- L'histoire
- Grèce antique
- Découverte de la composition de l'air atmosphérique
- caractéristiques
- Origine
- Structure
- Homosphère
- Hétérosphère
- Composition de l'air atmosphérique primitif
- Accumulation de CO
- Origine de la vie, accumulation de méthane (CH
- Grand événement oxydatif (accumulation d'O
- L'azote atmosphérique et son rôle dans l'origine de la vie
- Composition actuelle de l'air atmosphérique
- Homosphère
- Hétérosphère
- Références
La composition de l'air ou de l'atmosphère atmosphérique est définie par la proportion des différents gaz qu'elle contient, qui a été en constante variation tout au long de l'histoire de la Terre. L'atmosphère de la planète en formation contenait principalement du H 2 et d'autres gaz tels que le CO 2 et le H 2 O. Il y a environ 4,4 milliards d'années, la composition de l'air atmosphérique était principalement enrichie en CO 2.
Avec l'apparition de la vie sur Terre, une accumulation de méthane (CH 4) s'est produite dans l'atmosphère, puisque les premiers organismes étaient des méthanogènes. Plus tard, des organismes photosynthétiques sont apparus, qui ont enrichi l'air atmosphérique en O 2.
Vue générale de l'atmosphère terrestre. Source: Reto Stöckli (surface terrestre, eau peu profonde, nuages) Robert Simmon
La composition de l'air atmosphérique aujourd'hui peut être divisée en deux grandes couches, différenciées dans leur composition chimique; l'homosphère et l'hétérosphère.
L'homosphère est située de 80 à 100 km au-dessus du niveau de la mer et est composée principalement d'azote (78%), d'oxygène (21%), d'argon (moins de 1%), de dioxyde de carbone, d'ozone, d'hélium, d'hydrogène et de méthane, entre autres éléments présents dans de très petites proportions.
L'hétérosphère est constituée de gaz de faible poids moléculaire et se situe au-dessus de 100 km d'altitude. La première couche contient du N 2 moléculaire, la deuxième O atomique, la troisième de l'hélium et la dernière est constituée d'hydrogène atomique (H).
L'histoire
Les études sur l'air atmosphérique ont commencé il y a des milliers d'années. Au moment où les civilisations primitives ont découvert le feu, elles ont commencé à se faire une idée de l'existence de l'air.
Grèce antique
Pendant cette période, ils ont commencé à analyser ce qu'est l'air et ce qu'il fait. Par exemple, Anaxímades de Milet (588 BC - 524 BC) considérait que l'air était essentiel à la vie, puisque les êtres vivants se nourrissaient de cet élément.
Pour sa part, Empedocles of Acragas (495 BC - 435 BC) considérait qu'il y avait quatre éléments fondamentaux pour la vie: l'eau, la terre, le feu et l'air.
Aristote (384 BC-322 BC) considérait également l'air comme l'un des éléments essentiels pour les êtres vivants.
Découverte de la composition de l'air atmosphérique
En 1773, le chimiste suédois Carl Scheele découvrit que l'air était composé d'azote et d'oxygène (air igné). Plus tard, en 1774, le Britannique Joseph Priestley a déterminé que l'air était composé d'un mélange d'éléments et que l'un d'entre eux était essentiel à la vie.
En 1776, le Français Antoine Lavoisier appelle l'oxygène à l'élément qu'il a isolé de la décomposition thermique de l'oxyde de mercure.
En 1804, le naturaliste Alexander von Humboldt et le chimiste français Gay-Lussac analysent l'air provenant de différentes parties de la planète. Les chercheurs ont déterminé que l'air atmosphérique avait une composition constante.
Ce n'est qu'à la fin du 19e et au début du 20e siècle, que les autres gaz qui font partie de l'air atmosphérique ont été découverts. Parmi ceux-ci, nous avons l'argon en 1894, puis l'hélium en 1895 et d'autres gaz (néon, argon et xénon) en 1898.
caractéristiques
L'atmosphère terrestre, en arrière-plan la Lune. Source: NASA, via Wikimedia Commons
L'air atmosphérique est également connu sous le nom d'atmosphère et c'est un mélange de gaz qui recouvre la planète Terre.
Origine
On sait peu de choses sur l'origine de l'atmosphère terrestre. On considère qu'après sa séparation du soleil, la planète était entourée d'une enveloppe de gaz très chauds.
Ces gaz étaient peut-être réducteurs et provenaient du Soleil, composés principalement de H 2. D'autres gaz étaient probablement du CO 2 et du H 2 O émis par l'intense activité volcanique.
