1.3. Возникновение основных компонентов атмосферы

Основные компоненты современной атмосферы земли – это азот, кислород, углекислый газ, аргон. Проследим кратко историю их возникновения.

Можно с уверенностью утверждать, что кислород не выделялся в атмосферу из раскаленных недр планеты, так как нет его в составе газов, извергаемых современными вулканами.

Молекулы воды в первичной атмосфере под действием ультрафиолетового излучения Солнца должны были разлагаться на составляющие их атомы:

H₂O + hν → H₂ + 1/2O₂. (1.10)

Водород как легкий элемент улетучивался в космическое пространство, тогда как атомы кислорода соединялись с молекулами кислорода в озон:

O₂ + O• → O₃. (1.11)

Таким образом, возник защитный слой, препятствующий проникновению радиации. Только благодаря ему на Земле могла возникнуть жизнь.

Живые организмы, появившиеся в водах древнего океана, стали важнейшим фактором дальнейшей эволюции атмосферы. Примитивные организмы, возникшие в первичных океанах Земли, были анаэробными и, вероятнее всего, гетеротрофными; океаны в изобилии поставляли им пищу, и первым микроорганизмам оставалось лишь пожирать ее. Но с течением времени вследствие постоянного действия защитной озоновой оболочки мощные потоки солнечной энергии, необходимой для фотосинтеза, уже не могли достигнуть близких к поверхности океана нижних слоев земной атмосферы. Дальнейший синтез органических соединений стал невозможен. Только наиболее приспособленным организмам удалось развить в себе способность к фотосинтезу с использованием того света, что пробивался сквозь озоновый слой. В результате реакции фотосинтеза

mCO₂ + nH₂O + энергия → C_m(H₂O)_n + mO₂ (1.12)

свободный кислород продолжал выделяться в атмосферу. Так началось накопление кислорода.

В настоящее время получены данные о наличии свободного кислорода в докембрии. Присутствие высокоокисленных соединений железа в красных полосах железных руд докембрия свидетельствует о наличии свободного кислорода. Увеличение его содержания в течение всей истории биосферы определялось путем построения соответствующих моделей различной степени достоверности (А.П. Виноградов, Г. Холленд, Дж. Уолкер, М. Шидловский и др. [5]).

В качестве основы для расчетов прошлого состава атмосферы принимается распространенность захоронения органического углерода, как прошедшего фотосинтетический этап в круговороте, связанный с высвобождением кислорода. При убывании дегазации мантии в течение геологической истории, общая масса осадочных пород постепенно приближалась к современной. При этом 4/5 углерода захоронялось в карбонатных породах, а 1/5 приходилась на органический углерод осадочных толщ. Исходя из этих предпосылок, немецкий геохимик М. Шидловский [5] рассчитал рост содержания свободного кислорода в течение геологической истории Земли. При этом было установлено, что примерно 39% всего кислорода, выделившегося при фотосинтезе, оказалось связанным в оксид железа (III) (Fe₂O₃), 56% сосредоточилось в сульфатах (SO₄^2–) и 5% осталось в свободном состоянии в атмосфере Земли.

В раннем докембрии практически весь освобожденный кислород быстро поглощался земной корой при окислении, а также вулканическими сернистыми газами первичной атмосферы. Вероятно, что процессы образования полосчатых железистых кварцитов (джеснелитов) в раннем и среднем докембрии привели к поглощению значительной части свободного кислорода от фотосинтеза древней биосферы. Двухвалентное железо в докембрийских морях явилось главным поглотителем кислорода, когда фотосинтезирующие морские организмы поставляли свободный молекулярный кислород непосредственно в водную среду. После того, как докембрийские океаны очистились от растворенного железа, свободный кислород стал накапливаться в гидросфере и затем в атмосфере.

Новый этап в истории биосферы характеризовался тем, что в атмосфере 2000…1800 млн. лет назад отмечалось увеличение количества свободного кислорода. Поэтому окисление железа переместилось на поверхность древних континентов в область коры выветривания, что и привело к формированию мощных древних красноцветных толщ. Поступление двухвалентного железа в океан уменьшилось, и соответственно снизилось поглощение свободного кислорода морской средой. Все большее количество свободного кислорода стало поступать в атмосферу, где устанавливалось его постоянное содержание. В общем балансе атмосферного кислорода возросла роль биохимических процессов живого вещества биосферы. Современный этап в истории кислорода атмосферы Земли наступил с появлением растительного покрова на континентах. Это привело к значительному увеличению его содержания по сравнению с древней атмосферой нашей планеты.

