Эволюция атмосферы в истории Земли

“Эволюция атмосферы в истории земли”

СЛАЙД 1

Из всех планет Солнечной системы только Земля обладает уникальной атмосферой.

Такой оптимальный  для жизни состав земной атмосферы  постепенно возник благодаря длительным взаимодействиям процессов дегазации  Земли с геохимическими и биологическими преобразованиями вещества, приведшими к связыванию отдельных компонент атмосферы в осадочных породах и гидросфере нашей планеты и, наоборот, к высвобождению газа - эликсира жизни - кислорода.

И наше счастье, что согревающее нас Солнце является спокойной и небольшой звездой, а Земля расположена от него на таком расстоянии, что средняя температура земной поверхности в настоящее время не превышает + 15 °С. Если бы светимость Солнца была большей, в 3-4 раза, то Земля неизбежно "превратилась бы в Венеру" с плотной углекислотно-паровой атмосферой, а если меньшей, то замерзла, подобно Марсу. 

СЛАЙД 2

СЛАЙД 3

• Существует точка зрения, согласно которой первичная атмосфера Земли была захвачена гравитационным полем нашей планеты непосредственно из протопланетного облака еще в процессе аккреции планет (Mayashi et al., 1979). Предполагается, что в этом случае масса такой атмосферы могла достигать массы континентальной коры, а давление у земной поверхности - намного превышать 10⁴ бар (атм). При этом атмосфера становилась полностью непрозрачной и, следовательно, только за счет парникового эффекта и адиабатического сжатия газовой смеси температура у ее основания могла подниматься до десятков тысяч градусов! Однако никаких геологических следов существования у Земли столь экзотической атмосферы не обнаружено, а они должны были бы сохраниться в ее летописи. Кроме того, любые предположения о существовании у молодой Земли очень плотной атмосферы встречаются с непреодолимыми трудностями при объяснении механизмов ее перехода от столь экстремальных условий на поверхности к привычной нам комфортной для жизни ситуации.

СЛАЙД 4

• По значительно более реальным представлениям (Rubey, 1951; Полдервард, 1957; Виноградов, 1967, 1969; Шопф, 1982; Холленд, 1989; и др.), атмосфера Земли, как и ее гидросфера, образовалась благодаря дегазации мантии - процесса, происходящего и сейчас, но, возможно, развивавшегося наиболее интенсивно на ранних этапах существования Земли. Обычно принимается, что первичная атмосфера состояла из паров воды, углекислого газа и других газовых фракций (H₂S, CO, H₂, N₂, CH₄, NH₃, HF, HCl, Ar), т.е. была восстановительной. Развитие атмосферы с освобождением газообразного кислорода происходило в основном благодаря фотохимическим реакциям в верхних слоях атмосферы и фотосинтеза появившихся еще в раннем докембрии сине-зеленых водорослей.

Как уже отмечалось, происхождение атмосферы также  связывают с дегазацией земных недр, но в отличие от наиболее популярных моделей начало этого процесса нужно относить не к моменту формирования Земли, около 4,6 млрд лет назад, а к началу ее тектонической активности, приблизительно 4 млрд лет назад.  

СЛАЙД 5

Рассматривая  происхождение и эволюцию атмосферы  Земли, необходимо учитывать, что земное вещество (по сравнению с солнечным) было сильно обеднено летучими и подвижными элементами и соединениями. В противном случае современная атмосфера (и гидросфера) была бы значительно более мощной. Так, по оценкам Б. Мейсона (1971), относительное содержание водорода на Земле (по отношению к кремнию) меньше, чем в космосе в тысячи и сотни раз. Поэтому, несмотря на распространенность в космическом пространстве таких летучих соединений, как H2, He, N2, H2O, CO2, CH4, NH3 и др., в земном веществе их оказалось исключительно мало. По-видимому, такая первичная и значительная дифференциация земного вещества произошла еще на допланетной стадии развития Солнечной системы за счет интенсивного выметания летучих и легкоподвижных компонентов из внутренних частей протопланетного газопылевого облака на его периферию в область формирования планет-гигантов. 

