История атмосферы и гидросферы
Атмосфера и гидросфера состоят из легких и летучих веществ, содержание которых в Земле в целом очень мало — гораздо меньше, чем в космосе. В момент формирования Земли из протопланетного облака все элементы ее будущей атмосферы и гидросферы находились в связанном виде в составе твердых веществ: вода — в гидроокислах, азот — в нитридах и, возможно, в нитратах, кислород — в окислах металлов, углерод — в графитах, карбидах и карбонатах.
Дальнейшее наращивание атмосферы и образование гидросферы связаны с выплавками базальтов, водяного пара и газов из верхней мантии при вулканических процессах, развившихся уже в первые 0,5—1 млрд лет существования Земли в результате разогревания ее недр при гравитационном сжатии (включая формирование и рост уплотненного ядра) и за счет распада радиоактивных изотопов (как остатков короткоживущих изотопов, так и, главное, долгоживущих изотопов, которых тогда было в 4—7 раз больше, чем сейчас).
Газы, выделяющиеся из современных вулканов, содержат преимущественно водяной пар (его, по-видимому, не менее 75%; так, в газах из базальтовых лав гавайских вулканов с температурами 1200°С обнаруживается 70— 80 об. % Н2О; в фумарольных газах Курильских островов с температурами около 100° С содержится 79,7 вес. % Н2О). Второй по значению составляющей является углекислый газ (в газах из гавайских базальтовых лав его 6—15 об. %, в курильских фумарольных газах—19,6 вес. %). В вулканических газах немало хлора (в газах Килауэа — около 7%), встречаются метан СН4 (иногда до 3%), аммиак NH3 и другие компоненты. Проводившиеся измерения показали, что при температурах 800—1000° из лав отгоняются, кроме водяного пара, преимущественно «кислые дымы» — HG1 и HF, при температуре 500° — сера и ее соединения H2S, SO2 и другие, а при более низких температурах — борная кислота и соли аммония.
Большой интерес представляют результаты химического анализа содержимого газовых пузырьков в древнейших (по-видимому, катархейских) кварцитах Курумкан-ской свиты (мощностью более 1000 м) Алданского щита. В этих пузырьках отсутствует свободный кислород, около 60% составляет углекислый газ, около 35% — H2S, SO2, NH3 и кислые дымы НС1 и HF, в небольших количествах присутствуют азот и инертные газы.
Таким образом, можно думать, что при дегазации лав на поверхность Земли поступали пары воды, соединения углерода (СО2, СО и СН4), аммиак, сера и ее соединения (H2S и SO2), галоидные кислоты (НС1, HF, HBr, HJ), борная кислота, водород, аргон и некоторые другие газы. Эта первичная атмосфера сначала, конечно, была чрезвычайно топкой, поэтому ее температура у поверхности Земли была очень близкой к температуре лучистого равновесия, получающейся в результате приравнивания потока поглощаемого поверхностью солнечного тепла потоку уходящего излучения поверхности Земли, пропорциональному четвертой степени температуры этой поверхности (по некоторым предположениям температура могла быть выше, чем при лучистом равновесии, из-за парникового эффекта, создававшегося аммиаком). Эта температура (при современной отражательной способности Земли 0,28) в среднем равна 15° С. Следовательно, почти весь водяной пар вулканических газов должен был конденсироваться, превращаясь в жидкую воду и тем самым формируя гидросферу.
В первичный океан переходили, растворяясь в воде, также и другие составные части вулканических газов — большая доля углекислого газа, кислоты, сера и ее соединения и часть аммиака. В результате первичная атмосфера, содержавшая в равновесии с океаном главным образом водяной пар и небольшие количества С02, СО, СН4, NH3, H2S, кислых дымов и инертных газов, оставалась тонкой. Следовательно, температурные условия не испытывали слишком больших изменений и оставались в среднем в пределах существования жидкой воды. Это и определило одну из специфических особенностей Земли, отличающую ее от других планет Солнечной системы,— постоянное наличие на ней гидросферы. В свою очередь, оно наложило существенный отпечаток на дальнейшую эволюцию земной коры, поверхности Земли и атмосферы.
Прямым фактическим доказательством существования гидросферы на Земле во все геологические времена до архея и даже до катархея включительно является обнаружение в земной коре осадочных пород соответствующих возрастов. Наиболее древние осадочные породы недавно обнаружены английскими геологами С. Мурбатом, Р. К. О'Найоном и Р. Дж. Панкхерстом в юго-западной Гренландии. Это — бурый Железняк, возраст которого оценён по свинцовому методу в 3,76±0,07 млрд. лет (причем это, по-видимому, возраст метаморфизации этих пород, а время их образования может быть еще более ранним). Найденные рядом изверженные породы — гранитоидные гнейсы — имеют возраст 3,7±0,14 млрд. лет (но рубидий-стронциевому методу).
