Глава 1. Строение и химический состав атмосферы

Планета Земля является динамической системой, в которой непрерывно идут процессы, изменяющие её состояние. В масштабе многих поколений они незначительны. Однако в масштабе, измеряемом отрезками в десять тысяч лет, эти изменения уже заметны.

§ 1. Эволюция атмосферы

Современная теория эволюции Земли и ее атмосферы опирается на гипотезы, которые таковыми и остаются, т. к. невозможно по данным, которыми располагает наука, судить достоверно о том, что происходило миллионы и миллиарды лет назад.

Образование планеты из протопланетного пылевого облака примерно 4,5 млрд лет назад сопровождалось интенсивной вулканической деятельностью. Извержения и последующая дегазация магмы привели к образованию атмосферы, состав которой существенно отличался от состава современной атмосферы. В нее входили: пары воды Н₂О, углекислый газ СО₂, водород Н₂, метан СН₄, гелий Не, азот N₂, сероводород H₂S и некоторые другие газы такие, как хлороводород НCl. Атмосфера была восстановительной в отличие от современной окислительной атмосферы, состоящей главным образом из азота и кислорода.

По мере остывания планеты происходила конденсация паров воды и образование гидросферы. В водах мирового океана растворялись атмосферные газы.

Водные растворы углекислого газа и хлороводорода реагировали с магматическими силикатными породами, такими как анортит. Происходило образование осадочных пород (каолинита, кварца, карбонатов и др.):

C

анортит

коалинит

a[Al₂Si₂О₈](т) + 2HCl(р-р) + Н₂О(ж) = CaCl₂(р-р) + Al₂[Si₂О₅](ОН)₄(т)

C

анортит

коалинит

a[Al₂Si₂О₈](т) + 3Н₂О(ж) + 2СО₂(г) = Са(НСО₃)₂(р-р) +Al₂[Si₂О₅](ОН)₄(т)

С

карбонат кальция

а(НСО₃)₂(р-р) = СаСО₃(т) + СО₂(г) + Н₂О(ж)

В результате геохимических процессов атмосфера менялась. С одной стороны, происходило улетучивание легких газов из атмосферы в космическое пространство, с другой – водные растворы реагировали с магматическими породами.

Кардинальное изменение состава атмосферы происходило не только за счет геохимических процессов. В изменении атмосферы приняли участие появившиеся на Земле примерно 3,8 млрд лет назад фотосинтезирующие живые организмы. Поглощение растениями углекислого газа в процессе фотосинтеза привело к образованию в атмосфере кислорода:

фотосинтез

6

клеточное дыхание

СО₂(г) + 6Н₂О(ж) ⇄ С₆Н₁₂О₆ (р-р) + 6О₂(г)

Кислород вызвал интенсивные окислительно-восстановительные реакции. Органическое вещество, которое накапливалось в результате фотосинтеза, частично исчезало в результате обратного процесса – клеточного дыхания.

Часть атмосферного кислорода вступала в реакции с двухвалентным железом минерала оливина, входившего в состав горных пород:

3

оливин

магнетит

кремневая кислота

Fe₂SiO₄(т)+ O₂(г)+ 6H₂O(ж) = 2Fe₃O₄(т) + 3H₄SiO₄(т)

Кроме того, мертвое органическое вещество окислялось атмосферным кислородом, превращаясь в воду и углекислый газ.

Тем не менее, процесс накопления кислорода в атмосфере шел. Мертвое органическое вещество не только окислялось, но частично сохранялось и накапливалось в виде каменного угля, природного газа и нефти в недрах планеты. Рост биомассы привел к существенному накоплению кислорода и снижению содержания углекислого газа в атмосфере до сотых долей процента.

В результате преобразующей деятельности живых организмов состав газовой земной оболочки изменился. Азот и кислород стали основными компонентами современной атмосферы, которая из восстановительной превратилась в окислительную.