Programme de terminale S - Sciences de la Vie et de la Terre

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• Annexe au programme de TS en pdf
• I- ENSEIGNEMENT OBLIGATOIRE
• I-1 Introduction : Approche du temps en biologie et géologie
• I-2 Parenté entre êtres vivants actuels et fossiles : Phylogenèse – Evolution
• I-3 La mesure du temps dans l’histoire de la Terre et de la vie (2 semaines)
• I-4 La convergence lithosphérique et ses effets. (4 semaines)
• I-5 Couplage des événements biologiques et géologiques au cours du temps
• II- ENSEIGNEMENT DE SPECIALITE
• Thème 1 : Du passé géologique à l’évolution future de la planète (7 semaines)
• Les climats passés de la planète
• Les variations du niveau de la mer (2 semaines)

I- ENSEIGNEMENT OBLIGATOIRE

Notre planète, tant en ce qui concerne la géosphère que la biosphère présente deux propriétés d'apparence contradictoire : stabilité et variabilité. Cette contradiction se résout par la prise en compte de la dimension temporelle. L'un des objectifs du programme de la classe de terminale est de fournir un modèle dynamique de la Terre aux élèves ayant opté pour la filière scientifique. Ce modèle, pour être complet, prend en compte l'évolution au cours du temps du système global terrestre : enveloppes fluides (abordées en classe de seconde), enveloppes solides (définies en classe de première S) et êtres vivants.

Le monde vivant présente une unité structurale et fonctionnelle mais aussi une très grande diversité ; cette diversité lui permet de se maintenir globalement au cours du temps et de s'étendre dans l'espace. Ainsi,

• la stabilité de la biosphère s'accompagne de la variabilité des espèces (évolution) ;
• la stabilité de l'espèce s'accompagne de la variabilité des individus (procréation, génétique) ;
• la stabilité de l'individu s'accompagne de la variabilité de certains de ses constituants (par exemple le système immunitaire).

Comprendre l'évolution biologique et géologique de la planète requiert la capacité d'identifier des moments remarquables dans l'histoire de la Terre, de les ordonner, d'évaluer leur âge et de mesurer les durées qui les séparent.

I-1 Introduction : Approche du temps en biologie et géologie (0.5 semaine)

L’objectif de cette partie est d’introduire le programme, de lui donner du sens, d’en faire percevoir le fil directeur et la logique. Il s’agit plus précisément de conduire les élèves à s’interroger sur les différentes échelles de temps utilisées pour comprendre l’évolution conjointe de la planète et de la biosphère. Cette introduction s’appuie sur la perception empirique du temps qu’ont les élèves. Elle ne constitue en aucun cas une liste de contenus ou de notions exigibles au baccalauréat. Toutefois, si une notion utilisée dans l’introduction est reprise dans une autre partie du programme, elle pourra alors faire l’objet de questions à l’examen, ces questions se cantonnant exclusivement aux contenus et respectant les limites de la partie du programme correspondante. Les indications ci-dessous ne sont que des propositions.

I-1-1 Questions essentielles pouvant servir d’entrée dans le programme




Comment la planète actuelle (avec ses habitants) s’est-elle construite au cours du temps ? Son fonctionnement a-t-il toujours été conforme à l’actuel ou s’est-il modifié au cours du temps ?

Quels sont les événements majeurs qui jalonnent cette histoire ? Quand se sont-ils produits? Comment peut-on les dater ? Comment peut-on apprécier leur durée ?

Sur quel(s) critère(s), notamment temporel(s), peut-on définir la stabilité ou la variabilité d’un individu, d’une chaîne de montagne, d’une molécule, d’une espèce, d’un domaine océanique…?

Quelles sont les durées caractéristiques d’existence d’un individu, d’une chaîne de montagne, d’une molécule, d’une espèce, d’un domaine océanique…?

Les modifications de la planète et de ses habitants sont-elles continues ou discontinues ?

I-1-2 Méthodes et supports envisageables




Repérer sur une frise du temps les grands événements déjà abordés au cours des classes précédentes en sciences de la vie et de la Terre.

Par une recherche documentaire, faire construire une frise du temps en y plaçant les événements couramment évoqués dans la presse de vulgarisation scientifique et faire naître le besoin d’une justification rigoureuse (ou d’une remise en cause) de cette présentation.

