Історія атмосфери та гідросфери
Атмосфера і гідросфера складаються з легких і летких речовин, вміст яких в Землі в цілому дуже мало – набагато менше, ніж у космосі. У момент формування Землі з протопланетної хмари всі елементи її майбутньої атмосфери та гідросфери перебували у зв’язаному вигляді в складі твердих речовин: вода – в гидроокислах, азот – в нітриду і, можливо, в нітратах, кисень – в окислах металів, вуглець – в графіті, карбідах і карбонатах.
Подальше нарощування атмосфери та виникнення гідросфери пов’язані з виплавкою базальтів, водяної пари і газів з верхньої мантії при вулканічних процесах, які розвинулися вже в перші 0,5-1 млрд років існування Землі в результаті розігрівання її надр при гравітаційному стисненні (включаючи формування і зростання ущільненого ядра) і за рахунок розпаду радіоактивних ізотопів (як залишків короткоживучих ізотопів, так і, головне, довгоживучих ізотопів, яких тоді було в 4-7 разів більше, ніж зараз).
Гази, що виділяються з сучасних вулканів, містять переважно водяна пара (його, мабуть, не менше 75 %; так, в газах з базальтових лав гавайських вулканів з температурами 1200 ° С виявляється 70 – 80 об. % Н2О; в фумарольних газах Курильських островів з температурами близько 100 ° С міститься 79,7 вагу. % Н2О). Другий за значенням складовою є вуглекислий газ (в газах з гавайських базальтових лав його 6-15 об. %, В курильских фумарольних газах – 19, 6 вагу. %). У вулканічних газах чимало хлору (в газах Кілауеа – близько 7 %), зустрічаються метан СН4 (іноді до 3%), аміак NH3 та інші компоненти. Проводилися вимірювання показали, що при температурах 800-1000 ° з лав отгоняются, крім водяної пари, переважно ” кислі дими ” – HG1 і HF, при температурі 500 ° – сірка та її сполуки H2S, SO2 та інші, а при більш низьких температурах – борна кислота і солі амонію.
Великий інтерес представляють результати хімічного аналізу вмісту газових бульбашок в найдавніших (мабуть, катархейскіх) кварцитах Курумкан – ської свити (потужністю більше 1000 м) Алданского щита. У цих бульбашках відсутній вільний кисень, близько 60 % становить вуглекислий газ, близько 35 % – H2S, SO2, NH3 і кислі дими НС1 і HF, в невеликих кількостях присутні азот і інертні гази.
Таким чином, можна думати, що при дегазації лав на поверхню Землі надходили пари води, сполуки вуглецю (СО2, СО і СН4), аміак, сірка та її сполуки (H2S і SO2), галоїдні кислоти (НС1, HF, HBr, HJ), борна кислота, водень, аргон і деякі інші гази. Ця первинна атмосфера спочатку, звичайно, була надзвичайно топкою, тому її температура біля поверхні Землі була дуже близькою до температури променистого рівноваги, получающейся в результаті прирівнювання потоку поглинається поверхнею сонячного тепла потоку минає випромінювання поверхні Землі, пропорційному четвертого ступеня температури цієї поверхні (за деякими припущеннями температура могла бути вище, ніж при променистому рівновазі, через парниковий ефект, що створювалася аміаком). Ця температура (при сучасній відбивної здатності Землі 0,28) у середньому дорівнює 15 ° С. Отже, майже весь водяний пар вулканічних газів повинен був конденсуватися, перетворюючись на рідку воду і тим самим формуючи гідросферу.
У первинний океан переходили, розчиняючись у воді, також і інші складові частини вулканічних газів – велика частка вуглекислого газу, кислоти, сірка та її сполуки і частина аміаку. У результаті первинна атмосфера, що містила в рівновазі з океаном головним чином водяна пара і невеликі кількості С02, СО, СН4, NH3, H2S, кислих димів та інертних газів, залишалася тонкою. Отже, температурні умови не відчували занадто великих змін і залишалися в середньому в межах існування рідкої води. Це і визначило одну зі специфічних особливостей Землі, що відрізняє її від інших планет Сонячної системи, – постійна наявність на ній гідросфери. У свою чергу, воно наклало істотний відбиток на подальшу еволюцію земної кори, поверхні Землі та атмосфери.
Прямим фактичним доказом існування гідросфери на Землі в усі геологічні часи до архею і навіть до катархея включно є виявлення в земній корі осадових порід відповідних віків. Найбільш древні осадові породи недавно виявлені англійськими геологами С. Мурбатом, Р. К. О’Найоном і Р. Дж. Панкхерст в південно – західній Гренландії. Це – бурий Железняк, вік якого оцінений по свинцевому методу в 3,76 ± 0,07 млрд. років (причому це, мабуть, вік метаморфизации цих порід, а час їх утворення може бути ще більш раннім). Знайдені поруч вивержені породи – гранітоїдного гнейси – мають вік 3,7 ± 0,14 млрд. років (але рубідій – стронцієвого методу).
У катархее і археї води в океанах було ще недостатньо, щоб покривати серединно – океанські хребти, і в океанську кору вона надходила в основному не з океану, а лише безпосередньо з мантії, знизу; серпентінізація мантійних гипербазитов відбувалася лише частково, і частка води в океанській корі була менше сучасної. На початку протерозою рівень океану досяг вершин серединно – океанських хребтів. Після цього якийсь час всі надходження води в океан в основному поглиналися океанської корою, так що обсяг океану майже не збільшувався.
