Атмосферата е въздушната обвивка на Земята. Простира се до 3000 км от земната повърхност. Неговите следи могат да бъдат проследени до надморска височина до 10 000 км. А. има неравномерна плътност 50 5 масите му са концентрирани до 5 км, 75% - до 10 км, 90% - до 16 км.
Атмосферата се състои от въздух - механична смес от няколко газа.
Азот(78%) в атмосферата играе ролята на кислороден разредител, регулиращ скоростта на окисление и следователно скоростта и интензивността на биологичните процеси. Азотът е основният елемент на земната атмосфера, който непрекъснато се обменя с живата материя на биосферата, а съставните части на последната са азотни съединения (аминокиселини, пурини и др.). Азотът се извлича от атмосферата по неорганични и биохимични пътища, въпреки че те са тясно свързани помежду си. Неорганичната екстракция е свързана с образуването на неговите съединения N 2 O, N 2 O 5, NO 2, NH 3. Те се намират във валежите и се образуват в атмосферата под въздействието на електрически разряди по време на гръмотевични бури или фотохимични реакции под въздействието на слънчевата радиация.
Биологичното фиксиране на азота се извършва от някои бактерии в симбиоза с висши растения в почвата. Азотът също се фиксира от някои планктонни микроорганизми и водорасли в морската среда. В количествено отношение биологичната фиксация на азота превишава неговата неорганична фиксация. Обменът на целия азот в атмосферата се извършва в рамките на приблизително 10 милиона години. Азотът се намира в газове от вулканичен произход и в магмени скали. При нагряване на различни проби от кристални скали и метеорити се отделя азот под формата на молекули N 2 и NH 3 . Но основната форма на присъствие на азота, както на Земята, така и на планетите от земната група, е молекулярната. Амонякът, навлизайки в горните слоеве на атмосферата, бързо се окислява, освобождавайки азот. В седиментните скали той е заровен заедно с органичната материя и се намира в повишени количества в битуминозни отлагания. По време на регионалния метаморфизъм на тези скали азотът се освобождава в различни форми в земната атмосфера.
Геохимичен азотен цикъл (
Кислород(21%) се използва от живите организми за дишане и е част от органичните вещества (белтъчини, мазнини, въглехидрати). Озон O 3. забавя разрушителната за живота ултравиолетова радиация от Слънцето.
Кислородът е вторият най-разпространен газ в атмосферата, играещ изключително важна роля в много процеси в биосферата. Доминиращата форма на неговото съществуване е O 2. В горните слоеве на атмосферата, под въздействието на ултравиолетовото лъчение, настъпва дисоциация на кислородните молекули и на надморска височина от приблизително 200 km съотношението на атомарния кислород към молекулярния (O: O 2) става равно на 10. Когато тези форми на кислород взаимодействат в атмосферата (на надморска височина 20-30 km), озонов пояс (озонов екран). Озонът (O 3) е необходим за живите организми, блокирайки по-голямата част от ултравиолетовото лъчение от слънцето, което е вредно за тях.
В ранните етапи от развитието на Земята свободният кислород се появява в много малки количества в резултат на фотодисоциация на въглероден диоксид и водни молекули в горните слоеве на атмосферата. Тези малки количества обаче бързо се изразходват от окисляването на други газове. С появата на автотрофни фотосинтезиращи организми в океана ситуацията се промени значително. Количеството свободен кислород в атмосферата започна прогресивно да нараства, активно окислявайки много компоненти на биосферата. Така първите порции свободен кислород допринесоха основно за прехода на железните форми на желязото в оксидни форми и сулфидите в сулфати.
В крайна сметка количеството свободен кислород в земната атмосфера достигна определена маса и беше балансирано по такъв начин, че произведеното количество стана равно на погълнатото. Установено е относително постоянно съдържание на свободен кислород в атмосферата.
Геохимичен цикъл на кислорода (В.А. Вронски, Г.В. Войткевич)
Въглероден двуокис, влиза в образуването на живата материя и заедно с водните пари създава така наречения „парников (парников) ефект“.
Въглерод (въглероден диоксид) - по-голямата част от него в атмосферата е под формата на CO 2 и много по-малко под формата на CH 4. Значението на геохимичната история на въглерода в биосферата е изключително голямо, тъй като той е част от всички живи организми. В живите организми преобладават редуцирани форми на въглерод, а в околната среда на биосферата преобладават окислени форми. Така се установява химическият обмен на жизнения цикъл: CO 2 ↔ жива материя.