В катархее и архее воды в океанах было еще недостаточно, чтобы покрывать срединно-океанские хребты, и в океанскую кору она поступала в основном не из океана, а лишь непосредственно из мантии, снизу; серпентинизация мантийных гипербазитов происходила лишь частично, и доля воды в океанской коре была меньше современной. В начале протерозоя уровень океана достиг вершин срединно-океанских хребтов. После этого некоторое время все поступления воды в океан в основном поглощались океанской корой, так что объем океана почти не увеличивался.
Переходя к обсуждению состава первичного океана, мы должны принять во внимание два источника возможных примесей к океанской воде — во-первых, атмосферные газы, способные растворяться в воде, и, во-вторых, горные породы, подвергающиеся на поверхности суши и па дне моря разрушающему воздействию Солнца, воздуха и воды — эрозии, облегчающей вымывание из горных пород и переносу в океан ряд веществ. Из атмосферы в океан переходили прежде всего кислоты, а также углекислый газ, аммиак, сера в чистом виде и в виде сероводорода.
Свободный кислород мог образовываться в первичной атмосфере в результате фотодиссоциации небольшой доли молекул водяного пара, т. е. их разложения под действием жесткой компоненты солнечного излучения. Однако, по расчетам Л. Беркнера и Л. Маршалла такое образование свободного кислорода должно быть весьма ограниченным, так как кислород сам поглощал излучение, расщепляющее молекулы воды. При равновесии между этими двумя процессами содержание кислорода в атмосфере не могло превышать одной тысячной современного уровня, на самом же деле оно было много меньше, так как равновесие никогда не достигалось: весь образующийся кислород быстро затрачивался на окисление атмосферных газов — СН4, СО, NH3 и H2S. Из-за недостатка свободного кислорода в атмосфере, по-видимому, отсутствовал озоновый экран и тонкая первичная атмосфера была способной пропускать жесткие излучения Солнца до поверхности суши и океана.
Под действием жестких излучений Солнца, способных ускорять образование сложных молекул, в океане, по-видимому еще в катархее, образовался ряд сложных органических веществ до аминокислот включительно — предполагать их образование необходимо! так как в архейских осадочных породах уже обнаруживаются следы жизни (при отсутствии озонового экрана появившейся, вероятно, именно в океане, где первичные организмы были защищены от жестких излучений Солнца некоторым слоем воды,— для этого вполне достаточно 10-метрового слоя).
Лабораторными опытами С. Миллера в 1953 г. показано, что при воздействии электрических разрядов на смесь водяного пара, метана, аммиака и водорода, близкую по составу к газам некоторых вулканов, в ней образуются сложные органические вещества, в том числе аланин, глицин и другие аминокислоты. Экспериментально доказано также, что в указанной смеси образование сложной органики до аминокислот включительно может происходить и под действием ультрафиолетовой радиации. В вулканических газах такой синтез может идти за счет высоких температур, при которых взаимодействие метана с аммиаком дает синильную кислоту HCN, метана с водой — альдегиды RCOH, и в получающейся смеси аминокислоты синтезируются по так называемой схеме Штрекера. Отметим, что в горячих газах курильского вулкана Алаид обнаружено большое количество синильной кислоты, а в гидротермальных растворах Камчатки и Курильских островов — производные синильной кислоты и различные аминокислоты. Укажем, наконец, что сложные органические вещества, включая аминокислоты, обнаружены в ряде каменных метеоритов, особенно в так называемых углистых.
Отметим, что наиболее древние достоверные остатки жизнедеятельности организмов найдены в кремпистых сланцах серии Фигового дерева системы Свазиленд (Барбертон) в Трансваале, возраст которых 3,1—3,4 млрд. лет, и, во-вторых, что одними из первых организмов были микроскопические одноклеточные водоросли, начиная с самых примитивных — синезеленых, которые осуществляли фотосинтез органических веществ из углекислоты и воды с выделением свободного кислорода. Такая деятельность водорослей, а затем и сухопутных растений привела в конце концов к образованию на Земле кислородной атмосферы — этого геохимического чуда, не имеющего аналогов на других планетах Солнечной системы.
С биологической точки зрения критическим уровнем содержания свободного кислорода в атмосфере является так называемая точка Пастера, около одной сотой от количества кислорода в современной атмосфере, при которой организмы переходят от использования энергии процессов ферментативного брожения к энергетически более эффективному (в 30—50 раз) окислению придыхании. По расчетам Л. Беркнера и Л. Маршалла, точка Пастера была достигнута в конце венда, около 600 млп. лет тому назад, и это привело в начале фанерозоя к настоящему биологическому взрыву — массовому распространению практически всех типов животных (кроме хордовых).
