determiner la composition de l`atmosphere au cours

Année 2015-2016
TP n°
SVT
7
Géologie
TP-TD de Sciences de la Vie et de la Terre – Classe de T S
Enseignement de Spécialité
DETERMINER LA COMPOSITION DE
L’ATMOSPHERE AU COURS DU TEMPS
Durée :
1h30
THEME 2 : ATMOSPHERE, HYDROSPHERE, CLIMATS: DU PASSE A L’AVENIR
Nom :
Prénom :
Introduction :
Problématique :
Objectifs :
I.
Classe / Groupe :
On sait aujourd’hui que l’atmosphère initiale de notre planète était bien différente de l’atmosphère actuelle.
Quelle était la composition de l’atmosphère primitive de la Terre ? Comment étudier son évolution au cours du temps ?
Recenser, extraire et organiser des connaissances ; Utiliser un logiciel ; Adopter une démarche explicative.
LA COMPOSITION DE L’ATMOSPHERE PRIMITIVE
1) A partir de l’exploitation des documents de la page 85 du livre et du document ci-dessous, montrez que l’atmosphère s’est formée
rapidement par un dégazage du manteau.
Le dégazage permanent du manteau
L’hélium est un gaz rare très léger qui a tendance à s’échapper
facilement de l’atmosphère vers l’espace (son temps de résidence
dans l’atmosphère ne dépasse pas 1 million d’années). Pourtant son
taux dans l’atmosphère reste à peu près stable (~5 ppm).
3
En dosant un isotope rare de l’hélium ( He) dans l’eau de mer
au-dessus de la dorsale Pacifique, on a mis en évidence un
phénomène intéressant.
L’atmosphère primitive s’est formée par le dégazage volcanique du manteau, comme le prouve encore aujourd’hui les importants rejets de
gaz (H2O, CO2) au niveau des volcans actifs de la planète (doc 3). De plus, l’étude de la teneur en hélium de l’eau de mer a permis de mettre
en évidence son dégagement au niveau de la dorsale Pacifique, puis sa remontée jusqu’à la surface où il rejoint l’atmosphère.
Expliquez comment on peut reconstituer la composition de l’atmosphère primitive.
Doc. 2 : Les chondrites sont des météorites n’ayant pas subi d’évolution notable depuis 4,5Ga ; elles sont donc comparables à celles ayant
permis la formation de la Terre par accrétion. Le dégazage des chondrites en laboratoire permet d’en extraire des gaz dans des proportions
comparables à celles qui composaient l’atmosphère primitive.
Doc.3 : L’analyse des gaz prisonniers dans certains minéraux de roches profondes du manteau donne aussi une image de l’atmosphère
primitive.
2) Comparez la composition de l’atmosphère actuelle avec celle de l’atmosphère primitive, et formulez des HYPOTHESES expliquant les
différences observées.
L’atmosphère primitive était essentiellement constituée d’eau (à l’état de vapeur, la température étant trop élevée pour qu’elle se condense)
et de CO2, et ne contenait pas d’O2. L'atmosphère actuelle est caractérisée par sa richesse en O2 et en N2, alors que l’eau et le CO2 sont
devenus largement minoritaires.
On peut formuler plusieurs hypothèses expliquant les faits constatés :
- Hypothèse 1 : Des constituants de l’atmosphère primitive se sont échappés vers l’espace.
- Hypothèse 2 : Il y a eu des échanges de constituants entre les différents réservoirs de la Terre : atmosphère, hydrosphère, biosphère,
géosphère.
Y. CULUS
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II.
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Enseignement de Spécialité
COMMENT SUIVRE L’EVOLUTION AU COURS DU TEMPS DE LA COMPOSITION CHIMIQUE DE L’ATMOSPHERE ?
L’INDICE STOMATIQUE
Mise en situation et recherche à mener
On a montré expérimentalement que le Ginkgo Biloba (espèce présente depuis 200 millions d’années) possède un indice stomatique qui
varie avec la concentration de CO2 : Le nombre de stomates de ses feuilles est inversement proportionnel à la concentration atmosphérique en CO2 (les stomates sont des petites ouvertures dans l’épiderme permettant les échanges gazeux entre la feuille et l’atmosphère).
On cherche à évaluer la teneur en CO2 atmosphérique au paléocène (-66 Ma à -55,8 Ma).
Etape 1 : Concevoir une stratégie pour résoudre une situation problème
Proposer une démarche d’investigation qui permette de reconstituer une teneur en CO2 du passé à partir de l’observation d’empreintes
épidermiques de feuilles de Ginkgo fossiles.
1. Ce que je fais = On cherche à évaluer la teneur en CO2 de l’atmosphère au Paléocène.
2. Comment je le fais = Il faut pour cela déterminer l’indice stomatique de feuille de Ginkgo biloba fossile au microscope puis déduire la
teneur en CO2 de l’atmosphère à cette époque (document 2). La feuille de Ginkgo actuelle servira de témoin.
3. Ce que j’attends = la teneur en CO2 du Paléocène (indice stomatique faible) devrait être plus importante que l’actuelle (indice stomatique fort).
Etape 2 : Mettre en oeuvre un protocole de résolution pour obtenir des résultats exploitables
Mettre en œuvre le protocole afin de déterminer l’indice stomatique de
la feuille de Ginkgo actuelle et l’indice stomatique de la feuille de Ginkgo
fossile.
•
Réalisation d’une empreinte d’épiderme foliaire :
1- Recouvrir avec une couche de vernis à ongle ou deux couches succes2
sives (sans laisser sécher la première) une surface d’environ 1 cm de la
face inférieure (reconnaissable à son aspect plus « mat ») d’une feuille
fraîche de Ginkgo.