Източникът на първичен въглероден диоксид в биосферата е вулканичната дейност, свързана с вековното дегазиране на мантията и долните хоризонти на земната кора. Част от този въглероден диоксид възниква по време на термичното разлагане на древни варовици в различни метаморфни зони. Миграцията на CO 2 в биосферата се осъществява по два начина.
Първият метод се изразява в абсорбцията на CO 2 по време на фотосинтеза с образуването на органични вещества и последващо погребване в благоприятни редуциращи условия в литосферата под формата на торф, въглища, нефт и нефтени шисти. Според втория метод въглеродната миграция води до създаването на карбонатна система в хидросферата, където CO 2 се превръща в H 2 CO 3, HCO 3 -1, CO 3 -2. След това, с участието на калций (по-рядко магнезий и желязо), карбонатите се отлагат по биогенни и абиогенни пътища. Появяват се дебели слоеве от варовик и доломит. Според A.B. Ронов, съотношението на органичния въглерод (Corg) към карбонатния въглерод (Ccarb) в историята на биосферата е било 1:4.
Наред с глобалния въглероден цикъл има и редица малки въглеродни цикли. И така, на сушата зелените растения абсорбират CO 2 за процеса на фотосинтеза през деня, а през нощта го отделят в атмосферата. Със смъртта на живите организми на земната повърхност настъпва окисление на органични вещества (с участието на микроорганизми) с отделянето на CO 2 в атмосферата. През последните десетилетия специално място в цикъла на въглерода заема масовото изгаряне на изкопаеми горива и увеличаването на съдържанието му в съвременната атмосфера.
Въглероден цикъл в географската обвивка (по Ф. Рамад, 1981 г.)
Аргон- третият най-разпространен атмосферен газ, което рязко го отличава от изключително рядко разпространените други инертни газове. Въпреки това аргонът в своята геоложка история споделя съдбата на тези газове, които се характеризират с две характеристики:
- необратимостта на тяхното натрупване в атмосферата;
- тясна връзка с радиоактивното разпадане на някои нестабилни изотопи.
Инертните газове са извън цикъла на повечето циклични елементи в биосферата на Земята.
Всички инертни газове могат да бъдат разделени на първични и радиогенни. Първичните включват тези, които са били заловени от Земята по време на периода на нейното формиране. Те са изключително редки. Основната част на аргона е представена главно от изотопите 36 Ar и 38 Ar, докато атмосферният аргон се състои изцяло от изотопа 40 Ar (99,6%), който несъмнено е радиогенен. В скалите, съдържащи калий, натрупването на радиогенен аргон е настъпило и продължава да се случва поради разпадането на калий-40 чрез улавяне на електрони: 40 K + e → 40 Ar.
Следователно съдържанието на аргон в скалите се определя от тяхната възраст и количеството калий. До тази степен концентрацията на хелий в скалите е функция на тяхната възраст и съдържание на торий и уран. Аргонът и хелият се отделят в атмосферата от недрата на земята по време на вулканични изригвания, през пукнатини в земната кора под формата на газови струи, а също и при изветряне на скалите. Според изчисленията, извършени от P. Dimon и J. Culp, хелият и аргонът в съвременната епоха се натрупват в земната кора и навлизат в атмосферата в относително малки количества. Скоростта на навлизане на тези радиогенни газове е толкова ниска, че по време на геоложката история на Земята не може да осигури наблюдаваното им съдържание в съвременната атмосфера. Следователно остава да се приеме, че по-голямата част от аргона в атмосферата идва от вътрешността на Земята в най-ранните етапи от нейното развитие и много по-малко е добавено впоследствие по време на процеса на вулканизъм и по време на изветрянето на калий-съдържащите скали .
По този начин, през геоложкото време, хелият и аргонът са имали различни процеси на миграция. В атмосферата има много малко хелий (около 5 * 10 -4%), а „дишането на хелий“ на Земята беше по-леко, тъй като той, като най-лекият газ, се изпари в открития космос. И „аргоновото дишане“ беше тежко и аргонът остана в границите на нашата планета. Повечето от първичните благородни газове, като неон и ксенон, са свързани с първичен неон, уловен от Земята по време на нейното формиране, както и с освобождаване по време на дегазиране на мантията в атмосферата. Целият набор от данни за геохимията на благородните газове показва, че първичната атмосфера на Земята е възникнала в най-ранните етапи от нейното развитие.
Атмосферата съдържа водна параИ водав течно и твърдо състояние. Водата в атмосферата е важен акумулатор на топлина.
Долните слоеве на атмосферата съдържат голямо количество минерален и техногенен прах и аерозоли, продукти от горенето, соли, спори и полени и др.
