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1.3 : La Terre Solide - Biologie


FORMATION ET STRUCTURE DE LA TERRE

La terre s'est formée il y a environ 4,6 milliards d'années à partir d'un nuage nébulaire de poussière et de gaz qui entourait le soleil. Finalement, des corps de plusieurs kilomètres de diamètre se sont formés; ceux-ci sont connus comme planétésimaux. Ce processus s'est poursuivi jusqu'à ce qu'une planète de la taille de la Terre se soit formée.

Au début de sa formation, la terre doit avoir été complètement fondue. La principale source de chaleur à cette époque était probablement la désintégration d'éléments radioactifs naturels. Au fur et à mesure que la terre se refroidissait, les différences de densité entre les minéraux en formation ont amené l'intérieur à se différencier en trois zones concentriques : la croûte, le manteau et le noyau. La croûte s'étend vers le bas depuis la surface jusqu'à une profondeur moyenne de 35 km où commence le manteau. Le manteau s'étend jusqu'à une profondeur de 2900 km où commence le noyau. Le noyau s'étend jusqu'au centre de la terre, à une profondeur d'environ 6 400 km de la surface.

Les coeur représente 16 pour cent du volume de la terre et environ 31 pour cent de la masse. Il peut être divisé en deux régions : un noyau interne solide et un noyau externe liquide. Le noyau interne est probablement principalement constitué de fer métallique allié à une petite quantité de nickel, car sa densité est légèrement supérieure à celle du fer métallique pur. Le noyau externe est de composition similaire, mais contient probablement aussi de petites quantités d'éléments plus légers, tels que le soufre et l'oxygène, car sa densité est légèrement inférieure à celle du fer métallique pur. La présence des éléments plus légers abaisse le point de congélation et est probablement responsable de l'état liquide du noyau externe.

Les manteau est la plus grande couche de la terre, représentant environ 82 pour cent du volume et 68 pour cent de la masse de la terre. Le manteau est dominé par le magnésium et les minéraux riches en fer (mafiques). La chaleur du noyau de la terre est transportée vers la région crustale par convection à grande échelle dans le manteau. Près du sommet du manteau se trouve une région de roche partiellement fondue appelée la asthénosphère. De nombreux courants de convection à petite échelle se produisent ici sous forme de magma (c'est-à-dire la roche en fusion) monte et le magma plus froid coule en raison des différences de densité.

Les croûte est la couche la plus mince de la terre, ne représentant que 1% de la masse et 2% du volume. Par rapport au reste de la terre, la croûte est riche en éléments tels que le silicium, l'aluminium, le calcium, le sodium et le potassium. Les matériaux crustaux sont très divers, constitués de plus de 2000 minéraux. La croûte moins dense flotte sur le manteau sous deux formes : la croûte continentale et le croute océanique. La croûte océanique, qui contient plus minéraux mafiques est plus mince et plus dense que la croûte continentale qui contient des minéraux plus riches en silicium et en aluminium. L'épaisse croûte continentale a de profondes racines flottantes qui aident à soutenir les altitudes plus élevées au-dessus. La croûte contient les ressources minérales et les combustibles fossiles utilisés par l'homme.

ÉCHELLE DE TEMPS GÉOLOGIQUE

Afin de décrire les relations temporelles entre les formations rocheuses et les fossiles, les scientifiques ont développé une échelle de temps géologique dans lequel l'histoire de la terre est divisée et subdivisée en divisions temporelles. Les trois éons (Phanérozoïque, Protérozoïque, et Archéen) représentent les plus grandes divisions temporelles (mesurées en milliards d'années). Ils sont à leur tour subdivisés en Ères, Périodes et Époques. Des discontinuités majeures dans l'enregistrement géologique et dans l'enregistrement biologique (fossile) correspondant sont choisies comme lignes de démarcation entre les différents segments temporels. Par exemple, la limite Crétacé-Tertiaire (il y a 65 millions d'années) marque une extinction massive et soudaine d'espèces, dont les dinosaures. Grâce à l'utilisation de techniques quantitatives modernes, certaines roches et matières organiques peuvent être datées avec précision en utilisant la désintégration d'isotopes radioactifs naturels. Par conséquent, des âges absolus peuvent être attribués à certaines parties de l'échelle de temps géologique.

LA LITHOSPHÈRE ET LA TECTONIQUE DES PLAQUES

La couche du manteau au-dessus de l'asthénosphère et toute la croûte forment une région appelée la lithosphère. La lithosphère, et donc la croûte terrestre, n'est pas une coquille continue, mais est divisée en une série de plaques qui « flottent » indépendamment sur l'asthénosphère, un peu comme un radeau sur l'océan. Ces plaques sont en mouvement constant, se déplaçant généralement de quelques centimètres par an, et sont entraînées par la convection dans le manteau. La théorie scientifique qui décrit ce phénomène est appelée tectonique des plaques. Selon la théorie de la tectonique des plaques, la lithosphère est composée de sept plaques principales et de plusieurs plus petites. Comme ces plaques sont en mouvement constant, des interactions se produisent là où les limites des plaques se rencontrent.