Parmi les événements clés intéressants, on peut citer sans les développer, les exemples suivants :

• La formation de la Terre et sa différenciation
• L’apparition de la vie
• L’apparition de l’atmosphère oxydante
• La mise en place de la tectonique des plaques
• L’apparition de la cellule eucaryote
• L’apparition de la première coquille (ou du premier squelette)
• L’apparition du premier vertébré
• L’apparition de la première plante ligneuse
• L’apparition du premier être vivant aérien
• L’apparition du premier Hominidé

Par une recherche documentaire :

• faire classer les grands événements biologiques et géologiques selon leur durée,
• faire naître un questionnement sur le mode d’appréciation de la durée des phénomènes.
  • Discuter sur un exemple de la continuité ou discontinuité d’un phénomène selon l’échelle de temps utilisée pour le décrire.
  • Discuter sur un exemple de la stabilité ou de la variabilité d’un objet, d’un mécanisme, etc. en fonction de la durée de son observation.

Parmi les « objets » et « mécanismes », dont on peut apprécier la durée :

• La planète Terre
• Une chaîne de montagne
• Une période glaciaire
• Une espèce
• Un individu
• Une molécule
• Une cellule
• Une réaction métabolique
• Le renouvellement du carbone de la biomasse
• Une division cellulaire

Les technologies de l’information et de la communication pourront contribuer à l’enseignement de toutes les parties du programme, grâce aux possibilités d’acquisition et de traitement de données par ordinateur, de modélisation, de simulation et grâce aux ressources en ligne, notamment sur le réseau des sites institutionnels.

I-2 Parenté entre êtres vivants actuels et fossiles Phylogenèse – Evolution (3 semaines)

A partir d’un réinvestissement de la classe de seconde (les plans d’organisation, l’unité des constituants cellulaires et génétiques, l’origine commune des espèces) on aborde la biodiversité et la recherche de la parenté entre espèces (phylogenèse). L’Homme, avec ses caractéristiques particulières, est situé au sein du règne animal. On montre ensuite que les êtres humains actuels appartiennent à une même espèce. On date l’émergence de cette espèce en la resituant dans l’histoire de la Terre.

NOTIONS

ACTIVITES ENVISAGEABLES

Les êtres vivants partagent des propriétés communes (structure cellulaire, ADN, modalités de la réplication et de l’expression des gènes, code génétique). Elles traduisent une origine commune. L’état actuel du monde vivant résulte de l’évolution. Toutes les espèces vivantes actuelles et toutes les espèces fossiles sont apparentées mais elles le sont plus ou moins étroitement. La recherche de parenté chez les vertébrés - L’établissement de phylogénies. L’établissement de relations de parenté entre les vertébrés actuels s’effectue par comparaison de caractères homologues (embryonnaires, morphologiques, anatomiques et moléculaires). Les comparaisons macroscopiques prennent en compte l’état ancestral et l’état dérivé des caractères. Seul le partage d’états dérivés des caractères témoigne d’une étroite parenté. Ces relations de parenté contribuent à construire des arbres phylogénétiques. Les ancêtres communs représentés sur les arbres phylogénétiques sont hypothétiques, définis par l’ensemble des caractères dérivés partagés par des espèces qui leur sont postérieures ; ils ne correspondent pas à des espèces fossiles précises. Une espèce fossile ne peut être considérée comme la forme ancestrale à partir de laquelle se sont différenciées les espèces postérieures La lignée humaine – La place de l’Homme dans le règne animal L’Homme est un eucaryote, un vertébré, un tétrapode, un amniote, un mammifère, un primate, un hominoïde, un hominidé, un homininé : ces caractères sont apparus successivement à différentes périodes de l’histoire de la vie. L’Homme partage un ancêtre commun récent avec le Chimpanzé et le Gorille. Cet ancêtre commun n’est ni un Chimpanzé (ou un Gorille) ni un homme. La divergence de la lignée des chimpanzés et de la lignée humaine peut être située il y a 7 à 10 millions d’années. Les critères d’appartenance à la lignée humaine : Les critères d’appartenance à la lignée humaine sont les caractères liés à la station bipède, le développement du volume crânien, la régression de la face, les traces fossiles d’une activité culturelle. On admet que tout fossile présentant au moins un de ces caractères dérivés appartient à la lignée humaine. Le caractère buissonnant de la lignée humaine La lignée humaine est représentée actuellement par une seule espèce. Plusieurs espèces d’homininés ont vécu entre 6 millions d’années et 100 000 ans, époque où apparaissent les Homo sapiens. Ces espèces appartiennent à deux genres : les Australopithèques et les Homo. Les Australopithèques possèdent des caractères dérivés de la lignée humaine en rapport avec la bipédie. Les espèces du genre Homo possèdent en outre des caractères dérivés crâniens marqués notamment par une augmentation du volume crânien et une réduction de la face. Les Australopithèques ont vécu entre 4 millions d’années (Australopithecus anamensis) et 1 million d’années (A. robustus). Les Homo les plus anciens (H. habilis) sont datés de 2,5 millions d’années. Plusieurs espèces d’Homininés ont donc vécu en même temps. Les Australopithèques formeraient un rameau de la lignée humaine détaché assez tôt de celui des Homo. Les espèces fossiles actuellement trouvées entre 4 millions et 1,5 millions d'années sont toutes africaines. Cela peut s’expliquer par l’origine africaine de la lignée humaine ou par les conditions de fossilisation exceptionnelles de la vallée du rift africain. Les Homo erectus sont connus d’abord en Afrique (adolescent de Turkana : 1,6 million d’années) ; ils forment un groupe très diversifié dont l’évolution est marquée notamment par une augmentation graduelle du volume crânien. De nombreuses populations colonisent l’Afrique du Nord, l’Afrique du Sud, le Proche Orient, l’Asie et l’Europe. L’Homme de Néanderthal trouvé en Europe semble provenir de l’évolution d’Homo erectus ayant colonisé l’Europe. L’origine des hommes modernes, Homo sapiens Toutes les populations humaines actuelles partagent les mêmes allèles, avec une fréquence variable. La population ancestrale n’aurait compté que quelques dizaines de milliers d’individus. Homo sapiens serait une nouvelle espèce apparue en Afrique ou au Proche Orient il y a 100 000 à 200 000 ans et aurait colonisé tous les continents en remplaçant Homo erectus. Limites : les arguments liés aux données sur l’ADN mitochondrial ne sont pas au programme.

