Происхождение и постоянный состав земной атмосферы
Атмосфера Земли- это газообразная оболочка нашей планеты. Ее масса составляет около 5270000 млрд. тон (т.е. около 1/ 1000000 массы Земли). Она состоит в основном из 78.08% азота, 20.95% кислорода, 0.93% аргона и 0.03% углекислого газа. В небольших количествах содержатся также водород, неон, гелий, озон, криптон, ксенон, метан, радон, иод и др. газы. Также в атмосфере содержится значительное количество водяного пара , пыли, коллоидных частиц, а над океанами и морями- ионов натрия и других веществ, испаряющихся с их поверхности.
Экологическая роль атмосферы состоит в следующем:
- «подушка безопасности» предохраняющая земную поверхность от непрерывной бомбардировки весьма быстрыми, мелкими метеоритами и частицами космической пыли;
- экран, защищающий земную поверхность от воздействия опасных коротковолновых составляющих солнечной радиации;
- «стабилизатор» и «регулятор» температурного режима;
- через атмосферу замыкаются круговороты веществ в природе, в том числе загрязняющие вещества, выделяющиеся в нее с одних участков земной поверхности могут поступать на другие ее участки;
- среда обитания наземных организмов и источник кислорода для дыхания аэробов;
- формирует погоду и поток суммарной солнечной радиации, поступающий в экосистему.
Современная атмосфера нашей планеты сформировалась в результате взаимодействия с другими физико-географическими оболочками нашей планеты. Наибольшее влияние на изменения ее состава оказало взаимодействие с биосферой, происходившее на всех этапах ее эволюции.
Первичная атмосфера нашей планеты сформировалась в результате частичной дегазации вещества, образовавшего ее путем гравитационной аккреции газопылевого облака, захваченного Солнцем, более 4 миллиардов лет тому назад. В состав вещества этого газопылевого облака, входили наряду с прочими компонентами также замерзшие газы – диоксид углерода, водяной пар, а также аммиак, которые и ныне входят в состав газовых оболочек комет.
Причиной дегазации первичного вещества планеты был разогрев ее поверхности, происходивший в результате ее многочисленных столкновений с крупными и мелкими небесными телами, образовавшимися из того же облака. При подобном разогреве средняя температура поверхности планеты повысилась до сотен градусов, что вызвало переход многих веществ в газообразное состояние. Поскольку среди них были вода и углекислый газ, весьма сильным был и парниковый эффект. Условия на земной поверхности были близкими к существующим ныне на Венере, где биосфера так и не сформировалась. Там средняя температура поверхности ныне составляет +450оС, что напоминает даже не сауну, а ад.
Именно выделившиеся с дегазируемой поверхности Земли диоксид углерода, водяной пар, а также аммиак и образовали ее первичную атмосферу.
Взаимодействие углекислого газа с водой приводило к образованию угольной кислоты, при реакции которой с кальцием, а позже (когда температуры стали ниже +320оС) и с магнием формировались их карбонаты – нерастворимые в воде соли, слагающие ныне земную кору. При этом концентрация углекислого газа в атмосфере уменьшалась, ослабевал и парниковый эффект. Это со временем привело к понижению температур на земной поверхности до уровней, при которых вода могла существовать в жидком состоянии. При этом все большая часть воды начала накапливаться на поверхности планеты, формируя ее гидросферу, в которой в дальнейшем смогла возникнуть живая материя. Далее развитие атмосферы и гидросферы происходило взаимосвязано.
В истории образования и эволюции атмосферы и гидросферы можно выделить 4 этапа
Архей (4-2 млрд. лет тому назад).
Данный этап отмечен очень частым падением на Землю крупных комет, приносивших с собой много воды. Вызванные их ударами процессы кратонизации и вулканизма носили повсеместный и мощный характер, температуры на земной поверхности не позволяли прибывшей воде длительное время задерживаться на планете. В этот период были широко распространены процессы излияния магмы и гидратации пород земной коры, которые резко снижали время существования в литосфере свободной воды. Атмосфера содержала основную часть присутствующей на нашей планете воды и была бескислородной. Не было и озонового слоя.
Примерно 4 -3.8 млрд. лет назад приземные температуры в результате ослабления парникового эффекта снижаются, и впервые возникают благоприятные условия для накопления воды на земной поверхности.
Имеющиеся данные свидетельствуют, что жидкой воды на планете сначала было немного. Была она пресной и главным образом скапливалась в сравнительно узких ( ~ 10 км) и протяженных бассейнах, которые обрамляли соседние кратоны и служили местом сноса осадков. Глубина водоемов могла достигать 1.5 - 2.0 км. Значительная часть жидкой воды в архее включалась в состав магматических расплавов и участвовала в вулканических процессах.
Протерозой (2-0.75 млрд. лет тому назад).
Об эволюции гидросферы и атмосферы в протерозое можно высказаться с большей определенностью.
В этот период режимы гидросферы неоднократно менялся. Эпохи заполнения водных бассейнов и расцвета в них жизни сменялись длительными периодами высыхания водоемов и угнетения живых существ. Поэтому принято считать, что для развития гидросферы в протерозое характерны два основных режима: «водный» и «безводный».
