Эволюция природных геосфер на примере атмосферы Земли
Происхождение первичной атмосферы; связано с процессом дегазации лав. В продуктах извержения вулканов содержится, кроме водяного пара, еще около 1% других газов (по массе). Если вся Земная кора образовалась за счет мантийного вещества, то за все время существования Земли это бы дало около 2,5×1023 г газов. Данная величина примерно в 50 раз больше массы современной атмосферы. Таким образом, массы выделившихся газов с избытком хватило бы для образования современной атмосферы. Избыток газов поглотился веществом земной коры, растворился в водах океана либо ушел в космическое пространство.
На поверхность Земли при дегазации лав поступали пары воды, соединения углерода (СO2 (углекислый газ), СО (угарный газ). СН4 (метан)), аммиак, сера и ее соединения (Н2S и SO2), галоидные кислоты (НCl, HF, НBr, HI), борная кислота, водород, аргон и некоторые другие газы.
Первоначально атмосфера была чрезвычайно тонкой, и поэтому ее температура у поверхности Земли была близка к температуре лучистого равновесия. При современном альбедо поверхности Земли (равном 0,28) эта температура в среднем составляет -15°С, но если принять, что поверхность Земли в катархее напоминала по своим отражательным свойствам лунную поверхность (альбедо которой 0,07), то средняя температура поверхности (при современном уровне интенсивности солнечного излучения и излучающей способности базальта 0,93) оказывается равной +5° С. Кроме того, имевшийся в первичной атмосфере аммиак мог создавать в ней некоторый тепличный эффект, повышающий ее температуру. В таких термических условиях большая часть водяного пара вулканических газов конденсировалась и шла на формирование первичной гидросферы, вымывая при этом из атмосферы легкорастворимые и активные газы (НCl, НF, НBr, NH3, S и ее соединения и другие газы). В результате этого процесса в первичной атмосфере оставались лишь небольшие количества плохо растворимых СН4, СО, N2, СO2, очень мало сероводорода, аммиака, кислых дымов и инертных газов, основную же долю первичной атмосферы составлял, по-видимому, водяной пар. Температурные условия на ранних стадиях формирования атмосфера, вероятно, не испытывали существенных изменений и оставались в среднем в пределах существования жидкой воды.
|
|
|
Изменение объема атмосферы установить значительно труднее, чем сделать подобные расчеты для гидросферы. Если считать, что из мантии газы выделялись со скоростью, пропорциональной скорости выделения воды, то мы можем сделать заключение, что наиболее интенсивное их выделение происходило в протерозое (1-2,5 млрд. лет назад), когда тектонико-магматическая активность Земли достигла максимума, и далее отмечался относительно медленный рост массы атмосферы.
|
|
|
Очень трудно оценить скорость удаления из атмосферы избыточных масс газов. Хорошо растворимые газы сразу же вымывались. Среди относительно слабо растворимых основную долю составлял углекислый газ. Возможно, что немалая часть углекислого газа, выделявшегося из мантии, попадала непосредственно в океан, минуя атмосферу, и поглощалась в процессе гидратации океанической корой. Эта часть при прочих равных условиях зависит от площади океанической поверхности. Количество углекислого газа, попадающего непосредственно в атмосферу, также зависит от площади поверхности океана, так как большая его часть растворяется в водах океана. Следовательно, больше всего углекислого газа поступало в атмосферу в начальный период истории Земли, а когда площадь МО стала равной примерно 40% площади поверхности планеты, и его уровень достиг срединно-океанических хребтов, поступление углекислого газа в атмосферу заметно сократилось. На количество углекислого газа также оказывало влияние его биологическое связывание.
История атмосферы - это, в значительной степени, история ее основных составных частей (азота и кислорода) и важных для формирования климатов термодинамически активных примесей (углекислого газа и водяного пара).
|
|
|
Главной составляющей современного атмосферного воздуха является азот (78% объема). Однако, во многих случаях в выделяющихся из мантии вулканических газах совсем нет азота. Вместо него в заметных количествах присутствует аммиак. Этот факт позволяет предположить, что наблюдаемый в вулканических газах свободный азот, в основном, является продуктом окисления аммиака свободным кислородом атмосферы, и что азот попадал в первичную атмосферу именно в виде аммиака. Аммиак очень хорошо растворяется в воде: при нормальных условиях в 1 объеме воды растворяется около 700 объемов аммиака, поэтому почти весь выделявшийся с вулканическими газами аммиак растворялся в конденсирующихся капельках воды и вымывался из атмосферы. Некоторое количество оставшегося аммиака распадалось под действием ультрафиолетового излучения Солнца, свободно проходившего через тонкую первичную атмосферу. Важные изменения эволюции от азотсодержащих газов вулканических извержений до свободного азота атмосферы произошли вследствие возникновения на Земле жизни. Эти изменения заключались, главным образом, в окислении аммиака, а также в изъятии некоторой части азота при синтезе живого вещества и захоронении органических остатков.
|
|
|
Наиболее сложна история атмосферного кислорода. Считается установленным фактом, что первичная атмосфера Земли была практически бескислородной. Свидетельством восстановительного характера первичной атмосферы, например, является высокое значение отношения закисного железа к окисному (FеО/Fе2O3) в древних изверженных (и впоследствии метаморфизованных) породах, а также в осадочных породах, особенно в глинах. Кроме того, относительно малые объемы древних осадочных пород по сравнению с более поздними могут считаться свидетельствами преобладания физического, а не химического выветривания, и, следовательно, недостатка кислорода.