Remobilisation rapide des acquis de seconde et de première. Etude sommaire de stades embryonnaires de différents vertébrés. Utilisation de pièces anatomiques pour établir les relations de parenté entre les vertébrés. Utilisation de logiciels permettant des comparaisons moléculaires entre les vertébrés (hémoglobine, myoglobine). Utilisation de logiciels établissant des arbres phylogénétiques. Lecture et critique d’arbres phylogénétiques. Comparaisons chromosomiques et moléculaires Chimpanzé-Homme ; Gorille-Homme. Comparaisons anatomiques entre l’Homme et le chimpanzé : étude des caractéristiques anatomiques en relation avec la station bipède. Travail sur documents (réels, moulages, photographies….) montrant des pièces anatomiques (boîtes crâniennes, bassins) : description, comparaison, classement. Etude de la diversité de la répartition géographique des groupes sanguins.

I-3 La mesure du temps dans l’histoire de la Terre et de la vie (2 semaines)

Si les outils de mesure des durées des phénomènes biologiques actuels sont relativement familiers des élèves, il n’en est pas de même de ceux qui permettent d’apprécier les événements longs (par rapport à l’échelle humaine) et anciens (par rapport à l’approche historique).
La mesure du temps au-delà des époques historiques se fait en interprétant des phénomènes géologiques et biologiques enregistrés dans les roches et les fossiles. Pour cela les géologues utilisent des outils de datation relative et absolue.
Selon son choix, le professeur peut consacrer un bloc de deux semaines à l’étude de ce chapitre ou le répartir sur une durée équivalente dans d’autres chapitres. Il est suggéré aux professeurs d’illustrer les méthodes de chronologie relative et absolue à partir d’exemples choisis dans les chapitres « convergence (subduction, collision) », « parenté entre êtres vivants actuels et fossiles - phylogenèse – évolution ». Quelle que soit la solution pédagogique choisie, les objectifs cognitifs à atteindre sont ceux énoncés ci-dessous.