Для первого режима было свойственно присутствие на поверхности достаточно больших количеств воды. Данный режим инициировался массовыми падениями на Землю крупных астероидов. Вследствие чего часть связанной до того в породах воды переходила в подвижное состояние и поступала в океан. Одновременно, из-за формирования облачного слоя, экранировавшего лучи Солнца, приземные температуры настолько снижались, и могли даже возникать покровные оледенения. Судя по бурному расцвету в то время на Земле биоты, эти условия были для нее достаточно комфортными.
Второй режим функционирования гидросферы, наоборот, отличали высокие температуры и почти полное высыхание водоемов. Судить об этом режиме позволяют данные, касающиеся условий формирования месторождений железистых кварцитов (джеспилитов).
Крупные месторождения джеспилитов формировались в мелководных бассейнах за счет сноса в них продуктов выветривания пород суши и перехода большого количества железа и кремнезема в коллоидном виде в раствор. В период интенсивной коагуляции температура вод составляла ~ 100 ° С . Воды, образующие гидросферу и в протерозое были пресными, парциальное давление кислорода в них низкое < 0.2 атм. Величина рН воды не превышала 6 .
Атмосфера в протерозое постепенно приобрела кислород и азот, лишилась основной части углекислого газа и воды, став результате этого менее плотной и более холодной. Небо на планете впервые стало голубым.
Палеозой и мезозой (0.75-0.04 млрд. лет тому назад).
Это геологические эпохи, образующие начало фанерозоя, изучены лучше, чем протерозой.
К началу фанерозоя литосфера планеты остывает настолько, что большая часть воды постоянно остается на земной поверхности. Развитие Мирового океана становится стабильным (водоемы перестают пересыхать). На эволюцию гидросферы продолжает влиять кометная бомбардировка земной поверхности, доставляющая много воды. Тем не менее, она существенно «стихает».
Интенсивность кометных бомбардировок в различные периоды фанерозоя сильно изменялась. В частности, на границах ордовика и триаса на нашу планету падало значительно большее число комет, чем в другие эпохи. Поступавшая с кометами вода вызывала сильный размыв пород земной поверхности. Однако накапливалась она не в Мировом океане, а преимущественно в подземной гидросфере, где входила в состав магматических расплавов. С данным обстоятельством, вероятно, можно связать высокую тектономагматическую активность Земли в ордовике и триасе, а также малое количество биогенного углерода, сохранившегося в осадочных породах того времени .
Последующее перераспределение воды между подземной гидросферой и Мировым океаном в ордовике происходило, по-видимому, быстрее, чем в триасе. В последнем случае оно заняло десятки миллионов лет, вызвав сильнейшую трансгрессию (подъем уровня Мирового океана) в юрском и меловом периодах.
По некоторым оценкам уровень вод Мирового океана тогда повысился вдвое. Столь большая прибавка воды и продолжительность ее поступления в океан, указывают на выделение этой воды при дегидратации пород земной коры.
Взаимодействие атмосферы и гидросферы проявлялось не только в перераспределении веществ, ранее содержавшихся в атмосфере. В гидросфере зародилась жизнь, которая начала все ощутимее влиять на этот процесс.
В процессе эволюции живая материя изменяла среду своего обитания, делая ее более комфортной для себя, а также загрязняя отходами своей жизнедеятельности. Одним из таких загрязняющих веществ являлся кислород, возникающий в процессе жизнедеятельности древнейших микроорганизмов, получавших необходимую для жизни энергию, превращая входящее в состав окислов, трехвалентное железо в двухвалентное. При этом содержание кислорода в гидросфере все более возрастало. Из гидросферы кислород поступал в атмосферу.
Аналогичным путем из атмосферы древнейшие денитрифицирующие микроорганизмы изымали аммиак, преобразовывая его в молекулярный азот, являющийся основой современной атмосферы.
Аргон, также являющийся одним из компонентов постоянного состава земной атмосферы, образовался как продукт радиоактивного распада радионуклида K40. Этот изотоп калия весьма распространен в природе, но имеет период полураспада 1.5 млрд. лет. Соединения К преимущественно растворимы в воде. Поэтому поверхностный сток постепенно собрал основную часть существовавших на нашей планете атомов К в Мировом океане. Именно в нем при этом сосредоточились и атомы K40. При их радиоактивном распаде формировался аргон, который из вод Мирового океана и выделялся в атмосферу.
В результате этого в палеозое и мезозое содержания кислорода, азота, аргона, а также водяного пара и диоксида углерода в атмосфере достигли современных уровней. Атмосфера приобрела современную структуру. В ней образовался стабильный озоновый слой, что позволило жизни освоить материки планеты.
Кайнозой. В отличие от более ранних эпох, режим круговорота вод гидросферы в кайнозое приобрел достаточно стабильный характер. Уровень океана возрастал, главным образом, не за счет поступления новой кометной воды, а вследствие процессов дегидратации, вызванных нагревом пород литосферы под действием падений комет. Данный вывод, в частности, подтверждается современной скоростью дегидратации пород земной коры, хорошо согласующейся с происходящим ныне увеличением глубины Мирового океана.
Современными стали характеристики круговоротов и многих других важнейших веществ. Климат на планете в кайнозое становился все более и более холодным, пока 2 миллиона лет назад не начались периодические всемирные оледенения. Именно в это время – в позднем плиоцене (плейстоцене) глобальная атмосферная циркуляция на планете приобрела современную структуру, а также появился человек.