Il est suggéré qu'une partie des gaz présents s'est refroidie, condensée et a donné naissance aux océans. Les autres gaz sont restés dans l'atmosphère et d'autres ont été stockés dans les roches.
Structure
L'atmosphère est constituée de différentes strates concentriques séparées par des zones de transition. La limite supérieure de cette couche n'est pas clairement définie et certains auteurs la placent au-dessus de 10 000 km au-dessus du niveau de la mer.
L'attraction de la force de gravité et la manière dont les gaz sont comprimés influencent leur distribution à la surface de la terre. Ainsi, la plus grande partie de sa masse totale (environ 99%) se situe dans les premiers 40 km au-dessus du niveau de la mer.
Couches de l'atmosphère. Source: Cette image SVG a été créée par Medium69.Cette image SVG a été créée par Medium69.Veuillez créditer ceci: William Crochot
Différents niveaux ou couches d'air atmosphérique ont une composition chimique et des variations de température différentes. Selon sa disposition verticale, du plus proche au plus éloigné de la surface de la Terre, les couches suivantes sont connues: la troposphère, la stratosphère, la mésosphère, la thermosphère et l'exosphère.
En relation avec la composition chimique de l'air atmosphérique, deux couches sont définies: l'homosphère et l'hétérosphère.
Homosphère
Il est situé dans les premiers 80-100 km au-dessus du niveau de la mer et sa composition en gaz dans l'air est homogène. C'est là que se trouvent la troposphère, la stratosphère et la mésosphère.
Hétérosphère
Il est présent au-dessus de 100 km et se caractérise par la composition des gaz présents dans l'air est variable. Correspond à la thermosphère. La composition des gaz varie à différentes hauteurs.
Composition de l'air atmosphérique primitif
Disque planétésimal. Source: domaine public, commons.wikimedia.org
Après la formation de la Terre, il y a environ 4 500 millions d'années, des gaz ont commencé à s'accumuler pour former l'air atmosphérique. Les gaz provenaient principalement du manteau terrestre, ainsi que de l'impact avec les planétésimaux (agrégats de matière à l'origine des planètes).
Accumulation de CO
La grande activité volcanique de la planète a commencé à libérer divers gaz dans l'atmosphère, tels que N 2, CO 2 et H 2 O. Le dioxyde de carbone a commencé à s'accumuler, depuis la carbonatation (processus de fixation du CO 2 atmosphérique sous la forme carbonate) était rare.
Les facteurs qui ont affecté la fixation du CO 2 à cette époque étaient des pluies de très faible intensité et une très petite zone continentale.
Origine de la vie, accumulation de méthane (CH
Les premiers êtres vivants apparus sur la planète utilisaient du CO 2 et du H 2 pour réaliser la respiration. Ces premiers organismes étaient anaérobies et méthanogènes (ils produisaient de grandes quantités de méthane).
Le méthane s'est accumulé dans l'air atmosphérique, car sa décomposition était très lente. Il se décompose par photolyse et dans une atmosphère presque sans oxygène, ce processus peut prendre jusqu'à 10 000 ans.
Selon certains relevés géologiques, il y a environ 3,5 milliards d'années, il y avait une diminution du CO 2 dans l'atmosphère, ce qui a été associé au fait que l'air riche en CH 4 a intensifié les pluies, favorisant la carbonatation.
Grand événement oxydatif (accumulation d'O
On considère qu'il y a environ 2,4 milliards d'années, la quantité d'O 2 sur la planète a atteint des niveaux significatifs dans l'air atmosphérique. L'accumulation de cet élément est associée à l'apparition d'organismes photosynthétiques.
La photosynthèse est un processus qui permet la synthèse de molécules organiques à partir d'autres molécules inorganiques en présence de lumière. Lors de son apparition, l'O 2 est libéré en tant que sous-produit.
Le taux élevé de photosynthèse produit par les cyanobactéries (premiers organismes photosynthétiques) modifiait la composition de l'air atmosphérique. Les grandes quantités d'O 2 qui étaient libérées sont retournées à l'atmosphère de plus en plus oxydantes.
Ces niveaux élevés d'O 2 ont influencé l'accumulation de CH 4, car ils ont accéléré le processus de photolyse de ce composé. Alors que le méthane dans l'atmosphère a chuté de façon spectaculaire, la température de la planète a chuté et une glaciation s'est produite.
Un autre effet important de l'accumulation d'O 2 sur la planète a été la formation de la couche d'ozone. Atmosphérique O 2 se dissocie sous l'effet de la lumière et forme deux particules d'oxygène atomique.
