Информация практикума. 9.3.1 Формирование атмосферы и ее развитие в докембрии

1. Каталог биосферы / Пер. с англ. – М.: Мысль, 1991.

2. Войлошников В.Д. Геология. – с. 92-95.

9.3.1 Формирование атмосферы и ее развитие в докембрии. Ввиду того, что водород и гелий – наиболее распространенные элементы в космосе, они несомненно, входили и в состав протопланетного газо-пылевого облака, из которого возникла Земля. Очевидно, водород и гелий составляли основную часть самой первой атмосферы, окружающей Землю на этапе ее образования. Затем, если исходить из представлений о первично холодной Земле, произошло разогревание Земли, что привело, во-первых, к постепенной диссипации (рассеиванию) водорода и гелия, во-вторых, к дегазации мантии Земли. В результате Земля потеряла водородно-гелиевую атмосферу и создала собственную первичную атмосферу из газов, выделившихся из ее недр.

Первичная атмосфера Земли, по представлениям большинства исследователей, вначале состояла из парогазовых и газообразных продуктов, выделяемых при вулканических извержениях. В ее состав входили пары воды, метан, углекислота, аммиак, азот, водород с примесью инертных газов и «кислые дымы» вулканов (пары кислот фтористой, соляной, борной, серной и др.). Полагают, что в конце Лунной эры Земли температура парогазовой оболочки достигала около + 150⁰С, давление в приземном слое – около 5-8 атм. Земля, наподобие современной Венеры, была окутана мощным и плотным облачным покровом, на ее поверхности царил мрак. Затем происходит разделение первичной парогазовой атмосферы на атмосферу и гидросферу.

Атмосфера и гидросфера постоянно пополнялись газами в процессе дегазации вещества земных недр, причем этот процесс наиболее активно протекал в архее. В раннем архее для атмосферы было характерно преобладание углекислого газа, большое количество аммиака, метана, паров соляной, фтористой и серной кислот. В малых количествах здесь содержался свободный азот. Кислород медленно накапливался в верхних слоях первичной атмосферы за счет фотолиза (расщепления молекул воды под действием ультрафиолетовой радиации Солнца) и разложения воды при высокой температуре. Освобождавшийся при этом водород вместе с гелием, преодолевая земное притяжение, рассеивался в космосе. Но некоторая часть водорода сохранила еще определенную связь с Землей (известен водородный «хвост» Земли, направленный в теневую сторону от Солнца).

Не все газы, поступавшие из мантии в процессе ее дегазации, входили в состав атмосферы. Многие химически активные газы «застревали» в коре, вступая в различные соединения. Таким газом, например, был кислород. Только часть его накапливалась в верхних слоях атмосферы, большое количество расходовалось на окисление. Температура поверхности Земли в раннем архее была уже ниже +100⁰С, а атмосферное давление упало до 2-3 атм., облачный покров стал реже, солнечная радиация, хотя и в малой степени, уже достигала поверхности Земли.

Во вторую половину архея и в раннем протерозое кислород уже присутствовал в заметных количествах в воде океанов и атмосфере, во много раз увеличилось содержание азота, зато в 1,5 раза уменьшилось содержание углекислого газа. Но кислорода было еще недостаточно, чтобы окислить восстановленные компоненты. Последние (в основном аммиак) составляли еще почти 1/3 газовой оболочки. Очевидно, атмосфера и гидросфера на этом этапе были все еще восстановительными.

Следующий этап развития атмосферы начался где-то около 2 млрд. лет назад (начало среднего протерозоя) и характеризовался отсутствием аммиака и сопутствующих ему восстановительных компонентов, преобладанием свободного азота (немногим уступающего современному количеству азота в водах океана), большим содержанием кислорода (почти 12%), в 1,5 раза меньшим, чем в архее, содержанием углекислого газа, который перестал быть к этому времени преобладающим среди газов. По компонентам атмосфера напоминает современную, но в ней еще в 10 раз больше углекислого газа и втрое меньше кислорода, чем в современной. Примерно на этом уровне (с небольшими отклонениями в сторону постепенного уменьшения углекислого газа и увеличения кислорода) атмосфера сохраняется до раннего девона, когда происходит резкое (в 4 раза) сокращение углекислого газа и увеличение в 1,5 раза кислорода и азота, что, очевидно, было вызвано бурным расцветом наземной растительности.