Находящиеся же в Земле летучие соединения и  элементы (Н2О, СО2, N2, HCl, HF, HI и др.) могли попасть в нее только в связанном состоянии: вода с гидросиликатами, азот с нитридами и нитратами, углекислый газ с карбонатами, галогены с галоидами и т. д. Поэтому в процессе роста Земли такие компоненты оказывались погребенными в недрах, а те остатки реакционно-активных летучих соединений, которые освобождались при ударных взрывах падавших на Землю планетезималей, должны были усиленно сорбироваться ультраосновным реголитом на поверхности растущей планеты и тоже погребались под новыми слоями выпадавшего на Землю метеоритного вещества. 

Таким образом первичная атмосфера Земли действительно состояла из инертных и благородных газов.

Не должно было существовать тогда в атмосфере  и заметного количества ⁴⁰ Аг - продукта распада радиоактивного калия ⁴⁰К.

Определить парциальные  давления остальных компонентов  первичной атмосферы (N₂, О, СО₂ и СО) значительно сложнее, так как для этого необходимо знать сорбционную и реакционную способность газов на реголите ультраосновного состава, к тому же еще содержащего свободные металлы (Fe, Ni, Со, Cr и др.) 

СЛАЙД 6 АЗОТ

Азот относится  к умеренно активным элементам, слабо  вступающим в реакции с природными неорганическими соединениями. Поэтому существует большая вероятность того, что и в первичной атмосфере содержалось заметное количество этого газа. В этом случае значительная часть азота современной атмосферы является реликтовой, сохранившейся еще со времен формирования Земли около 4,6 млрд лет назад, хотя другая его часть могла дегазироваться из мантии уже на геологической стадии развития нашей планеты. Необходимо учитывать, что с появлением жизни на Земле около 4,0-3,8 млрд лет назад постоянно происходило связывание этого газа в органическом веществе и его захоронение в океанических осадках, а после выхода жизни на сушу (около 400 млн лет назад) - и в континентальных отложениях. Поэтому жизнедеятельность организмов за длительное время развития земной жизни могла существенно снизить парциальное давление азота в земной атмосфере, тем самым меняя климаты Земли.

СЛАЙД 7

Рассчитывая эффект поглощения азота, надо учитывать, что  органический азот океанических осадков  вместе с осадками через зоны скучиванья океанической коры в архее или через зоны поддвига плит в протерозое и фанерозое постоянно выводился из акваторий океанов. После этого он частично включался в гранит-метаморфические породы континентальной коры или уходил в мантию, но частично вновь дегазировался и снова поступал в атмосферу.

Помимо биогенного процесса связывания атмосферного азота, по-видимому, существует достаточно эффективный  абиогенный механизм этой же направленности. Так, по расчетам Я. Юнга и М. МакЕлроя (Yung, McElroy, 1979), фиксация азота в почвах может происходить во время гроз благодаря образованию при электрических разрядах во влажном воздухе азотной и азотистой кислот. 

Рассмотрим два  крайних случая. Сначала предположим, что дегазация азота из мантии не происходила вовсе, тогда можно определить начальное эффективное давление атмосферы Земли в катархее (т.е. на интервале 4,6-4,0 млрд лет). Оно оказывается приблизительно равным 1,23 бар (1,21 атм).

Во втором случае будем считать (Ушаков, 1991), что почти весь азот атмосферы был дегазирован из мантии за последние 4 млрд лет.

Для обоих вариантов  затем были рассчитаны кривые эволюции парциального давления азота в земной атмосфере. Реальной картине изменения  этого давления тогда должна была бы соответствовать некоторая промежуточная кривая, определить положение которой можно, только привлекая дополнительную информацию по климатам Земли, существовавшим в прошлые геологические эпохи.

Таким образом  в раннем протерозое атмосфера практически  состояла только из азота с небольшой добавкой аргона, тогда как парциальные давления кислорода и углекислого газа не превышали соответственно 10^-6 и 10^-2 атм. Принимая для той холодной эпохи T_s « 280 К « 7 °С, стало известно, что давление азотной атмосферы в это время приблизительно равнялось p_N = 1,09 атм, тогда как по гипотезе первичности азотной атмосферы в это время должно было бы быть p_N2« 1,19

Атм., а по гипотезе полностью дегазированного из мантии азота p_N2« 0,99 атм. Отсюда

видно, что азот современной атмосферы приблизительно на 54% состоит из реликтового газа и только на 46% дегазирован из мантии, а наиболее вероятная закономерность эволюции давления азота в земной атмосфере изображена на рис, кривая 2. 