2- Laisser sécher.
3- Décoller doucement le film obtenu à l’aide d’une pince fine en commençant par les bords.
4- Poser le film à plat sur une lame dans une goutte d’eau.
5- Recouvrir d’une lamelle et observer.
Attention ! L’utilisation du diaphragme lors de l’observation microscopique est déterminante.
•
Comptage avec Mesurim.
Etape 3 : Présenter les résultats pour les communiquer
Présenter vos résultats (le détail des calculs doit être présent).
Feuille actuelle : 7 stomates, 78 cellules au total ; indice stomatique = (7/78) x 100 = 8,9%
Feuille fossile : 4 stomates, 56 cellules au total ; indice stomatique = (4/56) x 100 = 7,1%
Etape 4 : Exploiter les résultats obtenus pour répondre au problème
Estimer, à partir de vos résultats, la teneur en CO2 atmosphérique au paléocène.
Indiquer, d’après vos calculs, si l’utilisation de l’indice stomatique du Ginkgo Biloba est un bon indicateur du taux de CO2.
Document 1 : Matériel disponible
 Photographies d’empreintes de feuilles de Ginkgo Biloba actuelle et empreintes de feuille de Ginkgo Biloba fossile datant du paléocène
(60 Ma) dans le fichier « Aides et Ressources TP7 » de la classe.
 Ordinateur avec tableur et logiciel Mesurim.
Document 2 : Relation entre taux de CO2 et indice stomatique de feuilles de Ginkgo Biloba
L’indice stomatique correspond au pourcentage de stomates dénombré sur la face inférieure des feuilles par rapport au nombre total de
cellules épidermiques (les deux cellules stomatiques ne comptent que pour un stomate).
Rappel : la teneur actuelle en CO2 est de 370 ppmv (parties par millions en volume)
Indice stomatique
15,5
15,8
14
13,5
12,9
13
11
[CO2] (en ppmv)
290
295
300
310
320
330
335
Y. CULUS
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L’ETUDE DES BULLES D’AIR DANS LA GLACE (800 000 ANS)
Du fait des températures constamment négatives les calottes glaciaires ont accumulé des épaisseurs de glace pouvant dépasser 3 km.
Lorsque la neige s’empile par chutes successives, elle se transforme en glace compacte sous
l’effet de son poids. Durant cette évolution, de minuscules bulles d’air sont piégées entre les cristaux
de glace. Leur analyse, même quelques centaines de milliers d’années plus tard permet de connaître
la composition de l’atmosphère contemporaine de leur piégeage.
Les échantillons de glace prélevés sont décontaminés, découpés en lames minces dans des
chambres blanches stériles à -15°C. Les lames minces sont analysées au microscope polarisant.
On utilise un chromatographe à phases gazeuses où il doit y avoir le vide avant d'y injecter les
bulles de gaz. Dans le chromatographe les atomes sont séparés selon leur taille, les petits circulent
plus vite que les gros. Le chromatographe est étalonné avec des gaz connus puis on compare les résultats avec ces étalons pour déterminer le gaz rencontré.
Enseignement de Spécialité
Lame de glace de 2 millimètres d'épaisseur en
lumière polarisée. Les petites tâches noires sont
des bulles d'air piégées dans la glace.
3) A partir des résultats du document 1b du livre p.70, décrivez l’évolution du taux de CO2 atmosphérique durant les 800 000 dernières
années.
Au cours des 800 000 dernières années, la teneur de l’atmosphère en dioxyde de carbone a oscillé périodiquement entre 175-180 ppm et
280-290 ppm.
4) Comparez ces résultats avec la courbe de température (en rouge) et proposez une corrélation entre la teneur atmosphérique en CO2
et le climat.
La composition atmosphérique en CO2 a évolué depuis 800 000 ans suivant la même périodicité que le climat. Aux périodes de réchauffement coïncident des périodes d’augmentation de la teneur en gaz à effet de serre (CO2, CH4 et NO2) dans l’atmosphère ; aux phases de refroidissement coïncident des baisses de la teneur de l’atmosphère en ces mêmes gaz.
Aides et Ressources
Feuille de Gingko biloba
Rameau de Gingko biloba
Stomates d'épiderme de fougère
Cellules épidermiques non
chlorophylliennes
Un stomate est une structure végétale qui permet le passage des gaz entre l'extérieur et
l'intérieur de la feuille. Lorsqu'on travaille sur un épiderme, les stomates apparaissent comme
des trous (appelés ostioles) entourés de deux cellules, appelées cellules stomatiques
Cellules stomatiques
chlorophylliennes
Ostiole
Comment réaliser une empreinte foliaire et calculer l'indice stomatique ?
On recouvre avec deux couches successives de vernis à ongle (sans laisser sécher la première) une
2
surface d’environ 1 cm de la face inférieure (reconnaissable à son aspect « mat ») d’une feuille
fraîche ou fossilisée de Gingko. On laisse sécher puis on décolle doucement le film obtenu à l’aide
d’une pince fine en commençant par les bords. On pose ensuite le film à plat sur une lame dans une
goutte d’eau et on recouvre d’une lamelle.
On obtient au microscope une image de ce type :
Stomate
On choisit une zone contenant des stomates puis on capture l’image de cette observation. On réalise un comptage sur l’image numérique à
l’aide de Mesurim en dénombrant le nombre de stomates et le nombre de cellules épidermiques. Indice stomatique (%) = (nombre de
stomates x100) / nombre total de cellules épidermiques.
Y. CULUS
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Quelques exemples de Gingkoacées fossiles :
Y. CULUS
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