Охлаждение поверхности Земли, увеличение площади суши, контрастности рельефа – все это способствовало более отчетливому воздействию солнечной радиации и, возможно, возникновению на Земле первой климатической зональности. Данные о существовании гумидных и аридных зон не сохранились, но известны следы древних околополярных материковых оледенений. Следы самых древних оледенений на Земле обнаружены среди верхнеархейских пород, имеющих возраст около 3 млрд. лет, в Западном Прибайкалье и на юге-западе Австралии.

В раннем протерозое встречены две ледниковые толщи: первая с возрастом 2500-2300 млн. лет в Канаде (область Великих озер), Южной Африке (Витватерсранд), Индии. Вторая (с возрастом 2200-2000 млн. лет) – в бывшем СССР (Карелия, Прибайкалье, Казахстан), Канаде, Южной Африке.

В позднем протерозое выделяют два оледенения: 1) позднерифейское (900-700 млн. лет), которое проявилось в Южной и Экваториальной Африке (конголезский и заирский гляциогоризонты) и Автстралии; 2) ранневендское (670-650 млн. лет), следы которого известны почти на всех материках и на разных широтах, в частности на севере европейской части СССР, на Скандинавском полуострове (лапландский гляциогоризонт), в Южной и Экваториальной Африке, в Австралии, Южном и Центральном Китае.

С докембрием связаны и древнейшие коры выветривания. Они отчетливо прослеживаются на границе архея и протерозоя (на Украинском и Балтийском щитах представлены серицитовыми сланцами, образовавшимися за счет каолинитовых пород) и внутри протерозоя на кристаллических породах нижнего протерозоя и на сариолийских конгломератах, а также на основных породах среднего ятулия. С корами выветривания, развитыми на складчатом основании Восточно-Европейской платформы, связаны месторождения верхних горизонтов железных руд КМА, Кривого рога, бокситы, обнаруженные недавно в районе КМА

9.3.2 Атмосфера

Майкл Б. Макэлрой

Наши эксперименты… убедили нас в том, что состав земной атмосферы представляет собой столь удивительную смесь, казалось бы, несовместимого, что она никак не могла бы образоваться или сохраниться за счет случайности. Почти все в ней, казалось бы, нарушало правила равновесной химии, и тем не менее посреди очевидного беспорядка каким-то образом поддерживались относительно неизменные и благоприятные для жизни условия.

Джеймс Лавлок

Атмосфера планеты Земля состоит из ошеломляюще сложного набора газов, многие из которых прямым или косвенным образом отражают наличие на ней жизни. Мы можем представить атмосферу как продолжение биосферы, как необходимый компонент глобальной системы поддержания жизни. Она живая и вечно меняющаяся, преданно отражающая, словно в зеркале, все разнообразные трудноуловимые перемены, характеризующие претерпевающую непрерывные изменения жизнь на Земле.

Для жизни на Земле перемены являются нормой, а не исключением. Сегодня легко упустить из виду большое значение перемен, совершавшихся в прошлом. Хорошо было бы поэтому начать с краткого обзора того, что мы считаем историей атмосферы. Эта повесть начинается со вращающегося вокруг своей оси газопылевого облака, которым была первоначальная Солнечная туманность. От этого сравнительно заурядного старта берет начало последовательность событий, приведших к формированию Солнца и планет, эволюции атмосфер и, наконец, к появлению жизни. За возможным исключением последнего события эта последовательность должна была, начиная от рождения вселенной, многократно повторяться во многих ее уголках.

