Происхождение атмосферы

Возвращаясь к ранее рассмотренному составу наземной атмосферы, следует отметить, что вся современная атмосфера есть по существу порождение двух доминирующих процессов на Земле - жизни и радиоактивного распада.

Действительно, каковы причины, вызвавшие наблюдаемые нами
соотношения газов атмосферы?

Азот может удаляться из атмосферы тремя путями: в результате
образования легкорастворимых в воде нитратов под действием солнечного излучения, при поглощении атмосферного азота живыми организмами и при возникновении легкорастворимых соединений азота в результате электрических разрядов.

Возвращение азота в атмосферу происходит в результате окисления органического вещества с образованием аммиака либо при более интенсивном окислении — собственно азота. Вероятно, существенная доля азота возвращается в атмосферу при метаморфизме и выветривании горных пород, в которых значительные массы азота присутствуют в виде NH₄⁺, изоморфно замещающего К⁺ в слюдах.

Высокая концентрация свободного кислорода в атмосфере (23%) является геохимическим парадоксом, не повторяющимся в известном нам мироздании. Причина в том, что наряду с активным поглощением кислорода из атмосферы — на различные процессы окисления (органического вещества, колчеданов и т. д.), дыхание организмов — непрерывно протекает мощный встречный процесс фотосинтеза, сопровождающийся выделением свободного кислорода в атмосферу: С0₂ + Н₂0 = НСОН + О₂. Этот процесс, определяемый участием хлорофилла, представляет собой более мощный источник свободного кислорода в атмосфере, чем фотодиссоциация в стратосфере, генерирующая озон.

Огромную роль в атмосфере играет углекислота, несмотря на ее незначительную концентрацию. Темп круговорота углекислоты, по-видимому, несоизмерим ни с одним другим газом атмосферы. Углекислота, как уже отмечалось, поглощается при фотосинтезе и карбонатном осадкообразовании. Возвращение ее в атмосферу тесно связано с окислительными процессами на поверхности земной коры (органического вещества), разрушением карбонатных пород в зоне гипергенеза и метаморфизмом.

Огромную роль в балансе углекислоты в атмосфере играют вулканические процессы. Есть основание думать, что именно с ними связано постепенно возрастающее содержание углерода в земной коре и развитие биосферы. Для примера рассмотрим состав газов некоторых вулканов (табл. 5.2).

Таблица 5.2.

Газы некоторых вулканов (Мархинин 1980)

Поскольку парниковый эффект связан с присутствием углекислого газа в атмосфере, колебания его концентрации являются одной из важных причин таких крупномасштабных климатических изменений в истории Земли, как ледниковые периоды.

Присутствующий в современной атмосфере гелий большей частью является продуктом радиоактивного распада урана, тория и радия. Эти радиоактивные элементы испускают a-частицы, которые представляют собой ядра атомов гелия. Поскольку в ходе радиоактивного распада электрический заряд не образуется и не исчезает, с образованием каждой a-частицы появляются по два электрона, которые рекомбинируя с a-частицами, образуют нейтральные атомы гелия.

Некоторое количество гелия за счет диффузии поднимается вверх в экзосферу, но благодаря постоянному притоку от земной поверхности, объем этого газа в атмосфере почти не меняется. Исключение составляет инертный газ аргон, поскольку в форме изотопа ⁴⁰Ar он и сейчас образуется в процессе радиоактивного распада изотопа калия.

6. ГЕОХИМИЯ ГИДРОСФЕРЫ

6.1. Геохимия океана

Океан представляет собой водную оболочку земного шара. Пять шестых земной поверхности приходится на его долю. Общий объем океана составляет 1,37^.10¹⁸ м³ (Аттарбек и Сендрамен, 1948). Одной из самых важных особенностей океана является его солевой состав.

По своему составу морская вода является водным раствором неорганического электролита. Происхождение вод мирового океана и содержащихся в них солей представляет собой весьма интересный вопрос.

Эрозией изверженных пород невозможно объяснить присутствие в современном океане многих летучих, и большая часть таких элементов, как C, Cl, S, N, B, Br, F и т.д., содержащихся в современном океане и связанных в осадочных породах, должна поступать из внутренних частей Земли.

Вероятно, хлор, азот, сера и фтор поступали в виде HCl, NH₃, H₂S и HF; углерод в виде CH₄, CO и CO₂, а значительная часть кислорода в виде H₂O, СО₂.

Каким же образом протекал этот процесс? Для того чтобы ответить на этот вопрос, необходимо рассмотреть некоторые условия образования Земли.

В соответствии с ранней гипотезой Земля первоначально была в расплавленном состоянии, и поэтому могла произойти частичная потеря летучих, но и большая их часть должна была сохраниться внутри Земли. Именно эта часть летучих поступает после охлаждения на поверхность Земли в виде постепенного непрерывного потока. Если летучие были утеряны на начальной стадии образования, то рН первичного океана должен быть около 0,3 и столь сильно кислый раствор должен был легко растворять значительные количества изверженных пород. Как только концентрация Са²⁺, Mg²⁺, и СО^2-₃ в водном растворе достигла точек растворения кальцита и доломита, начали быстро осаждаться карбонаты. Вследствие этого из первичных атмосферы и гидросферы начала быстро извлекаться углекислота, что в конечном итоге привело к возникновению условий, для существования живых организмов.

Необходимо рассмотреть альтернативное допущение о постепенном формировании океана. Предположим, что исходное парциальное давление двуокиси углерода было ниже 1 атм и что общее атмосферное давление примерно на 10% больше современного. Тогда осаждение карбонатов должно было начаться к моменту эрозии около 240 х 10²⁰ г изверженных пород и по достижении рН примерно 5,7. В этом случае количество избыточных летучих в гидросфере не должно превышать 1/10 от современного их содержания из внутренних частей Земли. Параллельно кислород поступал и за счет жизнедеятельности живых организмов. Таким образом происходило постепенное формирование современной гидросферы.

Далее рассмотрим вопрос о поступлении воды за счет горячих источников. Считается, что водные пары горячих источников Йелоустонского парка содержат 10-15 % магматической воды, а горячие источники Айдахо – 2,5% ее. Но даже если бы содержание магматической воды в воде горячих источников было меньше 1%, то в течении 4,5 млрд. лет они могли бы выбросить достаточное количество воды для объяснения существования океана. По крайней мере, существование такой магматической воды поддерживает идею о том, что вода современного океана скопилась за счет постепенного поступления из внутренних частей Земли.океан гидросфера