В первичной атмосфере мог образовываться свободный кислород. Поскольку жесткое солнечное излучение свободно достигало поверхности Земли, небольшое количество молекул водяного пара могло диссоциировать с образованием водорода и кислорода. Однако, большой концентрации кислорода в первичной атмосфере таким путем образоваться не могло. Будучи легче водяного пара, кислород проникал в более высокие слои и, поглощая жесткое излучение Солнца, формировал экран, защищающий водяной пар от дальнейшей диссоциации, при равновесии между диссоциацией водяного пара и поглощением жесткого излучения кислородом количество последнего не могло превышать 0,001 его современного значения. Вероятно, это количество было намного меньше, поскольку образующийся кислород сразу же затрачивался на окисление атмосферных газов СН4, СО, NH3 и Н2S.
Первые количества кислорода, получившиеся в результате органического фотосинтеза, датируются началом архея, с этого времени он затрачивался на окисление атмосферных газов и горных пород (наиболее древние достоверные остатки жизнедеятельности организмов имеют возраст 3,1-3,4 млрд. лет). В том числе аммиак окислялся до молекулярного азота. Метан и угарный газ окислялись до углекислого газа, причем большая часть углекислоты переходила в океан, превращая его из хлоридного в хлоридно-карбонатный. Сера и сероводород окислялись до SO2 и SO, в океане начал накапливаться сульфат-ион SO4, и морская вода становилась хлоридно-карбонатно-сульфатной.
Переход к окислительным условиям в атмосфере происходил, по-видимому, в нижнем протерозое. Появление заметного количества свободного кислорода в атмосфере датируется примерно 2,2 млрд. лет назад. О том, что в среднем протерозое и, особенно, в рифее продукция свободного кислорода простейшими водорослями нарастала, свидетельствует тот факт, что в породах этих эр все чаще встречаются остатки жизнедеятельности водорослей - биогенные известняки.
По расчетам, содержание свободного кислорода в атмосфере достигло точки Юри (0,001 от современной концентрации кислорода) около 1,2 млрд. лет, т.е. в среднем рифее. В газовых включениях среднерифейских кремнистых отложений Восточной Сибири отношения азота к кислороду уже близки к современным их значениям в атмосфере.
В венде была достигнута так называемая точка Пастера, т.е. содержание кислорода повысилось до 0,01 от современного. Точка Пастера является очень важным уровнем содержания кислорода для биологической эволюции, т.к. на этом уровне часть микроорганизмов переходит к окислению при дыхании, освобождая для жизнедеятельности энергию в 30-50 раз превышающую таковую для анаэробного брожения. Считается, что это совпало с увеличением эффективности озонового экрана. Совокупность этих событий привела в начале фанерозоя к так называемому биологическому взрыву - массовому распространению практически всех типов животных кроме хордовых.
На границе силура и девона (около 400 млн. лет назад) содержание кислорода в атмосфере достигло 10% от современного, что обеспечило появление достаточно эффективного озонового экрана. Жесткое излучение Солнца уже не достигало поверхности, и это время является временем распространения организмов по суше. После этого современный уровень кислорода был достигнут достаточно быстро - всего за несколько десятков миллионов лет. Уровень современного содержания кислорода в атмосфере к карбону мог быть даже превзойден, что связывают с расцветом растительности в карбоне. Это, в свою очередь, должно было вызвать уменьшение содержания в атмосфере углекислого газа, а, следовательно, привести к гибели растительности карбона, так что в перми содержание кислорода должно было вновь опуститься ниже современного. С этого времени происходят затухающие колебания содержания кислорода около современного уровня.
В литературе существуют и другие мнения относительно продолжительности этапов эволюции кислорода атмосферы, особенно в ранние эпохи истории Земли. Так, точка Юри возможно была достигнута уже вскоре после формирования Земли, а не в среднем рифее. Появление фотосинтеза растений приходится на границу между катархеем и археем, а не на конец архея – начало нижнего протерозоя. Содержание кислорода достигло точки Пастера в середине архея, а не в венде. А 10%-ного уровня оно достигло в верхнем рифее, а не в конце силура. По-видимому, действительная эволюция кислорода соответствует промежуточному положению между этими гипотезами.
Среди основных термодинамически активных примесей прежде всего тех, которые создают парниковый эффект в атмосфере, выделяются углекислый газ и водяной пар. Углекислый газ поступает в атмосферу в результате вулканических выбросов (на его долю приходится порядка 40-50% веса сухих вулканических газов). Удаление углекислого газа из атмосферы происходит в основном при образовании карбонатов как химическим путем (серпентинизация оливинов и каолинизация анортитов), так и биологическим путем (образование карбонатных оболочек и скелетов организмов), некоторая часть углекислого газа расходуется при синтезе органического вещества растениями.
В настоящее время в атмосфере находится 0,04% веса (0,03% объема). Его роль исключительно высока в создании парникового эффекта, а, следовательно, и в формировании температур воздуха нижнего слоя атмосферы.
Если рассматривать в качестве индикатора содержания в атмосфере углекислого газа карбонатные осадки, то можно сделать заключение, что количество СO2 в атмосфере катархея и архея было невелико. Поскольку карбонатных пород катархея обнаружено немного, а архея еще меньше. В нижнем протерозое содержание кислорода увеличилось, увеличилось и содержание СО2. Откладывались мощные толщи карбонатных осадочных пород. В венде содержание СО2 и в атмосфере, и в океане, по-видимому, уменьшилось вследствие потребления при фотосинтезе, результатом такого понижения явилось увеличение рН морской воды. Позже (примерно 360-280 млн. лет назад) развитие фотосинтезирующей растительности на суше привело к новому уменьшению содержания СО2 в атмосфере и океане, и значение рН выросло до современного уровня (7,5-8,5). В меловом периоде (примерно 130-70 млн. лет назад) произошло новое увеличение количества СО2.
Дата добавления: 2018-10-26; просмотров: 482; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!