До височина 100-120 км, поради пълно смесване на въздуха, съставът на атмосферата е хомогенен. Съотношението между азот и кислород е постоянно. Отгоре преобладават инертни газове, водород и др.В ниските слоеве на атмосферата има водни пари. С отдалечаване от земята съдържанието му намалява. По-високо се променя съотношението на газовете, например на надморска височина 200-800 км кислородът преобладава над азота 10-100 пъти.
Азот- основният елемент на земната атмосфера. Основната му роля е да регулира скоростта на окисление чрез разреждане на кислорода. По този начин азотът влияе върху скоростта и интензивността на биологичните процеси.
Има два взаимно свързани начина за извличане на азот от атмосферата:
- 1) неорганични,
- 2) биохимичен.
Фигура 1. Геохимичен азотен цикъл (V.A. Vronsky, G.V. Voitkevich)
Извличане на неорганичен азот от атмосферата
В атмосферата под въздействието на електрически разряди (по време на гръмотевична буря) или в процеса на фотохимични реакции (слънчева радиация) се образуват азотни съединения (N 2 O, N 2 O 5, NO 2, NH 3 и др.) . Тези съединения, разтваряйки се в дъждовна вода, падат на земята заедно с валежите, попадайки в почвата и водата.
Биологична азотна фиксация
Биологичното фиксиране на атмосферния азот се извършва:
- - в почвата - нодулни бактерии в симбиоза с висши растения,
- - във вода - планктонни микроорганизми и водорасли.
Количеството на биологично свързания азот е значително по-голямо от това на неорганично фиксирания азот.
Как азотът се връща обратно в атмосферата?
Останките от живи организми се разлагат в резултат на действието на множество микроорганизми. По време на този процес азотът, който е част от протеините на организмите, претърпява редица трансформации:
- - по време на разграждането на протеините се образува амоняк и неговите производни, които след това навлизат във въздуха и водата на океаните,
- - впоследствие амонякът и други азотсъдържащи органични съединения под въздействието на бактерии Nitrosomonas и nitrobacteria образуват различни азотни оксиди (N 2 O, NO, N 2 O 3 и N 2 O 5). Този процес се нарича нитрификация,
- - Азотната киселина реагира с металите, за да образува соли. Тези соли се повлияват от денитрифициращи бактерии,
- - в ход денитрификацияобразува се елементарен азот и се връща обратно в атмосферата (пример са подземни газови струи, състоящи се от чист N2).
Къде се намира азотът?
Азотът навлиза в атмосферата по време на вулканични изригвания под формата на амоняк. Веднъж попаднал в горните слоеве на атмосферата, амонякът (NH3) се окислява и освобождава азот (N2).
Азотът също е заровен в седиментни скали и се намира в големи количества в битуминозни утайки. Но този азот също навлиза в атмосферата чрез регионален метаморфизъм на тези скали.
- По този начин основната форма на присъствие на азот на повърхността на нашата планета е молекулярният азот (N 2) в земната атмосфера.
Поне атмосферният дължи произхода си не толкова на Слънцето, колкото на жизнените процеси. Прави впечатление несъответствието между съдържанието на елемент № 7 в литосферата (0,01%) и в атмосферата (75,6% по маса или 78,09% по обем). Като цяло живеем в азотна атмосфера, умерено обогатена с кислород.
Междувременно нито на други планети от Слънчевата система, нито в състава на комети или други студени космически обекти не са намерени свободни. Има негови съединения и радикали - CN*, NH*, NH*2, NH*3, но няма азот. Вярно е, че в атмосферата на Венера са регистрирани около 2% азот, но тази цифра все още изисква потвърждение.
Смята се, че елемент 7 не е присъствал в първичната атмосфера на Земята. Откъде тогава идва във въздуха? Очевидно атмосферата на нашата планета първоначално се е състояла от летливи вещества, образувани в недрата на земята: H2, H2O, CO2, CH4, NH3. Свободен, ако излезе като продукт на вулканична дейност, той се превърна в амоняк. Условията за това бяха най-подходящи: излишък на водород, повишени температури - повърхността на Земята все още не беше охладена. И така, какво означава, че азотът първо е присъствал в атмосферата под формата на амоняк? Явно е така. Да си припомним това обстоятелство.
Но тогава възниква животът... Владимир Иванович Вернадски твърди, че „газовата обвивка на земята, нашият въздух, е сътворението на живота“. Животът е този, който стартира най-удивителния механизъм на фотосинтезата. Един от крайните продукти на този процес - свободен - започна активно да се комбинира с амоняк, освобождавайки молекулярен азот:
фотосинтеза
СО2 + 2H2O → НСО + НаО + О2;
4NH3 + 3O2 → 2N2 + 6H2O
А азотът, както е известно, не реагира един с друг при нормални условия, което позволи на земния въздух да поддържа състава на „статуквото“. Имайте предвид, че значителна част от амоняка може да се е разтворила във вода по време на образуването на хидросферата.