Ранняя история солнечной системы окутана покровом тайны. Мы считаем, что вещества, которые составили строительные кирпичики для первозданных прото-планет, образовались путем конденсации из облака, подобно тому, как лед образуется из воды или как жидкость конденсируется из газа. Конденсация внутри облака происходила в определенной последовательности. Более тяжелые элементы, такие, как железо, конденсировались при относительно высоких температурах, легкие элементы, такие, как водород, углерод и азот, осаждались при гораздо более низких температурах. Это привело к перераспределению и обособлению элементов внутри облака. У планет, формировавшихся на большом расстоянии от Солнца, где было холодно, получалось преобладание низкотемпературных веществ. Планеты, формировавшиеся во внутренней части облака, складывались по большей части из высокотемпературного материала. Свою квоту низкотемпературных веществ они получили на более поздних стадиях формирования планет, по мере охлаждения облака.

Таким образом, мы представили картину возникновения Земли, которая имеет весьма гетерогенное тело. Это тело, питаемое энергией, получающейся за счет распада радиоактивных элементов, оказавшихся заключенными в глубинах планеты (дополнением к чему служила энергия, полученная в ходе процесса наращивания планетного тела), быстро эволюционировало. Более тяжелые элементы опускались вниз, образуя первоначальное ядро. Более легкие элементы всплывали вверх, образуя первоначальные кору и мантию. Наиболее подвижные и летучие элементы выходили на поверхность планеты, образуя первоначальные океан и атмосферу. Дальнейшее взаимообособление материалов, слагавших кору и мантию, привело к образованию материков и океанических бассейнов; процесс этот продолжается, хотя и более низкими темпами, и сегодня.

Мы полагаем, что первоначальная атмосфера состояла в основном из газов, образованных на основе водорода, углерода, азота, кислорода и серы с присутствием в мизерных количествах гелия, неона, аргона, криптона и ксенона. Существуют споры относительно химической формы, в которой были представлены эти главные элементы. Содержался ли углерод в атмосфере в более восстановленной (богатой водородом) форме, такой, как метан, или в более окисленной форме (богатой кислородом), такой, как углекислый газ? Тех, кто высказывается в пользу восстановленной формы, обычно убеждает то, что в такой среде было бы легче развиться жизни. Автор статьи склоняется к химическому варианту с более окисленной формой, по крайней мере отчасти от того, что в атмосферах наших планет-соседей Венеры и Марса преобладает углекислый газ.

Сравнительно нетрудно оценить суммарные количества летучего водорода, углерода и азота, выделенных Землей в течение геологического времени. Преобладающая часть выделенного за прошедшие 4,5 миллиарда лет водорода ныне находится в виде сконденсировавшейся из пара воды в океанах. Основная масса углерода существует в виде углекислых минералов или в виде восстановленного углерода в осадочных породах. Азот содержится в основном в атмосфере, в виде азотсодержащих газов. Можно предполагать, что среди летучих веществ, первоначально выделенных Землей, преобладал водяной пар, которым по количеству был углекислый газ, а за ними шли (присутствовавшие в ничтожных количествах) азот, водород и окись углерода, а также химически инертные благородные газы. Первоначальная атмосфера была, как в общем-то и сегодняшняя, слишком холодной, чтобы удержать большое количество водяного пара в парообразной фазе. Вода должна была проливаться с неба на Землю дождем, заполняя пониженные участки ее первозданной поверхности. В составе ранней атмосферы преобладал, возможно, углекислый газ. Количество азота должно было составлять примерно 1% от количества углекислого газа – положение, схожее с тем, что наблюдается сейчас на Венере.

Углекислый газ должен был медленно насыщать собой первоначальный океан, образуя углекислые породы. Давление атмосферы должно было вслед за этим упасть, приблизившись к современному уровню. Высокая концентрация углекислого газа в ранней атмосфере и связанный с ней парниковый эффект, по-видимому, помогали задержать тепло, исходящее от поверхности Земли, способствуя относительной мягкости климата, несмотря даже на то, что энергия, испускаемая Солнцем, была тогда, вероятно, меньше, чем сейчас. Такова, вероятно, была среда, взрастившая первые живые организмы.