NOTIONS

ACTIVITES ENVISAGEABLES

Datation relative. La datation relative permet d’ordonner les uns par rapport aux autres des structures (strates, plis, failles, minéraux) et des événements géologiques variés (discordance, sédimentation, intrusion, orogenèse). Limites : Le détail des structures, leur inventaire exhaustif et les mécanismes de déformation ne sont pas au programme La datation relative repose sur les principes de la chronologie qui ont permis d’établir l’échelle stratigraphique des temps géologiques. Ces principes sont : superposition, continuité, recoupement, identité paléontologique. Limites : L’utilisation de ces principes pour l’établissement de l’échelle stratigraphique internationale n’est pas au programme. La connaissance de l’échelle stratigraphique internationale des temps géologiques n’est pas au programme. La reconstitution de l’histoire géologique d’une région n’est pas au programme, on se limitera à l’étude de successions simples d’événements géologiques. Datation absolue La chronologie absolue, en donnant accès à l’âge des roches et des fossiles, permet de mesurer les durées des phénomènes géologiques. Elle permet aussi de situer dans le temps l’échelle relative des temps géologiques. La chronologie absolue est fondée sur la décroissance radioactive de certains éléments chimiques : elle exploite la relation qui existe entre rapports isotopiques et durée écoulée depuis la « fermeture du système » contenant les isotopes. Les radio-chronomètres sont choisis en fonction de la période de temps que l’on cherche à explorer. Pour les derniers millénaires on utilise le carbone 14 (14C) dont la quantité lors de la fermeture du système est connue. La mesure de la quantité de 14C restante dans l’échantillon permet de trouver un âge. Lorsque tous les éléments radioactifs ont disparu de l’échantillon, la datation n’est plus possible. Pour des périodes plus anciennes on peut, par exemple, utiliser le couple potassium-argon (K-Ar). La quantité initiale lors de la fermeture du système est négligeable. La contamination par l’argon de l’atmosphère rend difficile la détection de l’argon issu de la désintégration du potassium avant que la roche ait atteint un certain âge. On utilise aussi le couple rubidium-strontium (Rb-Sr). Pour trouver l’âge d’une roche il est alors nécessaire de mesurer les rapports isotopiques de plusieurs minéraux de la même roche ayant cristallisé au même moment (les quantités initiales des éléments et le moment de la fermeture du système étant inconnus). Limites : La signification des rapports isotopiques initiaux n’est pas au programme.

Datation relative d’événements à partir d’exemples et d’observations : sur le terrain (superposition, discordance et déformation des couches) sur des échantillons (fossiles, minéraux) sur des coupes géologiques (discordances, intrusions) sur des photographies et des images à diverses échelles (discordances) Calcul de l’âge d’une couche à partir de résidus de bois carbonisés (traces de peuplement, coulées volcaniques récentes ayant brûlé une végétation) Utilisation de datations absolues K-Ar pour encadrer l’âge de gisements fossilifères d’hominidés dans les séries volcanosédimentaires du rift est-africain.

Remarque : La datation absolue des objets naturels en sciences de la Terre est une illustration pratique du principe de la décroissance radioactive étudié en sciences physiques et de la fonction exponentielle étudiée en mathématiques : une coordination entre les enseignants des disciplines scientifiques pourra être développée à ce sujet.

I-4 La convergence lithosphérique et ses effets. (4 semaines)

Les notions sur la structure du globe et la convection du manteau, les connaissances sur les plaques lithosphériques et leur cinématique, certains processus magmatiques ont été acquis en classe de première. Les principales caractéristiques de la convergence introduites en première sont réinvesties pour traiter les phénomènes liés à la convergence des plaques.

La convergence lithosphérique est caractérisée :
• par le rapprochement de repères fixés aux plaques,
• par une destruction de surface lithosphérique,
par la formation de reliefs.

