vers $40\ \text{km}$ d’altitude, dans la stratosphère, elle tombe à environ $3\ \text{hPa}$ . Le diagramme d’état ci-dessous donne l’état physique de l’eau pure (solide, liquide ou gaz) selon sa température et la pression qu’elle subit.

Diagramme d’état de l’eau. Sur l’axe des pressions, la pression est multipliée par 10 d’une graduation à la suivante.

Données : ${1\ \text{bar} = 1\,000\ \text{hPa}}$ . Sur l’axe des pressions, chaque graduation correspond à une pression 10 fois plus grande que la précédente : c’est une échelle logarithmique.

Placer sur le diagramme le point A (20 °C ; 1 013 hPa), un verre d’eau au niveau de la mer, et le point B (−30 °C ; 330 hPa), la neige du sommet de l’Everest. Donner l’état de l’eau en chacun de ces points.
Au sommet de l’Everest, un alpiniste fait chauffer de l’eau dans une casserole. Tracer la droite horizontale qui correspond à $330\ \text{hPa}$ et lire la température à laquelle l’eau se met à bouillir. Pourquoi des pâtes y cuisent-elles moins bien qu’au niveau de la mer ?
Que représente le point triple ? Relever ses coordonnées sur le diagramme. Expliquer pourquoi, sous une pression inférieure à celle du point triple, l’eau ne peut être liquide à aucune température.
On imagine un récipient d’eau ouvert, emporté par un ballon jusqu’à $40\ \text{km}$ d’altitude. L’eau pourrait-elle y rester liquide ? Sous quels états pourrait-elle s’y trouver ?
À la surface de la Terre, la température moyenne vaut environ 15 °C et la pression environ $1\,013\ \text{hPa}$ . En s’appuyant sur les réponses précédentes, expliquer en quoi la température et la pression atmosphérique de la Terre permettent l’existence de l’hydrosphère, et donc de la vie.

Voir le corrigé

1. Pour placer un point, on repère sa température sur l’axe horizontal et sa pression sur l’axe vertical, puis on lit le domaine dans lequel il tombe.

Le point A (20 °C ; 1 013 hPa) se place presque sur la ligne « 1 bar ». À cette pression, la courbe de fusion passe à 0 °C et la courbe de vaporisation vers 100 °C : 20 °C est compris entre les deux. L’eau est liquide.
Pour le point B (−30 °C ; 330 hPa), attention à l’échelle : la pression est multipliée par 10 d’une graduation à la suivante. $330\ \text{hPa}$ se place donc à peu près au milieu de l’intervalle entre $100\ \text{hPa}$ et $1\,000\ \text{hPa}$ (sur cette échelle, le milieu de l’intervalle correspond à environ $316\ \text{hPa}$ , et non à $550\ \text{hPa}$ ). Le point est à gauche de la courbe de fusion, presque verticale à 0 °C, et bien au-dessus de la courbe de sublimation : l’eau est solide, c’est de la glace, sous forme de neige.

Les points A (20 °C ; 1 013 hPa) et B (−30 °C ; 330 hPa), la lecture de l’ébullition sous 330 hPa, vers 70 °C, et la ligne des 3 hPa, sous le point triple.

2. La droite horizontale des $330\ \text{hPa}$ coupe la courbe de vaporisation vers 70 °C : la lecture sur le diagramme donne une valeur comprise entre 65 °C et 75 °C. Au sommet de l’Everest, l’eau bout donc vers 70 °C, au lieu de 100 °C au niveau de la mer.

Pendant l’ébullition, la température de l’eau reste constante : si l’alpiniste chauffe plus fort, l’eau se vaporise plus vite, mais elle ne devient pas plus chaude. Les pâtes cuisent donc dans une eau à 70 °C environ au lieu de 100 °C, et leur cuisson est bien plus lente.

3. Le point triple est le seul couple (température ; pression) pour lequel les trois états de l’eau, solide, liquide et gaz, peuvent coexister. Ses coordonnées sont indiquées sur le diagramme : 0,01 °C et 6,1 hPa. C’est le point le plus bas du domaine liquide sur le diagramme : la courbe de vaporisation, qui sépare le liquide du gaz, part de ce point.

Sous une pression inférieure à $6{,}1\ \text{hPa}$ , une droite horizontale ne traverse plus le domaine liquide : elle passe directement du domaine solide au domaine gaz, en coupant la courbe de sublimation. À ces pressions, l’eau ne peut donc être liquide à aucune température.

4. À $40\ \text{km}$ d’altitude, la pression vaut environ $3\ \text{hPa}$ : c’est moins que $6{,}1\ \text{hPa}$ , la pression du point triple. D’après la question 3, l’eau ne peut pas y rester liquide. La droite horizontale des $3\ \text{hPa}$ ne coupe que la courbe de sublimation, un peu au-dessous de 0 °C, vers −10 °C : l’eau du récipient ne pourrait s’y trouver qu’à l’état gazeux, aux températures supérieures à celle de cette courbe, ou à l’état solide, aux températures inférieures.