L'oxygène atomique se recombine avec l' O 2 moléculaire et forme l'O 3 (ozone). La couche d'ozone forme une barrière protectrice contre les rayons ultraviolets, permettant le développement de la vie à la surface de la terre.
L'azote atmosphérique et son rôle dans l'origine de la vie
L'azote est un composant essentiel des organismes vivants, car il est nécessaire à la formation de protéines et d'acides nucléiques. Cependant, le N 2 atmosphérique ne peut pas être utilisé directement par la plupart des organismes.
La fixation de l'azote peut être biotique ou abiotique. Il consiste en la combinaison de N 2 avec O 2 ou H 2 pour former de l'ammoniac, des nitrates ou des nitrites.
Les teneurs en N 2 de l'air atmosphérique sont restées plus ou moins constantes dans l'atmosphère terrestre. Pendant la période d'accumulation de CO 2, la fixation du N 2 était essentiellement abiotique, en raison de la formation d'oxyde d'azote, formé par la dissociation photochimique des molécules H 2 O et CO 2 qui étaient la source d'O 2.
Lorsque les niveaux atmosphériques de CO 2 diminuaient, les taux de formation d'oxyde d'azote diminuaient considérablement. On considère que pendant cette période, les premières voies biotiques de fixation du N 2 ont vu le jour.
Composition actuelle de l'air atmosphérique
L'air atmosphérique est composé d'un mélange de gaz et d'autres éléments assez complexes. Sa composition est principalement affectée par l'altitude.
Homosphère
La composition chimique de l'air atmosphérique sec au niveau de la mer s'est avérée assez constante. L'azote et l'oxygène représentent environ 99% de la masse et du volume de l'homosphère.
L'azote atmosphérique (N 2) est dans une proportion de 78%, tandis que l'oxygène constitue 21% de l'air. Le deuxième élément le plus abondant dans l'air atmosphérique est l'argon (Ar), qui occupe moins de 1% du volume total.
Composants de l'air atmosphérique. Source: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Proporci%C3%B3n_de_gases_de_la_atm%C3%B3sfera.svg?uselang=es#filelinks Modifié.
Il y a d'autres éléments qui sont d'une grande importance, même lorsqu'ils sont en petites proportions. Le dioxyde de carbone (CO 2) est présent à raison de 0,035% et la vapeur d'eau peut varier entre 1 et 4% selon les régions.
L'ozone (O 3) se trouve dans une proportion de 0,003%, mais il constitue une barrière essentielle pour la protection des êtres vivants. Toujours dans cette même proportion, nous trouvons divers gaz rares tels que le néon (Ne), le krypton (Kr) et le xénon (Xe).
De plus, il y a présence d'hydrogène (H 2), d'oxydes nitreux et de méthane (CH 4) en très petites quantités.
Un autre élément qui fait partie de la composition de l'air atmosphérique est l'eau liquide contenue dans les nuages. De même, on retrouve des éléments solides tels que les spores, le pollen, les cendres, les sels, les microorganismes et les petits cristaux de glace.
Hétérosphère
À ce niveau, l'altitude détermine le type de gaz prédominant dans l'air atmosphérique. Tous les gaz sont légers (faible poids moléculaire) et sont organisés en quatre couches différentes.
On voit que lorsque la hauteur augmente, les gaz les plus abondants ont une masse atomique plus faible.
Entre 100 et 200 km d'altitude, il y a une plus grande abondance d'azote moléculaire (N 2). Le poids de cette molécule est de 28,013 g / mol.
La deuxième couche de l'hétérosphère est constituée d'O atomique et se situe entre 200 et 1000 km d'altitude. Atomic O a une masse de 15 999, étant moins lourd que N 2.
Plus tard, on trouve une couche d'hélium entre 1000 et 3500 km d'altitude. L'hélium a une masse atomique de 4,00226.
La dernière couche de l'hétérosphère est constituée d'hydrogène atomique (H). Ce gaz est le plus léger du tableau périodique, avec une masse atomique de 1,007.
Références
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- Monks PS, C Granier, S Fuzzi et al. (2009) Changement de la composition atmosphérique - Qualité de l'air mondiale et régionale. Enviroment Atmosphérique 43: 5268-5350.
- Pla-García J et C Menor-Salván (2017) La composition chimique de l'atmosphère primitive de la planète Terre. Chem 113: 16-26.
- Rohli R et Vega A (2015) Climatologie. Troisième édition. Jones et Bartlett Learning. New York, États-Unis. 451 pp.
- Saha K (2011) L'atmosphère de la Terre, sa physique et sa dynamique. Springer-Verlag. Berlin, Allemagne 367 p.