NOTIONS	ACTIVITES ENVISAGEABLES
Convergence et subduction La convergence se traduit par la disparition de lithosphère océanique dans le manteau, ou subduction. La lithosphère océanique s’enfonce sous la marge active d’une plaque comprenant une croûte continentale ou une croûte océanique. Les caractéristiques principales des zones de subduction sont :. La présence de reliefs particuliers (positifs et négatifs). Une activité magmatique importante. Une déformation lithosphérique importante. Une répartition particulière des flux de chaleur. Limites : Les caractéristiques gravimétriques des zones de subduction ne sont pas au programme. La distribution géométrique des séismes matérialise le plongement d’une portion rigide de lithosphère à l’intérieur du manteau plus chaud et ductile. Limites : L’étude exhaustive de la diversité des structures et des fonctionnements des zones de subduction n’est pas au programme. On se limite à la distinction entre subduction sous une marge continentale et subduction intra-océanique. L’évolution de la lithosphère océanique qui s’éloigne de la dorsale s’accompagne d’une augmentation de sa densité, jusqu’à dépasser la densité de l’asthénosphère : cette différence de densité est l’un des principaux moteurs de la subduction. Les zones de subduction sont le siège d’une importante activité magmatique caractéristique : volcanisme, mise en place de granitoïdes. Limites : Les caractéristiques chimiques des séries magmatiques et la diversité des dynamismes éruptifs ne sont pas au programme. Le magma provient de la fusion partielle des péridotites au-dessus du plan de Bénioff, cette fusion est due à l’hydratation du manteau. L’eau provient de la déshydratation des roches de la plaque plongeante. Le long du plan de Bénioff, les roches de la lithosphère océanique sont soumises à des conditions de pression et de températures différentes de celles de leur formation. Elles se transforment et se déshydratent. Des minéraux caractéristiques des zones de subduction apparaissent.	Analyse de documents (cartes, coupes, base de données sismiques, photographies) permettant de dégager les principales caractéristiques des marges actives actuelles : fosses océaniques chaines de montagne arc magmatique prisme d'accrétion, bassin arrière-arc On exclura tout document relatif à la gravimétrie. Construction de plan(s) de Wadati/Benioff à partir des profondeurs des foyers des séismes. À partir des densités moyennes de la croûte océanique et du manteau lithosphérique, calcul de la densité moyenne de la lithosphère océanique en fonction de son épaisseur et de son âge. Comparaison avec la densité de l’asthénosphère. Etude (texture, composition) de roches magmatiques : volcaniques (andésite, rhyolite) et plutoniques (granitoïde). Observation des minéraux et des structures minérales témoignant de transformations minéralogiques dans les métabasaltes ou métagabbros de la croûte océanique subduite : minéraux typiques des zones de subduction (glaucophane, grenat, jadéite). Utilisation de grilles pétrogénétiques pour retrouver les conditions d’apparition de ces minéraux.
Convergence et collision continentale La collision résulte de la convergence de deux lithosphères continentales. Elle fait suite en général à une subduction et conduit à la formation d’une chaîne de montagnes. Ces phénomènes sont abordés à partir de quelques aspects de la géologie des Alpes franco-italiennes. En aucun cas il ne s’agit d’une étude exhaustive de la chaîne ou de sa formation. Dans les Alpes franco-italiennes affleurent des roches qui contiennent des témoins minéralogiques des conditions de pression et température d’une subduction. Il s’agit d’éléments d’une ancienne lithosphère océanique subduite et ramenée en surface (ophiolites). Dans les Alpes franco-italiennes affleurent des témoins de marges passives : sédiments, blocs basculés et de croûte océanique non subduite (ophiolites). Les marges passives sont déformées et témoignent de la collision continentale. La convergence est ici absorbée par la déformation des marges qui se raccourcissent et s’épaississent, conduisant à la formation d’une chaîne de montagnes. Les conséquences les plus visibles du raccourcissement et de l’épaississement de la croûte continentale sont : une topographie particulière (des reliefs élevés associés à une racine crustale), des plis, des failles et des charriages. Limites : Les mécanismes de l’obduction ne sont pas au programme. Le détail des structures, leur inventaire exhaustif et les mécanismes de déformation ne sont pas au programme Après la collision, la chaîne de montagnes est le lieu d’une évolution tardive : érosion en surface, fusion partielle en profondeur. Limites : Les processus d’évolution tardive des chaînes sont simplement évoqués ; ils ne sont pas au programme et ne feront pas l’objet d’une question au baccalauréat. La fin de ce chapitre est l’occasion de dresser un rapide bilan de la dynamique de la lithosphère, de l’ouverture océanique à la naissance d’une chaîne de montagnes.	Reconnaissance et étude (terrain, coupes, photographies) des indices d’une subduction et d’une collision : roches, structures minéralogiques portant les traces de la subduction plis, failles et charriages traces de la collision. Mise en évidence de l’épaississement à partir de l’analyse de profils sismiques levés au travers de chaînes de montagnes.