5. À la surface de la Terre, le point (15 °C ; 1 013 hPa) est dans le domaine liquide, comme le point A : la pression atmosphérique est très supérieure à celle du point triple, et la température moyenne est comprise entre celle de la fusion, 0 °C, et celle de l’ébullition, vers 100 °C, à cette pression. L’eau peut donc rester liquide sur une grande partie de la surface et former les océans, c’est-à-dire l’hydrosphère. Sous une pression atmosphérique inférieure à $6{,}1\ \text{hPa}$ , il n’y aurait pas d’eau liquide durable, quelle que soit la température. Or l’eau liquide est une condition indispensable à l’émergence de la vie : c’est dans l’hydrosphère que la vie s’est développée.

Réflexe à retenir : un état se lit avec deux coordonnées, la température et la pression. Sur une échelle logarithmique, vérifie d’abord que la pression est multipliée par 10 d’une graduation à la suivante avant de placer ton point.

Je l’ai réussi (ta coche reste enregistrée sur cet appareil)

Exercice 5

Teneur en dioxygène et biodiversité au cours des temps géologiques

★★★

Type évaluation : suivre le dioxygène de l'air et le relier à l'histoire du vivant, avec trois documents

Pour une exposition de son lycée, une élève doit expliquer pourquoi la vie, présente dans l’eau il y a au moins 3,5 milliards d’années, n’a colonisé les continents que bien plus tard. Elle a rassemblé trois documents.

Document 1 - La teneur en dioxygène de l’air au cours des temps géologiques. La courbe est une reconstitution simplifiée, établie à partir d’indices géologiques : les valeurs les plus anciennes sont des estimations, connues avec une grande incertitude.

Teneur en dioxygène de l’air, en pourcentage du volume de l’air. Sur l’axe des temps, 0 correspond à aujourd’hui et −2 à il y a 2 milliards d’années.

Document 2 - Quelques grandes étapes de l’histoire du vivant.

Repère	Date (environ)	Ce qu’on observe
①	il y a au moins 3,5 milliards d’années	Premières traces de bactéries photosynthétiques, dans l’eau.
②	il y a 2 milliards d’années	Plus anciens fossiles attribués à des eucaryotes, des cellules à noyau. La plupart des eucaryotes actuels respirent : ils consomment du dioxygène pour produire l’énergie dont ils ont besoin.
③	il y a 0,57 à 0,54 milliard d’années	Premiers grands animaux, dont certains dépassent un mètre, puis diversification rapide des animaux, dont beaucoup portent une coquille ou une carapace. Les animaux respirent.
④	il y a 0,47 à 0,42 milliard d’années	Premières plantes, puis premiers animaux, sur les continents.

Document 3 - L’ozone et l’ADN face aux ultraviolets. Dans la stratosphère, l’ozone se forme à partir du dioxygène, sous l’effet des ultraviolets du Soleil : plus l’air contient de dioxygène, plus la couche d’ozone peut absorber d’ultraviolets. Les ultraviolets absorbés par l’ADN peuvent le modifier : ils sont mutagènes. Une couche d’eau suffisamment épaisse absorbe, elle aussi, une grande partie de ces ultraviolets.

Spectres d’absorption de l’ozone et de l’ADN dans l’ultraviolet. Chaque courbe est exprimée en pourcentage de son propre maximum.

À l’aide du document 1, décrire l’évolution de la teneur en dioxygène de l’air en trois grandes étapes, en donnant pour chacune les dates et l’ordre de grandeur de la teneur.
À l’aide des documents 1 et 2, relever la teneur en dioxygène de l’air à la date de l’étape ②, puis vers 0,55 milliard d’années, à l’époque de l’étape ③. Montrer que chacune de ces deux étapes suit une hausse de la teneur en dioxygène.
Proposer une explication au lien observé à la question 2, en utilisant le mot « respiration ». Un camarade en conclut : « C’est la hausse du dioxygène qui a créé les animaux. » Expliquer pourquoi cette phrase va trop loin, et proposer une formulation plus juste.
À l’aide du document 3, relever la longueur d’onde du maximum d’absorption de l’ozone, puis celle de l’ADN. Comparer les deux spectres et expliquer pourquoi on dit que l’ozone stratosphérique protège le vivant.
En s’appuyant sur les trois documents, rédiger un court paragraphe qui répond à la question de l’élève : pourquoi la vie n’a-t-elle colonisé les continents que tardivement ?

Voir le corrigé

1. D’après le document 1, l’évolution se fait en trois étapes :

de la formation de la Terre, il y a 4,6 milliards d’années, jusque vers 2,4 milliards d’années, la teneur en dioxygène est quasi nulle ;
à partir de 2,4 milliards d’années environ, elle augmente, puis elle reste faible, de l’ordre de 2 %, pendant plus d’un milliard d’années, jusque vers 0,8 milliard d’années ;
à partir de 0,8 milliard d’années environ, elle augmente de nouveau et atteint, vers 0,4 milliard d’années, des valeurs proches de la teneur actuelle, 21 %.