Une frontière de plaque convergente (en collision) se produit lorsque deux plaques entrent en collision. Si la frontière convergente implique deux plaques continentales, la croûte est comprimée en de hautes chaînes de montagnes telles que l'Himalaya. Si une plaque océanique et une plaque continentale entrent en collision, la croûte océanique (parce qu'elle est plus dense) est subductée sous la croûte continentale. La région où la subduction a lieu est appelée une zone de subduction et se traduit généralement par une fosse océanique profonde comme le "Tranchée Mariana" dans l'océan Pacifique occidental. La croûte subductée fond et le magma résultant peut remonter à la surface et former un volcan. UNE plaque divergente limite se produit lorsque deux plaques s'éloignent l'une de l'autre. La remontée de magma de la région du manteau est forcée à travers les fissures résultantes, formant une nouvelle croûte. La dorsale médio-océanique de l'océan Atlantique est une région où de nouveaux matériaux crustaux se forment continuellement à mesure que les plaques divergent. Les volcans peuvent également se produire à des frontières divergentes. L'île d'Islande en est un exemple. Un troisième type de frontière de plaque est le frontière de transformation. Cela se produit lorsque deux plaques glissent l'une sur l'autre. Cette interaction peut créer une tension dans les régions crustales adjacentes, entraînant des tremblements de terre lorsque la tension est relâchée. La faille de San Andreas en Californie est un exemple de frontière de plaque transformée.

PERTURBATIONS GEOLOGIQUES

VOLCANS

Un actif volcan Se produit quand magma (Roche en fusion) atteint la surface de la terre par une fissure ou un évent dans la croûte. L'activité volcanique peut impliquer l'extrusion de lave à la surface, l'éjection de roches solides et de cendres et la libération de vapeur d'eau ou de gaz (dioxyde de carbone ou dioxyde de soufre). Les volcans se produisent généralement près des limites des plaques où le mouvement des plaques a créé des fissures dans la lithosphère à travers lesquelles le magma peut s'écouler. Environ quatre-vingts pour cent des volcans se produisent aux limites des plaques convergentes où la matière subductée fond et s'élève à travers les fissures de la croûte. La chaîne des Cascades a été formée de cette façon.

Les volcans peuvent être classés selon le type et la forme de leurs éjectas. Les types de base sont : les volcans composites, les volcans boucliers, les cônes de cendres et les dômes de lave. Volcans composites sont des cônes symétriques aux parois abruptes constitués de plusieurs couches de lave visqueuse et de cendres. La plupart des volcans composites ont un cratère au sommet qui contient l'évent central. Les laves s'écoulent de cassures dans la paroi du cratère ou de fissures sur les flancs du cône. Le mont Fuji au Japon et le mont Ranier à Washington sont des exemples de volcans composites.

Volcans boucliers sont construits presque entièrement de coulées de lave très fluides (faible viscosité). Ils se forment lentement à partir de nombreux écoulements qui s'étendent sur une large zone à partir d'un évent central. La structure résultante est un large cône en pente douce avec un profil semblable à un bouclier de guerrier. Le mont Kilauea à Hawaï est un exemple de volcan bouclier.

Cônes de cendres sont le type de volcan le plus simple. Ils se forment lorsque la lave soufflée violemment dans la zone se brise en petits fragments qui se solidifient et tombent sous forme de cendres. Une forme de cône aux parois abruptes se forme autour de l'évent, avec un cratère au sommet. Sunset Crater en Arizona est un cône de cendres qui s'est formé il y a moins de mille ans, perturbant la vie des habitants indigènes de la région.

Dômes de lave se forment lorsque de la lave très visqueuse est extrudée d'un évent et forme un dôme arrondi à parois abruptes. La lave s'accumule autour et sur l'évent au lieu de s'écouler, se développant principalement par expansion de l'intérieur. Les dômes de lave se produisent généralement dans les cratères ou sur les flancs des volcans composites.