I-5 Couplage des événements biologiques et géologiques au cours du temps (1,5 semaine)

L’aspect continu ou discontinu des processus biologiques et géologiques dépend de l’échelle de temps à laquelle on les observe. Ainsi, l’espèce humaine observée à l’échelle de la durée de vie de ses individus est stable, alors que l’étude de la lignée humaine introduit l’existence de discontinuités. De même une série sédimentaire, sans lacune, est un enregistrement continu du temps écoulé entre la base et le sommet du dépôt. Elle est pourtant formée d’un empilement de couches successives séparées par des discontinuités traduisant des changements environnementaux, chaque couche pouvant représenter une durée différente indépendante de son épaisseur.

NOTIONS

ACTIVITES ENVISAGEABLES

A l’échelle des temps géologiques des modifications brutales et globales liées à des événements planétaires affectent le monde vivant : ce sont les crises. Elles alternent avec des périodes plus longues de relative stabilité. La limite Crétacé-Tertiaire : un événement géologique et biologique majeur La limite Crétacé-Tertaire (il y a 65 millions d’années) est caractérisée par l'extinction massive et rapide d'espèces et de groupes systématiques des milieux continentaux et océaniques. Certains groupes survivent à la crise, ils se diversifient rapidement en occupant toutes les niches écologiques. L'origine de ces événements pourrait être la conjonction de deux phénomènes géologiques. Le premier est lié à la dynamique de la planète et correspond notamment aux conséquences de la mise en place des trapps du Deccan ; le second est associé à la chute d'un astéroïde dont le cratère de Chixulub est la trace. Les crises biologiques, repères dans l’histoire de la Terre. Au cours de l’histoire de la Terre, les phénomènes comme la crise Crétacé-Tertiaire ont un caractère exceptionnel. Ils ont une influence majeure sur l’évolution de la biosphère. Durant les 500 derniers millions d'années sont survenues plusieurs crises majeures pour lesquelles des extinctions biologiques massives sont corrélées à : des phénomènes géologiques internes (tectonique des plaques, panaches mantelliques et volcanisme associé) des phénomènes d’origine extraterrestre (chute d'astéroïdes) Produit récent de l'évolution biologique, l'Homme a les moyens d’avoir une influence sur l’avenir de la planète. Changements géologiques et modifications de la biosphère sont interdépendants.

Repérage des crises en analysant des indices sédimentologiques et paléontologiques dans des colonnes stratigraphiques. Exemple de l’extinction des dinosaures, des ammonites et de la majorité des foraminifères planctoniques. Analyse de documents relatant les conséquences à plus ou moins long terme du comportement humain sur la préservation ou la destruction de l'environnement.




II- ENSEIGNEMENT DE SPECIALITE

Thème 1 - Du passé géologique à l’évolution future de la planète (7 semaines)




Les notions de géologie acquises de la classe de seconde à celle de terminale permettent de comprendre le fonctionnement général de la planète, de ses enveloppes externes à ses domaines les plus internes. L’enseignement de spécialité précise quelques aspects de ce fonctionnement, à différentes échelles spatiales et temporelles. Il est l’occasion de montrer que l’étude des évolutions passées de la planète, fondée sur une démarche raisonnée intégrant des observations géologiques variées et des mécanismes physiques et chimiques simples, procure des éléments de réflexion et des modèles pour appréhender l’évolution future de la planète. La prévision des climats du futur est un enjeu à la fois de recherche scientifique et de société.

Deux problématiques partiellement interdépendantes sont traitées dans l’enseignement de spécialité et sont abordées en faisant appel à plusieurs disciplines des sciences de la Terre. Cette partie du programme démontre comment l’observation, l’interprétation et la modélisation de phénomènes passés sont utilisés pour proposer des scénarios de l’évolution future de la Terre. Les deux problématiques choisies sont :

• les variations du climat.
• les variations du niveau moyen des mers.

Ces deux exemples mettent en avant les relations qui existent entre le fonctionnement des enveloppes externes et internes de la Terre et les interactions de la Terre avec le reste du système solaire.

II-1 Les climats passés de la planète (5 semaines)




Les changements du climat de la planète s'étudient à différentes échelles de temps. Les variations climatiques sont enregistrées dans les roches sédimentaires et les accumulations de glace aux pôles. La nature chimique des sédiments, leurs contenus fossilifères et leurs conditions de dépôt, ainsi que la composition isotopique des glaces, sont des marqueurs des conditions climatiques. Les bulles de gaz emprisonnées dans les accumulations de glaces des calottes polaires sont des témoins de la composition chimique moyenne de l'atmosphère et de son contenu en gaz à effet de serre. La composition de l’atmosphère plus ancienne, en particulier en dioxyde de carbone (CO₂), s’obtient par des données très indirectes.

