De l'atmosphère primordiale à l'atmosphère d'aujourd'hui

Depuis la formation de la Terre, il y a un peu plus de 4,6 milliards d'années, la Terre s'est différenciée par l'action du volcanisme. Il y a eu une ségrégation des éléments chimiques essentiellement en fonction de leur masse. Les éléments les plus lourds ont formé la partie rocheuse, tellurique, solide, et les éléments plus légers ont formé les enveloppes fluides : l'hydrosphère (discontinue) et l'atmosphère (continue tout autour de la planète).Trois phases majeures ont marqué la mise en place de l'atmosphère.

Première phase : l'atmosphère primordiale

Quelques millions d'années à peine après le début de l'accrétion, alors que la Terre était en phase de refroidissement, les atomes les plus légers, hydrogène et hélium, ont été émis vers le milieu extérieur. Ces éléments très légers ont rapidement été balayé par les vents solaires et chassés de l'emprise de l'attraction terrestre vers les zones externes de notre système solaire.

En passant dans la proximité des géantes gazeuses, les atomes d'hydrogène et d'hélium ont dû être capturés par ces planètes, venant grossir leur atmosphère augmenter leur masse.

Seconde phase : l'atmosphère primitive

Alors que la Terre refroidissait et durcissait, le volcanisme des premiers temps était intense et relarguait de très grandes quantité de gaz dans le milieu extérieur. Ces gaz, plus lourds que l'hydrogène et l'hélium, ont pu rester prisonniers de l'attraction terrestre et former une première atmosphère.

Les géologues ont pu reconstituer la composition de cette atmosphère primitive en analysant le contenu de petites bulles d'air piégées dans des minéraux formés dans les premiers stades de la Terre. Ainsi, la couche de gaz atmosphériques à cette époque se composait de monoxyde carbone, CO, de méthane, CH₄, d'ammoniaque, NH₃ et d'eau, H₂O.

Il est intéressant de noter que les planètes Vénus et Mars présentent également des atmosphères composées de ces gaz. Toutefois, à cette époque, il n'y avait pas de couche d'ozone pour protéger la  surface de la Terre des rayonnements ultra-violets nocifs et il n'y avait aucune protection contre les vents solaires.

Vers 4 milliards d'années avant aujourd'hui, soit environ 600 millions d'années après la naissance de notre Système Solaire, un volcanisme riche en eau a émis de grandes quantités de vapeur à la surface de la Terre. L'eau a ensuite pu précipiter et former les premiers océans. D'autres chercheurs avancent que des pluies de météorites riches en eau ont dû apporter cet élément si indispensable à la vie et qui recouvre, aujourd'hui, près de 70% de notre planète.
Il est probable que notre hydrosphère soit en fait le fruit d'une combinaison de ces deux facteurs.

Troisième phase : l'atmosphère oxydante

Vers 3,2 milliards d'années avant aujourd'hui (en fait, entre 3,8 et 2,7 milliards d'années avant aujourd'hui selon les différentes études), la vie microbienne a connu une évolution majeure : les premiers microorganismes photosynthétiques ont vu le jour. La photosynthèse consiste à transformer l'énergie solaire, la lumière, en énergie chimique, le glucose. Pour cela, les cyanobactéries consomment du dioxyde de carbone, le CO₂, et relarguent du dioxygène, le O₂.

Avant les premiers organismes photosynthétiques, le monde, aussi bien dans l'océan que dans l'atmosphère, est dans des conditions chimiques "réduites", il n'y a pas d'oxygène pour oxyder les éléments présents. Mais dès que la photosynthèse apparaît, une modification majeure du milieu commence : l'oxydation modifie la composition chimique des enveloppes fluides.

D'abord, c'est l'océan, dans lequel se produit la photosynthèse, qui change drastiquement : il est riche en fer soluble, réduit. Le fer réagit immédiatement avec l'oxygène en formant un précipité rouge qui coule au fond des océan. Ce sont les fers rubanés ou les BIF.

Une fois que tout le fer des océans a réagi avec l'oxygène, ce-dernier commence à en remplir l'eau. Dès que les océans sont oxygénés et à saturation, donc qu'il ne peut plus y avoir de stockage d'oxygène dans l'eau car tout le réservoir est plein, le dioxygène gazeux part dans l'atmosphère. C'est vers 2,7 milliards d'années avant aujourd'hui que l'atmosphère terrestre commence à s'oxyder.

Tous ces processus ont été induits uniquement par l'action de microorganisme, donc par la vie, et ont entraîné une modification profondes des conditions chimiques de la Terre et de ses océans.

Enfin, très tardivement, il y a seulement 400 millions d'années, la couche d'ozone s'est mise en place dans la stratosphère, ce qui a permis à la vie pluricellulaire de quitter les océans et de coloniser le milieu aérien, jusqu'alors trop hostile au développement de la vie.