Les valeurs anciennes sont des estimations : c’est l’allure générale, en trois étapes, qu’il faut retenir.

Lecture : environ 2 % il y a 2 milliards d’années (étape ②), environ 10 % vers 0,55 milliard d’années (étape ③).

2. On place chaque étape du document 2 sur l’axe des temps du document 1, puis on lit la teneur à la verticale de sa date.

Étape ②, il y a 2 milliards d’années : la teneur vaut environ 2 %. Cette étape se situe après la première hausse, qui commence vers 2,4 milliards d’années : auparavant, l’air ne contenait pratiquement pas de dioxygène.
Vers 0,55 milliard d’années, à l’époque de l’étape ③ : la teneur vaut environ 10 %, soit environ cinq fois plus que pendant le long palier à 2 %. Cette étape se situe pendant la seconde hausse, commencée vers 0,8 milliard d’années.

Chacune de ces deux étapes du vivant suit donc une hausse de la teneur en dioxygène de l’air.

3. D’après le document 2, la plupart des eucaryotes et les animaux respirent : ils consomment du dioxygène pour produire l’énergie dont leurs cellules ont besoin. La première hausse a rendu possible le développement d’organismes qui respirent ; la seconde, celui de grands animaux, faits de très nombreuses cellules qui consomment du dioxygène. C’est un exemple d’interaction entre l’atmosphère et la biosphère : le vivant a produit le dioxygène, et le dioxygène a modifié la biodiversité.

La phrase du camarade va trop loin : les documents montrent que les deux événements se suivent dans le temps, pas que l’un a fabriqué l’autre. Les animaux sont issus de l’évolution d’êtres vivants qui existaient déjà ; le dioxygène est une condition de leur développement, pas sa cause unique. Une formulation plus juste : « La hausse du dioxygène a rendu possible le développement des grands animaux. »

4. D’après le document 3, l’absorption de l’ozone est maximale vers 250 nm, celle de l’ADN vers 260 nm.

Lecture des maxima : vers 250 nm pour l’ozone, vers 260 nm pour l’ADN.

Les deux spectres se recouvrent largement, entre 230 nm et 280 nm environ : l’ozone absorbe fortement les ultraviolets dans le domaine où l’ADN les absorbe aussi, donc là où ils peuvent le modifier. En absorbant ces ultraviolets dans la stratosphère, avant qu’ils n’atteignent la surface, l’ozone limite leurs effets mutagènes : il protège l’ADN des êtres vivants.

5. Une réponse possible.

La vie est apparue dans l’eau, et elle y est restée pendant plus de 3 milliards d’années (documents 1 et 2). Tant que l’air contenait peu de dioxygène, la couche d’ozone, qui se forme à partir du dioxygène, absorbait sans doute bien moins d’ultraviolets qu’aujourd’hui (document 3) : à la surface des continents, ces ultraviolets mutagènes auraient endommagé l’ADN des êtres vivants, alors que l’eau protégeait ceux qui y vivaient. À partir de 0,8 milliard d’années, la teneur en dioxygène augmente fortement, jusqu’à plus de 15 % vers 0,45 milliard d’années (document 1) : la couche d’ozone a pu absorber une plus grande part des ultraviolets. C’est à la fin de cette hausse, quand la teneur approche des valeurs actuelles, que les plantes, puis les animaux, colonisent les continents, entre 0,47 et 0,42 milliard d’années (document 2). L’oxygénation de l’atmosphère, en permettant la formation d’une couche d’ozone protectrice, a donc rendu possible la sortie de l’eau.

Réflexe à retenir : pour relier une courbe et une liste de dates, place chaque date sur l’axe des temps et lis la valeur à la verticale. Puis conclus avec prudence : deux événements qui se suivent dans le temps ne sont pas forcément la cause et l’effet l’un de l’autre.

Je l’ai réussi (ta coche reste enregistrée sur cet appareil)

Les trois réflexes à retenir

Deux coordonnées pour un état. Sur le diagramme d’état de l’eau, on place le point (température ; pression), puis on lit le domaine dans lequel il tombe. Sous une pression inférieure à 6,1 hPa, celle du point triple, l’eau ne peut pas être liquide : la pression atmosphérique compte, comme la température, pour l’existence des océans.
Produire n’est pas accumuler. Des bactéries produisent du dioxygène dans l’eau depuis au moins 3,5 milliards d’années, mais il ne s’accumule dans l’air qu’à partir d’environ 2,4 milliards d’années. Devant un indice géologique, demande-toi où il s’est formé : dans l’eau, comme les fers rubanés, ou à l’air libre, comme les paléosols rouges.
Une même échelle de temps pour l’air et le vivant. Pour relier le dioxygène à la biodiversité, place les étapes du vivant sur la courbe, puis parle de condition plutôt que de cause. Pour l’ozone, relève le maximum de chaque spectre et la gamme où ils se recouvrent. La carte en haut de page rassemble les autres repères du chapitre.

Exercices corrigés — L'atmosphère terrestre et la vie

Comparer l'atmosphère primitive et l'air actuel

Fers rubanés, oxygénation et couche d'ozone