Растения, осуществляющие фотосинтез первичной биологической продукции и потому являющиеся первоосновой всей жизни, вскоре начали проникать на сушу, вначале в наиболее примитивных формах (псилофигы) и очень медленно — одним из главных препятствий для проникновения жизни на сушу являлось отсутствие в атмосфере озонового экрана, который защищал бы живые организмы от жестких излучений Солнца. Л. Беркнер и Л. Маршалл считают, что появлению озонового экрана около 400 млн. лет тому назад отвечало содержание кислорода в атмосфере порядка 10% современного уровня, после чего совремеппый уровень был достигнут очень быстро — всего за несколько десятков миллионов лет — вследствие бурного фотосинтеза в гигантских лесах на континентах того времени.
Заканчивая на этом изложение истории кислорода в атмосфере и гидросфере, отметим, что в настоящее время годовая продукция кислорода, выделяемого всеми растениями в море и па суше, имеет порядок 100—150 млрд. т (и распределяется между морем и сушей приблизительно поровну, составляя в море около 10% продукции массы водорослей). При такой темпе весь кислород атмосферы — порядка 103 триллионов т — был бы создан всего за десяток тысячелетий, однако практически весь продуцируемый сейчас кислород затрачивается на дыхание животных, окисление органических остатков, вулканических газов и на выветривание горных пород.
Остановимся теперь вкратце на истории углекислого газа. Первоначально оп попадает в атмосферу и гидросферу, несомненно, в продуктах дегазации мантии, в которых образуется путем высокотемпературных каталитических реакций графита с водой, разложения карбидов, температурной диссоциации первичных карбонатов, а затем также путем окисления метана и СО вулканических газов. Удаление углекислого газа из атмосферы и гидросферы происходит главным образом при образовании карбонатов — в результате как химических реакций, так и биологических процессов (образование карбонатных оболочек и скелетов организмов); некоторая доля СО2 расходуется также па образование органического вещества в процессе фотосинтеза растений. Согласно подсчетам О. Г. Сорохтина, химическое осаждение карбонатов все время ограничивалось лишь количеством СО2, тогда как вторая необходимая составляющая карбонатов — гидроокислы кальция, магния и железа — всегда находилась в большом избытке.
В катархее карбонатных пород немного; укажем прежде всего мраморы и известковистые кристаллические сланцы Прибайкалья, Памира (Ваханская серия) и Юго-Восточпой Канады (серия Гренвилл), образовавшиеся, вероятно, из сульфатно-серпистых известняков и доломитов. В архее карбонатных пород, пожалуй, еще меньше. В нижнем протерозое, когда появился кислород, выросло количество СО2, морская вода стала хлоридно-карбонатной и в ней образовалось карбопат-бикарбонатное равновесие, появились и мощные слои карбонатных осадочных пород, прежде всего доломитов химического происхождения (при большом содержании СО2 и высоком щелочном резерве в морской воде доломитовое вещество насыщает воду и выпадает в осадок легче, чем СаСО3); примером может служить мощная доломитовая свита Трансвааля возрастом около 2 млрд. лет.
В дальнейшем в карбонатных породах наблюдается некоторый рост доли кальцита за счет доломитов (объясняемый, вероятно, снижением щелочного резерва морской воды; Р. В. Фэйрбридж считает, что зпачепие рН воды в среднем и верхнем протерозое могло падать до 4—5), а также увеличение доли карбонатов биологического происхождения.
В венде содержание СО2 в океане, по-видимому, уменьшилось (возможпо, вследствие затрат углекислоты при фотосинтезе водорослей), морская вода приобрела хлоридно-сульфатный характер и значение рН в ней опять достигло 7, допустив в некоторой мере образование карбонатов; может быть, это и содействовало появлению скелетов у животных в начале фанерозоя.
Позже, 360—280 млн. лет тому назад, развитие фото-сиптезирующей растительности па суше привело, вероятно, к новому уменьшению содержания СО2 в атмосфере. Это, вероятно, содействовало вспышке в развитии организмов, выделяющих известь, — кокколитовых водорослей и одноклеточных животных — корненожек фораминифер (возникших еще в начале фанерозоя; в рассматриваемый период наибольшее развитие имели фораминиферы надсемейства фузулинид). После некоторого спада такая вспышка повторилась 130—70 млн. лет тому назад, обусловив массовое выпадение биогенных карбонатных осадков мелового периода (причем наибольшее развитие из фораминифер имели нуммулиты). В настоящее время накопление карбонатов в Мировом океане происходит почти исключительно биологическим путем.
|
|
Читайте в рубрике «Атмосфера и океан»: |