TREMBLEMENTS DE TERRE

Un tremblement de terre se produit lorsque la tension accumulée dans une masse rocheuse provoque sa rupture soudaine. La région où se produit la rupture est appelée la se concentrer. C'est souvent profondément sous la surface de la croûte. Le point sur la surface directement au-dessus du foyer est appelé le épicentre. Des ondes destructrices se propagent vers l'extérieur à partir de la région du séisme, se déplaçant à travers la terre. La magnitude d'un séisme est une mesure de la quantité totale d'énergie libérée. La première étape pour déterminer la magnitude consiste à mesurer les ondes propagées à l'aide d'un appareil appelé sismographe. Sur la base de ces informations, le séisme reçoit une classification numérique sur un échelle de Richter. L'échelle est logarithmique, donc une différence d'une unité signifie une différence de dix fois l'intensité des vagues, ce qui correspond à une différence d'énergie de 32 fois. L'intensité d'un tremblement de terre est un indicateur de l'effet d'un tremblement de terre à un endroit particulier. L'effet dépend non seulement de la magnitude du séisme, mais aussi des types de matériaux souterrains et de la structure et de la conception des structures de surface.

Les tremblements de terre se produisent généralement le long des ruptures de la masse rocheuse connue sous le nom de défauts, et la plupart se produisent dans les régions proches des limites des plaques. Environ 80 pour cent de tous les séismes se produisent près des limites des plaques convergentes, déclenchés par l'interaction des plaques. Les tremblements de terre sont également souvent associés à l'activité volcanique en raison du mouvement du magma souterrain. Lorsqu'un tremblement de terre se produit sous l'océan, il peut déclencher un raz-de-marée destructeur connu sous le nom de tsunami.

LES ROCHES ET LE CYCLE DES ROCHES

La croûte terrestre est composée de plusieurs sortes de roches, chacune étant constituée d'un ou plusieurs minéraux. Les roches peuvent être classées en trois groupes de base : ignées, sédimentaires et métamorphiques. Roches ignées sont le type de roche le plus commun trouvé dans la croûte terrestre. Ils se forment lorsque le magma se refroidit et cristallise sous la surface (roches ignées intrusives) ou que la lave se refroidit et cristallise à la surface (roches ignées extrusives). Le granit est un exemple de roche ignée intrusive, tandis que le basalte est une roche ignée extrusive.

Roches sédimentaires sont formées par la consolidation des fragments altérés de roches préexistantes, par la précipitation de minéraux de la solution, ou par compactage des restes d'organismes vivants. Les processus impliquant des fragments de roche altérés comprennent l'érosion et le transport par le vent, l'eau ou la glace, suivis du dépôt sous forme de sédiments. Au fur et à mesure que les sédiments s'accumulent au fil du temps, ceux du fond sont compactés. Ils sont cimentés par des minéraux précipités de la solution et deviennent des roches.

Le processus de compactage et de cimentation est connu sous le nom de lithification. Certains types courants de roches sédimentaires sont le calcaire, le schiste et le grès. Le gypse représente une roche sédimentaire précipitée d'une solution. Les combustibles fossiles tels que le charbon et les schistes bitumineux sont des roches sédimentaires formées à partir de matière organique.

Roches métamorphiques se forment lorsque des roches solides ignées, sédimentaires ou métamorphiques changent en réponse à une température et une pression élevées et/ou à des fluides chimiquement actifs. Cette altération se produit généralement sous la surface. Il peut s'agir d'un changement de texture (recristallisation), d'un changement de minéralogie ou des deux. Le marbre est une forme métamorphosée du calcaire, tandis que l'ardoise se transforme en schiste. L'anthracite est une forme métamorphique du charbon.

Les cycle des roches illustre les connexions entre les processus internes et externes de la terre et comment les trois groupes de roches de base sont liés les uns aux autres. Les processus internes comprennent la fusion et le métamorphisme dus à une température et une pression élevées. Les courants convectifs dans le manteau maintiennent la croûte en mouvement constant (tectonique des plaques). Les roches enfouies sont amenées à la surface (soulèvement) et les roches de surface et les sédiments sont transportés vers la région du manteau supérieur (subduction).

Deux processus externes importants dans le cycle de la roche sont l'altération et l'érosion. L'altération est le processus par lequel les matériaux rocheux sont décomposés en morceaux plus petits et/ou modifiés chimiquement. Une fois que les matériaux rocheux sont décomposés en morceaux plus petits, ils peuvent être transportés ailleurs dans le cadre d'un processus appelé érosion. Le principal véhicule de l'érosion est l'eau en mouvement, mais le vent et les glaciers peuvent également éroder la roche.

FORMATION DU SOL

Le sol est l'une des ressources les plus précieuses et les plus délicates de la planète. Sa formation implique l'altération des matériaux parentaux (par exemple, les roches) et l'activité biologique. Le sol a quatre composants principaux : l'eau, la matière mère inorganique érodée, l'air et la matière organique (par exemple, les organismes vivants et en décomposition).