СЛАЙД 8 УГЛЕКИСЛЫЙ ГАЗ

Чтобы понять, как  изменялось парциальное давление углекислого газа в истории земли необходимо знать скорость его дегазации из мантии земли.

СЛАЙД 9

 Пик скорости дегазации СО₂ приходится на время максимальной тектонической активности Земли, около 2,7 млрд. лет назад, тогда как с максимальной скоростью дегазация воды происходила около 2,5 млрд. лет назад, т.е. только после образования у Земли плотного ядра и перехода процесса дифференциации земного вещества от механизма зонной плавки к более спокойному бародиффузионному механизму дифференциации мантийного вещества. 

Если бы весь дегазированный СО2 сохранялся в атмосфере, то его парциальное давление сейчас достигало бы 90-100 атм, т.е. было бы таким  же, как и на Венере! 
К счастью для жизни на Земле, одновременно с поступлением СО₂ в атмосферу происходило его связывание в карбонатах. Но для протекания этой реакции необходима вода в жидкой фазе, так как только в этом случае гидратация силикатов сопровождается поглощением СО2 с образованием карбонатов:

• 2CaAl2Si2O8 + 4H2O + 2CO2 — Al4[Si4O10](OH)8 + 2CaCO3   
      анортит                                      каолин                  кальцит
• 4Mg2SiO4 + 4H2O + 2CO2 — Mg6[Si4O10](OH)8 +2MgCO3  
      оливин                                серпентин              магнезит

По этой причине  существенное влияние на эволюцию парциального давления углекислого газа в атмосфере оказала история развития океанов на Земле. 

СЛАЙД  10

Как видно из графика, в протерозое и фанерозое  почти весь дегазированный из мантии углекислый газ оказался связанным  в карбонатном или биогенном (в  форме С_орг) резервуарах, тогда как массу СО2, находящуюся в атмосфере и растворенную в гидросфере этих эпох, в масштабе приведенных на рисунке графиков показать не удается. Иная ситуация существовала в архее. Из-за малого количества воды в архейских океанах масса связанного СО2 в то время была существенно меньшей, чем масса дегазированного из мантии углекислого газа. Отсюда следует, что в архее заметная часть углекислого газа должна была находиться в атмосфере и быть растворенной в водах океана.

Помимо связанного в породах СО2 часть углекислого газа (в форме анионов НСО3^-) всегда оказывается растворенной в водах океана.

В позднем архее  около 2,7 млрд лет назад масса  растворенного в океане углекислого  газа,

судя по расчетам (разность кривых 1 и 3 на графике), достигала 10²³ г при массе воды в

океане того времени около 1,32-10²³г. Отсюда видно, что концентрация растворенного углекислого газа в океанических водах тогда достигала 40%! Это означает, что при средней температуре океанов около 55 °С (см. ниже), океанические воды в позднем архее были горячими и кислыми, а следовательно, весьма агрессивными растворителями многих веществ. 

Слайд 11

На рисунке  приведен рассчитанный Н.О. Сорохтиным (2001) график эволюции парциального давления углекислого газа в атмосфере  с учетом его частичного растворения в океанических водах. Подчеркнем, что условия для возникновения углекислотной атмосферы существовали только в архее. В протерозое и фанерозое подавляющая часть углекислого газа оказалась связанной в карбонатах и органическом веществе, а в атмосфере и гидросфере сохранилась лишь его малая часть, определяемая законом действующих масс реакций связывания С0₂ в горных породах и биосфере. 

СЛАЙД 12  Кислород

Количественно оценить эволюцию содержания кислорода  в земной атмосфере еще значительно сложнее, поскольку оно сильно зависело от таких трудно учитываемых факторов, как характер и уровень метаболизма древних фотосинтезирующих микроорганизмов, режимов поглощения О2 в окисножелезном и сульфатном резервуарах седиментосферы, условий застоя и стагнации или перемешивания вод древних океанов и т.д.

Поэтому общую  картину возможных колебаний  парциального давления кислорода в  земной атмосфере можно описать  только на качественном уровне.