Неясно, где или как они появились впервые. Тем не менее, очевидно, что жизнь зародилась в ранний период истории Земли. Древнейшие из сохраняющихся горных пород, по крайней мере, идентифицированных по возрасту, сформировались более 3,5 миллиарда лет назад, и они показывают, что влияние биоты было широко распространенным уже тогда. Свободный кислород в течение первых нескольких миллиардов лет истории атмосферы был в ней незначительной составной частью. Его появление и впоследствии быстрый рост его удельного веса в атмосфере были, как нам кажется, следствием эволюции растений, способных использовать солнечный свет для синтеза органического углерода из углекислого газа с сопутствующей этому способностью защищаться против потенциально смертельного воздействия свободного кислорода. С тех пор состав атмосферы оставался сравнительно устойчивым. Она была устойчива, но не неподвижна: водород, углерод, азот, кислород и сера находятся в непрерывном движении, быстро перемещаясь из атмосферы в биосферу, почвы, океан и осадочные породы и проводя, за исключением азота, лишь небольшую часть времени своего существования в воздухе.

Возьмем, к примеру, углерод. Вообразите атом углерода, упрятанный вначале под поверхностью Земли и вырвавшийся в атмосферу со взрывообразным выбросом вулкана. Представим себе его судьбу в сегодняшней окружающей среде. Атом первоначально появится в воздухе связанным с атомами кислорода, в виде молекулы углекислого газа. Его будет носить во все стороны ветрами, и в течение нескольких лет он посетит большинство уголков Земли. В конце концов, в пределах первых десяти лет его существования он может быть захвачен растением или деревом и обращен в процессе фотосинтеза в более восстановленную химическую форму. Или же он может попасть в океан, где превратится в ион бикарбоната. Атом будет блуждать туда-сюда между атмосферой, биосферой, почвами и океаном. Это продлится для него около ста тысяч лет, прежде чем он окажется в океанических отложениях. Там он будет захоронен, лишенный движения в течение ста миллионов лет или более.

Жизнь в осадочных породах менее беспокойна, но даже и там есть движение. Осадочные породы, подобно пассажирам, переносятся на кристаллических плитах, которые направляют движение материков. Рано или поздно элементы будут затянуты под поверхность, где подвергнуться мощному воздействию тепла, исходящего из глубин планеты, а затем вернутся на поверхность. Среднестатистический атом углерода за 4,5 миллиарда лет истории Земли мог совершить до 20 таких путешествий между осадочными породами и атмосферой.

Изменения в скорости подвижек океанического дна или же изменения в уровне вулканической активности могут привести к изменению содержания углекислого газа в воздухе. Обычно такие изменения медленны, и их воздействие на состав воздуха ощущается постепенно. Более быстрое воздействие на атмосферу могут оказать меняющийся метаболизм океанической биосферы или изменения в скорости перемешивания океанских вод. У нас есть свидетельства того, что в последний ледниковый период содержание углекислого газа в атмосфере было низким, около 200 частей из миллиона, в сравнении с примерно 350 частями сегодня. Большинство ученых считают, что низкое содержание углекислого газа 20 тысяч лет назад служит свидетельством весьма отличного от современного состояния океана в то время. Более биологически продуктивный, океан должен был оттягивать углерод из атмосферы, меняя баланс в его распределении в пользу океана. Возможно, что резкие климатические изменения в последние несколько миллионов лет были вызваны, по крайней мере отчасти, изменениями в содержании углекислого газа, спровоцированными сдвигами в характере метаболизма океана.