Plus on recule dans le temps plus les enregistrements géologiques perdent de leur résolution temporelle. Les variations climatiques sont étudiées à deux échelles de temps :

• Le dernier million d’années où la continuité des enregistrements géologiques permet d’observer des variations climatiques avec une haute résolution temporelle de l’ordre de 1000 ans.
• Le milliard d’années où les enregistrement géologiques permettent d’identifier les changements climatiques avec une résolution de quelques millions d’années.

NOTIONS

ACTIVITES ENVISAGEABLES

Les changements du climat des 700 000 dernières années. Les carottes de glace forées dans les calottes polaires et les carottes sédimentaires des fonds océaniques ou lacustres permettent de reconstituer les variations climatiques des 700 000 dernières années. Les variations locales de la température au dessus des calottes polaires sont déduites de la composition isotopique de l'oxygène (18O/16O) de la glace. Ces variations de température sont corrélées à des variations de concentration des gaz à effet de serre dans l'atmosphère. En dehors des pôles, les variations climatiques locales sont déduites de l’étude de carottes sédimentaires de lacs ou de tourbières. Les variations globales du volume des calottes glaciaires et des glaciers, représentatives des changements climatiques à l’échelle de la planète, sont déduites de la composition isotopique de l'oxygène (18O/16O) des tests carbonatés dans les sédiments océaniques. . Limites : Les mécanismes de fractionnement isotopique de l’oxygène ne sont pas au programme. Les variations climatiques montrent des alternances de périodes glaciaires et interglaciaires. Un cycle de 100 000 ans rythme les glaciations. Des cycles de réchauffement-refroidissement sont observés entre deux maxima glaciaires avec des périodes de 43 000, 24 000 et 19 000 ans. Bilan explicatif : ces périodicités s'expliquent par les variations régulières des paramètres orbitaux de la Terre. Ces paramètres déterminent la répartition et les variations au cours du temps de l’énergie solaire reçue aux différentes latitudes (cf. programme de la classe de seconde). Cependant, les seules variations de l'ensoleillement n'expliquent pas l'amplitude observée des variations de températures. D'autres phénomènes interdépendants modulent l'effet astronomique. Parmi ces phénomènes, on étudie à titre d’exemple deux d’entre eux : les variations de l'albédo de la planète L’albédo est l’un des facteurs qui contrôle la température de surface de la Terre. Il est fonction entre autres du couvert végétal et de l'extension des calottes polaires qui eux-mêmes dépendent de la température. les variations de la teneur en CO2 atmosphérique Le CO2 participe à l’effet de serre de la planète. Sa concentration dans l’atmosphère est en équilibre avec celle de l’océan. Lorsque la température augmente, la solubilité de CO2 dans l’océan diminue, l’équilibre précédent est déplacé : du CO2 passe de l’océan dans l’atmosphère ce qui induit une augmentation de l’effet de serre. Limites : les interactions entre les différents phénomènes qui modulent l’effet astronomique ne sont pas au programme. L’étude des paramètres orbitaux de la Terre n’est pas au programme. Les changements climatiques aux plus grandes échelles de temps. Les variations à courtes échelles de temps vues précédemment se superposent à des variations à beaucoup plus grande échelle de temps. On retrouve ainsi dans les roches : des traces de périodes glaciaires. des traces de périodes chaudes. des traces de changements brusques du climat. Limites : L’étude des mécanismes à l’origine des traces de changements climatiques n’est pas au programme. Les mécanismes des variations climatiques aux grandes échelles de temps impliquent des variations importantes dans la teneur en gaz à effet de serre de l'atmosphère (maximum du CO2 au Crétacé, minimum au Carbonifère par exemple). Ces variations sont contrôlées en particulier par les processus suivants qui libèrent ou consomment du CO2 : l'altération des silicates calciques et magnésiens de reliefs orogéniques consomme du CO2 . la précipitation des carbonates libère du CO2 et la dissolution des carbonates consomme du CO2 . le piégeage de la matière organique dans les roches stocke du CO2. le dégazage du manteau par le volcanisme libère du CO2 dans l’océan et dans l’atmosphère. Limites : L’étude des processus de maturation et de conservation des roches carbonées ainsi que l’étude du dégazage du manteau ne sont pas au programme. Bilan : Envisager les climats du futur. L'identification des paramètres qui contrôlent le climat de la Terre est essentielle pour construire des modèles climatiques. Les scénarios d'évolution de la température moyenne de la Terre qui, outre la variabilité naturelle du climat, prennent en compte l'impact de l'activité humaine, prévoient un réchauffement de l'ordre de 2 à 5°C au cours du XXIe siècle. Ce réchauffement à l’échelle du siècle se superpose à un refroidissement constant de plus grande ampleur commencé il y a 20 millions d’années.