Азот давно обнаружен в газах вулканического происхождения и в изверженных горных породах. При нагревании этих пород, а также метеоритов, азот освобождается в форме молекул и в виде аммиака. В вулканических газах, особенно последних стадий извержения, обнаружен хлорид аммония (NH₄CI). Поэтому можно думать, что в первичной мантии аммиак образовался из азота и водорода в результате реакций при нагреве в восстановительных условиях. Однако значительных накоплений аммиака в первичной атмосфере Земли ожидать трудно. В верхних слоях атмосферы под влиянием кислорода, освобождающегося при фотодиссоциации паров воды и других соединений, аммиак окисляется до молекулярного азота:

N₂ +3H₂ 2NH₃, (1.13)

H₂O H₂ + 1/2O₂, (1.14)

4NH₃ + 3O₂ → 2N₂ + 6H₂O. (1.15)

Большая часть атмосферного углерода как в прошлом, так и в настоящем, находилась в виде углекислого газа и значительно меньшая часть – в форме метана. В вулканических газах углерод также встречается преимущественно в форме углекислого газа и меньше – в форме угарного газа и метана. При дегазации мантии эти газы выделялись на поверхность планеты в большом количестве. Однако концентрация метана была, вероятно, относительно невысокой и не превышала его пропорцию в вулканических газах. Со времени действия процесса фотосинтеза углекислота быстро потреблялась растениями, а также химически связывалась в карбонатных осадках. Угарный газ и метан окислялись до углекислого газа:

2CO + O₂ → 2CO₂, (1.16)

CO + 3H₂ CH₄ + H₂O, (1.17)

2CO CO₂ + C_{(графит)}, (1.18)

CH₄ + O₂ → CO₂ + 2H₂. (1.20)

Вся деятельность фотосинтезирующих организмов стала направленной на интенсивное извлечение углекислого газа из атмосферы.

Геохимическая история углерода в биосфере начинается с его поступления в виде углекислого газа и угарного газа из глубинных горизонтов мантии в результате ее дегазации, выражаемой вулканическими процессами.

Поступившая из глубинных источников углекислота распределялась в биосфере, образуя в гидросфере сложную карбонатную систему. По мере выщелачивания ионов Са²⁺ и Mg²⁺ из первичной земной коры и поступления их в океан, углекислота отлагалась в виде карбонатных пород – известняков, доломитов:

Ca²⁺ + H₂CO₃ → CaCO₃ + 2H⁺, (1.21)

Mg²⁺ + H₂CO₃ → MgCO₃ + 2H⁺. (1.22)

Причем более древние известняки отличались повышенным содержанием магния. Другая часть углекислоты использовалась фотосинтезом с образованием органических веществ, испытывая в дальнейшем различные превращения, включая образование в захороненном состоянии рассеянной органики, затем углей разного типа, горючих сланцев и нефти.

Большая часть аргона земной атмосферы – радиоактивного происхождения. Это, в частности, подтверждается тем, что аргон земной атмосферы на 99,6% состоит из изотопа ⁴⁰Ar, в то время как для обычного космического аргона характерно преобладание ³⁶Ar. Радиогенный аргон возникал в течение веков в мантии за счет распада ⁴⁰К путем электронного захвата и выделялся в атмосферу при общей дегазации планеты:

⁴⁰K + e → ⁴⁰Ar. (1.23)

Нет основания полагать, что эволюция атмосферы завершена. Наоборот, научно-техническая революция второй половины XX века, характеризующаяся необычайно высокими темпами роста общественного производства, привела к быстрым изменениям многих жизненно важных параметров окружающей среды, причем в неблагоприятном для человечества направлении. К факторам, особенно значимым для эволюции химического состава атмосферы, следует отнести, в первую очередь, общее увеличение масштабов использования природных ресурсов, а также появление новых соединений, вторгающихся в хорошо сбалансированные естественные механизмы самоочищения атмосферы и, возможно, отчасти нарушающих эти механизмы.