Formation du sol commence par des matériaux non consolidés qui sont les produits de érosion. Ces matériaux peuvent être transportés vers l'emplacement de la formation du sol par des processus tels que le vent ou l'eau, ou peuvent résulter de l'altération du substrat rocheux sous-jacent. Le processus d'altération implique la désintégration et la décomposition de la roche. Elle peut être physique (par exemple, l'infiltration d'eau dans les fissures de la roche puis le gel) ou chimique (par exemple, la dissolution de minéraux par les pluies acides). Les processus physiques sont plus fréquents dans les climats froids et secs, tandis que les processus chimiques sont plus fréquents dans les climats chauds ou humides.

Les matériaux du sol ont tendance à se déplacer verticalement dans l'environnement de la formation. Des matières organiques (par exemple, la litière de feuilles) et des sédiments peuvent être ajoutés, tandis que d'autres matières (par exemple, des minéraux) peuvent être perdues en raison de l'érosion et du lessivage. Les organismes vivants (par exemple, les bactéries, les champignons, les vers et les insectes) sont également incorporés dans le sol en développement.

La composante vivante du sol décompose d'autres matières organiques pour libérer leurs nutriments (par exemple, l'azote, le potassium et le phosphore). Les nutriments sont ensuite utilisés et recyclés par la croissance des plantes et d'autres organismes. Ce recyclage des nutriments aide à créer et à maintenir un sol viable.

Plusieurs facteurs influencent la formation du sol, notamment : le climat, le matériel parental, les organismes biologiques, la topographie et le temps. Le climat d'une région (précipitations et température) peut être le facteur le plus important dans la formation du sol. La température affecte les taux de réactions chimiques et les précipitations affectent le pH du sol et le lessivage. Le matériau parental ou le substratum rocheux varie d'une région à l'autre et peut affecter la texture et le pH des sols. Le type de végétation affecte la vitesse à laquelle les éléments nutritifs du sol sont recyclés, le type et la quantité de matière organique dans le sol, l'érosion du sol, ainsi que les types et le nombre de micro-organismes vivant dans le sol.

Les humains peuvent également avoir un effet profond sur les sols à travers des activités telles que le labour, l'irrigation et l'exploitation minière. La topographie d'une région affecte le ruissellement des précipitations, l'érosion et l'apport d'énergie solaire. La formation du sol est un processus continu. Les sols changent avec le temps à mesure que des facteurs tels que l'apport de matière organique et la teneur en minéraux changent. Le processus de fabrication d'un sol utilisable par l'homme peut prendre des dizaines de milliers d'années. Malheureusement, la destruction de ce sol peut se produire en quelques générations.


Écologie, évolution et biologie environnementale

Le département d'écologie, d'évolution et de biologie environnementale (E3B) de l'Université Columbia a été créé en 2001. Bien que nous soyons un département relativement nouveau, nous avons connu une croissance rapide au cours de la dernière décennie. Nous avons maintenant un corps étudiant diversifié au niveau international et un large réseau de supporters à Columbia et dans toute la ville de New York. Nos professeurs affiliés proviennent des départements de Columbia ainsi que du Musée américain d'histoire naturelle, du Jardin botanique de New York, de la Wildlife Conservation Society et de l'EcoHealth Alliance. Ensemble, nous offrons une ampleur et une profondeur inégalées d'opportunités de recherche à nos étudiants.

En créant E3B, l'Université Columbia a reconnu que les domaines de l'écologie, de la biologie évolutive et de la biologie environnementale constituent une subdivision distincte des sciences biologiques avec son propre ensemble de foyers intellectuels, de fondements théoriques, d'échelles d'analyse et de méthodologies.

La mission d'E3B est de former une nouvelle génération de scientifiques et de praticiens à la théorie et aux méthodes de l'écologie, de l'évolution et de la biologie environnementale. Nos programmes éducatifs mettent l'accent sur une perspective multidisciplinaire pour comprendre la vie sur Terre, du niveau des organismes aux processus mondiaux qui soutiennent l'humanité et toute vie.

Pour atteindre cette perspective multidisciplinaire, le département entretient des liens étroits avec plus de 70 membres du corps professoral au-delà de son noyau central. Ainsi, de nombreux membres du corps professoral qui enseignent, conseillent et forment les étudiants à la recherche sont basés dans d'autres départements du campus de Columbia ou dans les institutions partenaires. Grâce à cette collaboration, le département est en mesure de puiser dans un large éventail de ressources scientifiques et intellectuelles dans la grande région de New York. Le personnel académique couvre les domaines de la systématique végétale et animale, de la génétique évolutive et des populations, des sciences des écosystèmes, de la démographie et de la biologie des populations, de l'écologie comportementale et communautaire et des domaines connexes de l'épidémiologie, de l'ethnobiologie, de la santé publique et de la politique environnementale. Exploitant l'expertise de cette faculté diversifiée et des institutions dont elle fait partie, E3B couvre un vaste domaine d'enquête sur les relations évolutives, génétiques et écologiques entre tous les êtres vivants.


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