Mise en évidence de la globalité et de la périodicité des {changements_climatiques__quaternaire} récent, par l’étude comparée de la composition des bulles de gaz et de la composition isotopique des glaces dans les carottes de glace arctiques et antarctiques. Comparaison avec les enregistrements dans les sédiments océaniques. Mise en parallèle des variations climatiques terrestres avec les variations de l’énergie solaire reçue par la Terre au cours du temps. Mise en évidence de la variabilité climatique du quaternaire récent dans les sédiments continentaux des lacs et tourbières : sédimentologie et analyse des pollens dans des séries sédimentaires actuelles et passées. Etude de données et documents géologiques attestant des glaciations précambriennes et paléozoïques. Replacer ces traces glaciaires en fonctions de la position des continents au cours du temps. Etude des processus d’altération des roches : utilisation d’analyses chimiques et minéralogiques de roches saines et altérées, d’analyses chimiques d’eau des rivières et d’eau de mer.




II-2 Les variations du niveau de la mer (2 semaines)




Les variations du niveau de la mer sont d'amplitude variable au cours de l'histoire de la Terre. Elles trouvent leur origine dans les changements climatiques mais aussi dans les phénomènes tectoniques et dans l'activité plus ou moins intense du manteau terrestre.

NOTIONS

ACTIVITES ENVISAGEABLES

Mise en évidence des variations du niveau de la mer au cours des temps géologiques Les variations du niveau de la mer modifient la surface des terres émergées. Les roches sédimentaires par leur nature et leur extension enregistrent les variations relatives du niveau de la mer. Ces variations se manifestent notamment par des transgressions et des régressions sur les continents. Les causes des variations mondiales du niveau de la mer Les variations relatives du niveau de la mer à l'échelle mondiale sont contrôlées par le volume d'eau dans les bassins océaniques. On considère que pendant les 200 derniers millions d'années le volume d'eau sous forme de glace, de liquide et de vapeur est constant à la surface de la Terre. Les principales causes des variations du niveau de la mer sont : La dilatation thermique de l'eau (de 10 à 20 cm par siècle). La formation et la destruction des calottes polaires (de l’ordre de la centaine de mètres en 10 000 à 100 000 ans). Le volume des bassins océaniques (dont la variation peut aller jusqu’à plusieurs centaines de mètres en une dizaine de millions d’années).

Mise en évidence des variations du niveau de la mer à deux échelles de temps : Les variations liées aux glaciations du quaternaire par l'analyse de récifs fossiles, de traces de lignes de rivage ou d'activité humaine (ex: grotte Cosquer). Les variations liées aux phénomènes de transgression et de régression du Crétacé supérieur par l’analyse de documents (cartes, vidéos, photographies, échantillons). Etudes à partir de divers documents (cartes, photographies, échantillons) des phénomènes de transgression et de régression. Mise en évidence sur la carte géologique du monde et de la France de l’importance mondiale de la transgression du Crétacé supérieur. Mise en évidence des paramètres de variation du niveau de la mer : variation de volume de l’eau de mer en fonction de la température, variations de la quantité de glace présente sur les terres émergées, variations de la profondeur moyenne du fond des océans. Réalisation d’un bilan quantitatif


NB : La classe hors du lycée

Un déplacement de la classe hors du lycée (travail sur le terrain, dans un laboratoire, dans un musée…) pourra être éventuellement organisé. Il aura pour objectif de mettre en application les méthodes initiées en classe de première mais également de :

• servir de support à un questionnement à partir duquel sera traité un aspect du programme,
• valider un modèle proposé et présenté en classe, et servir d’exercice d’évaluation,
• fournir l’occasion d’une ouverture de la discipline.