Переходячи до обговорення складу первинного океану, ми повинні взяти до уваги два джерела можливих домішок до океанській воді – по-перше, атмосферні гази, здатні розчинятися у воді, і, по-друге, гірські породи, що піддаються на поверхні суші і па дні моря разрушающему впливу Сонця, повітря та води – ерозії, що полегшує вимивання з гірських порід і переносу в океан ряд речовин. З атмосфери в океан переходили насамперед кислоти, а також вуглекислий газ, аміак, сірка в чистому вигляді та у вигляді сірководню.
Вільний кисень міг утворюватися в первинній атмосфері в результаті фотодиссоциации невеликої частки молекул водяної пари, тобто їх розкладання під дією жорсткої компоненти сонячного випромінювання. Однак, за розрахунками Л. Беркнера і Л. Маршалла таку освіту вільного кисню повинно бути досить обмеженим, так як кисень сам поглинав випромінювання, розщеплюють молекули води. При рівновазі між цими двома процесами вміст кисню в атмосфері не могло перевищувати однієї тисячної сучасного рівня, на самій же справі воно було багато менше, так як рівновага ніколи не досягалося: весь утворюється кисень швидко витрачається на окислення атмосферних газів – СН4, СО, NH3 і H2S. Через нестачу вільного кисню в атмосфері, мабуть, відсутній озоновий екран і тонка первинна атмосфера була здатною пропускати жорсткі випромінювання Сонця до поверхні суші і океану.
Під дією жорстких випромінювань Сонця, здатних прискорювати утворення складних молекул, в океані, мабуть ще в катархее, утворився ряд складних органічних речовин до амінокислот включно – припускати їх освіту необхідно! так як в архейських осадових породах вже виявляються сліди життя (за відсутності озонового екрану з’явилася, ймовірно, саме в океані, де первинні організми були захищені від жорстких випромінювань Сонця деяким шаром води, – для цього цілком достатньо 10 – метрового шару).
Лабораторними дослідами С. Міллера в 1953 р. показано, що при дії електричних розрядів на суміш водяної пари, метану, аміаку і водню, близьку за складом до газів деяких вулканів, в ній утворюються складні органічні речовини, в тому числі аланін, гліцин та інші амінокислоти. Експериментально доведено також, що у зазначеній суміші освіту складним органіки до амінокислот включно може відбуватися і під дією ультрафіолетової радіації. У вулканічних газах такий синтез може йти за рахунок високих температур, при яких взаємодія метану з аміаком дає синильну кислоту HCN, метану з водою – альдегіди RCOH, і в получающейся суміші амінокислоти синтезуються за так званою схемою Штрекер. Відзначимо, що в гарячих газах курильського вулкана Алаід виявлено велику кількість синильної кислоти, а в гідротермальних розчинах Камчатки і Курильських островів – похідні синильної кислоти і різні амінокислоти. Вкажемо, нарешті, що складні органічні речовини, включаючи амінокислоти, виявлені в ряді кам’яних метеоритів, особливо в так званих вуглистих.
Відзначимо, що найбільш стародавні достовірні залишки життєдіяльності організмів знайдено в кремпістих сланцях серії фігового дерева системи Свазіленд (Барбертон) в Трансваалі, вік яких 3,1-3,4 млрд. років, і, по-друге, що одними з перших організмів були мікроскопічні одноклітинні водорості, починаючи з найпримітивніших – синезелених, які здійснювали фотосинтез органічних речовин з вуглекислоти та води з виділенням вільного кисню. Така діяльність водоростей, а потім і сухопутних рослин привела зрештою до утворення на Землі кисневої атмосфери – цього геохімічного чуда, що не має аналогів на інших планетах Сонячної системи.
З біологічної точки зору критичним рівнем вмісту вільного кисню в атмосфері є так звана точка Пастера, близько однієї сотої від кількості кисню в сучасній атмосфері, при якій організми переходять від використання енергії процесів ферментативного бродіння до енергетично більш ефективному (у 30-50 разів) окисленню придихом. За розрахунками Л. Беркнера і Л. Маршалла, точка Пастера була досягнута наприкінці венда, близько 600 МЛП. років тому, і це призвело на початку фанерозоя до теперішнього біологічному вибуху – масового поширення практично всіх типів тварин (крім хордових).
Рослини, які здійснюють фотосинтез первинної біологічної продукції і тому є першоосновою усього життя, незабаром почали проникати на сушу, спочатку в найбільш примітивних формах (псілофіги) і дуже повільно – одним з головних перешкод для проникнення життя на сушу була відсутність в атмосфері озонового екрану, який захищав б живі організми від жорстких випромінювань Сонця. Л. Беркнер і Л. Маршалл вважають, що появі озонового екрану близько 400 млн. років тому відповідало вміст кисню в атмосфері близько 10 % сучасного рівня, після чого совремеппий рівень був досягнутий дуже швидко – всього за кілька десятків мільйонів років – внаслідок бурхливого фотосинтезу в гігантських лісах на континентах того часу.
(1 votes, average: 5.00 out of 5)