Относительное содержание свободного кислорода в воздухе непосредственно связано с судьбами углерода. Кислород высвобождается во время фотосинтеза. В той мере, в какой фотосинтез является главным источником кислорода, можно сделать вывод, что на каждую молекулу кислорода приходится существующая где-то на Земле молекула восстановленного углерода. Это предполагает наличие запасов органического углерода, содержащих примерно 2х10¹⁶ тонн этого элемента, чего достаточно для обеспечения мировых потребностей в энергии на нынешнем уровне в течение нескольких миллионов лет. Однако большая часть этого углерода распылена. Извлекаемые по экономическим условиям запасы угля и нефти составляют лишь малую долю общего количества восстановленного углерода в осадочных породах.

В химическом составе атмосферы преобладают газы, сформировавшиеся при прямом или косвенном участии кислорода под воздействием солнечного света. На высотах свыше 20 километров молекулы кислорода под воздействием солнечного света могут расщепляться. Некоторые из образовавшихся таким образом атомов кислорода могут вступать в связь с его молекулами, образуя трехатомную форму кислорода – озон. Озон играет важную роль в системе обеспечения жизни на планете, защищая ее поверхность от смертоносного, не будь этой защиты, ультрафиолетового солнечного излучения. Это очень тонкое равновесие. Высокая концентрация озона у поверхности токсична и опасна для растений и животных. Он является одним из наиболее вредных компонентов городского смога. К счастью, большая часть атмосферного озона находится на больших высотах, в стратосфере, где он образуется под воздействием солнечного света и исчезает в ходе химической реакции, в частности образования окиси азота из закиси азота. Закись азота является второй по распространенности формой азота в атмосфере и одиннадцатым по относительному содержанию газом в атмосфере, следующим за азотом, кислородом, аргоном, водяным паром, углекислым газом, неоном, гелием, метаном, криптоном и водородом. Данные о составе атмосферы подытожены в прилагаемой таблице 2.

Таблица 2 - Состав атмосферы у поверхности земли (в % по объему)

Интересно отметить, что за исключением благородных газов (Ar, Ne, He, Kr, Xe), на относительное содержание всех перечисленных в ней компонентов прямым или косвенным образом влияет биосфера.

Климат представляет собой среднее долгосрочное состояние погоды. В средних широтах он должен быть в целом с теплым летом и холодной зимой, с максимальной годовой амплитудой температур во внутренних областях континентов. Однако в пределах средних значений можно ожидать значительной вариабельности. Эта вариабельность менее выражена в тропиках и субтропиках, где годовая амплитуда температур может составлять всего несколько градусов.

Атмосфера подобна огромной массе беспокойной жидкости, поднимающейся вверх в тропиках и опускающейся в средних широтах. В высоких широтах для нее типичны частые ураганы и сменяющие друг друга системы высокого и низкого давления. С преобладающим типом погоды и климата связаны различия в характере биосферы. Густые леса находятся в экваториальной области, где восходящий ток воздуха обеспечивает обильный источник осадков. В средних широтах, где воздух опускается и потому сух и горяч, растительность скудна. В этой области находятся великие пустыни мира. Далее к северу, в средних широтах, где амплитуда изменений погоды в течение года сильнее, пустыни сменяются степями и лиственными лесами, которые в высоких широтах, где зимы чрезвычайно холодны и в течение большей части года практически отсутствует солнечный свет, сменяются хвойными лесами и тундрой. Биосфера во всем ее разнообразии существует в гармонии с климатом. И наоборот, на климат, по крайней мере в местном масштабе, в значительной мере воздействует характер биосферы. У поверхности земли в тропическом лесу сравнительно прохладно и влажно. Там хорошо сохраняется вода в отличие от положения в пустынной области, где небольшие количества воды, достигающие поверхности во время нечастых ливней, быстро испаряются назад в атмосферу.

Состав атмосферы в настоящее время меняется темпами, беспрецедентными для сравнительно недавней истории Земли. Содержание углекислого газа выросло примерно с 270 частей на миллион сто лет назад до почти 350 частей на миллион сегодня. Этот прирост связан в основном со сжиганием топлива ископаемого происхождения, что дополняется (в неясном пока объеме) эффектом расчистки земель для нужд сельского хозяйства в тропиках. На 1-2% в год растет содержание метана, как и окиси углерода. И это также связано с сельским хозяйством и энергетикой. Подобные воздействия, как полагают, стоят и за небольшим, но неуклонным возрастанием содержания закиси азота. Повышенная концентрация окислов азота и серы, а также озона наблюдается в промышленных районах, где в процессе выработки энергии и при транспортных перевозках потребляется большое количество топлива ископаемого происхождения. Над обширными областями в северном полушарии выросла кислотность дождей, и есть свидетельства того, что плоды деятельности человека становятся ощутимы уже и в далекой области верхней стратосферы, где разложение хлорсодержащих промышленных углеводородов и закиси азота может способствовать уменьшению концентрации озона верхних слоев атмосферы. Следует ожидать, что увеличивающийся уровень содержания углекислого газа, метана, закиси азота и растущее бремя хлорофтороуглеродных соединений промышленного происхождения могут усилить парниковый эффект. Мы можем ожидать малозаметных изменений в химическом и радиационном состоянии окружающей среды у поверхности земли, в целом более теплых зим и заметных изменений в размещении биотических зон. Можно ожидать даже подъема уровня моря по мере того, как более высокие температуры вызовут таяние материковых льдов. Трудно оценить воздействие этих различных возмущающих факторов, но совершенно очевидно, что важно сделать определенные выводы. С этой целью ряд научных организаций соединили усилия для того, чтобы предложить программы исследований, улучшающие понимание нами атмосферы, выясняющие природу ее сложных взаимодействий с биосферой, почвами, океаном и геосферой. Мы надеемся, что эти программы, предпринимаемые, в числе прочих, Национальным управлением по аэронавтике и космосу США (НАСА), Национальной академией наук США, Международным советом научных объединений и Институтом прикладного системного анализа в Вене, окажутся удачными в деле стимулирования подлинно глобального подхода к исследованию Земли и вместе с тем более глубокого понимания уникальной значимости жизни.

9.3.3 Каталог. Области (слои) атмосферы. Ближайший к поверхности Земли слой атмосферы известен под названием тропосфера (от греческого слова «тропейн», означающего «поворачивать» или «изменять»). Это слой, где в основном формируется погода планеты. С ростом высоты температура в атмосфере в целом падает, достигая минимального значения, около –60⁰С, в средних широтах и несколько ниже того, около –70⁰С, - в тропиках. Точка наиболее низкой температуры известна как тропопауза. Над тропопаузой, в слое, известном под названием стратосфера, с ростом высоты температура медленно повышается. Она достигает максимального значения на высоте около 50 километров в точке, именуемой стратопаузой. Стратосфера в отличие от тропосферы является очень устойчивым слоем. Падающие в нее материалы, например выбросы от вулканических извержений или взрывов атомных бомб, остаются там по несколько лет в отличие от гораздо меньшего времени их существования – недель или месяцев – в тропосфере. Стратосфера, содержащая большую часть атмосферного озона, чрезвычайно суха. Рост в ней температуры с высотой вызван поглощением ультрафиолетовой солнечной радиации: это счастливое обстоятельство, так как свет с этой длиной волны вызвал бы в противном случае серьезные проблемы для существования жизни на поверхности Земли.

Выше стратопаузы, в слое, известном под названием мезосферы (средней точки), температура с высотой падает. Она достигает минимума в мезопаузе, на высоте около 90 километров. Это самый холодный слой атмосферы, где температура падает до –90⁰С. Выше мезопаузы, в термосфере, температура вновь растет. Плотность газов в этом слое крайне низка. Наконец, выше 300 километров плотность становится столь низкой, что более быстрые из атомов способны вырваться из гравитационного поля Земли, становясь частью межпланетной среды. Область их отрыва именуется экзосферой. Достаточной, чтобы покинуть Землю, скоростью обладают только самые легкие элементы: водород и гелий.