В наши дни основният източник на N2, навлизащ в атмосферата, са вулканичните газове.
Ако прекъснете тройната връзка...
След като унищожи неизчерпаемите запаси от свързан активен азот, живата природа се изправи пред проблема как да свърже азота, който в свободно молекулярно състояние се оказа много инертен. Причината за това е неговата тройна молекула: N≡ Н.
Обикновено връзките от тази множественост са нестабилни. Нека си спомним класическия пример за ацетилен: NS≡ SN. Тройната връзка на неговата молекула е много крехка, което обяснява невероятната химическа активност на този газ. Но тук азотът има ясна аномалия: неговата тройна връзка образува най-стабилната от всички известни двуатомни молекули. Необходими са огромни усилия, за да се разруши тази връзка. Например, промишленият синтез на амоняк изисква налягане над 200 atm и температура над 500 ° C и дори задължително наличие на катализатори... Решавайки проблема с фиксирането на азота, природата трябваше да установи непрекъснато производство на азотни съединения по метода на гръмотевична буря.
Статистиката казва, че повече от три милиарда мълнии падат в атмосферата на нашата планета всяка година. Мощността на отделните изхвърляния достига 200 милиона киловата, а въздухът се нагрява (разбира се локално) до 20 хиляди градуса. При такава чудовищна температура молекулите на кислорода и азота се разпадат на атоми, които, лесно реагирайки един с друг, образуват крехък азотен оксид:
N2 + O2 → 2NO
Благодарение на бързото охлаждане (удар от мълния продължава десет хилядна от секундата), азотният оксид не се разпада и свободно се окислява от атмосферния кислород до по-стабилен диоксид
2NO + O2 → 2NO2.
В присъствието на атмосферна влага и дъждовни капки, азотният диоксид се превръща в азотна киселина:
3NO2 + H2O → 2HNO3 + NO
И така, попаднали в нова гръмотевична буря, получаваме възможност да плуваме в слаб разтвор на азотна киселина. Прониквайки в почвата, атмосферната вода образува различни естествени торове със своите вещества.
Азотът също се фиксира в атмосферата чрез фотохимични средства: абсорбирайки квант светлина, молекулата N2 преминава във възбудено, активирано състояние и става способна да се комбинира с кислорода.
Азотът е умерено активен елемент, който слабо реагира с природни неорганични съединения. Следователно има голяма вероятност първичната атмосфера да е съдържала значително количество от този газ. В този случай значителна част от азота в съвременната атмосфера е реликт, запазен от образуването на Земята преди около 4,6 милиарда години, въпреки че друга част от него може да е била дегазирана от мантията още на геоложкия етап на развитие. на нашата планета. Трябва да се има предвид, че с появата на живот на Земята преди около 4,0-3,8 милиарда години, този газ е бил постоянно свързан в органична материя и заровен в океански седименти, а след като животът е достигнал сушата (преди около 400 милиона години) - и в континентални седименти. Следователно жизнената дейност на организмите през дълъг период от развитието на земния живот може значително да намали парциалното налягане на азота в земната атмосфера, като по този начин промени климата на Земята. При изчисляване на ефекта от абсорбцията на азот е необходимо да се вземе предвид, че органичният азот (Norg) от океанските седименти, заедно със седиментите, постоянно се отстранява от океаните през зони на струпване на океанската кора в архея или през зони на субдукция на плоча през протерозоя и фанерозоя. След това той частично се включва в гранитно-метаморфните скали на континенталната кора или отива в мантията, но отново частично се дегазира и отново навлиза в атмосферата.
В допълнение към биогенния процес на фиксиране на атмосферния азот, изглежда има доста ефективен абиогенен механизъм от същото естество. Така, според изчисленията на Y. Jung и M. McElroy (Yung, McElroy, 1979), фиксирането на азот в почвите може да се случи по време на гръмотевични бури поради образуването на азотна и азотна киселина по време на електрически разряди във влажен въздух.
Трудно е, но е възможно да се оцени количеството азот, отстранен от атмосферата. Съдържанието на азот в седиментните скали обикновено е пряко свързано с концентрацията на органичен въглерод, заровен в тях. Следователно, очевидно е възможно да се оцени количеството азот, заровен в океанските утайки, въз основа на данни за масата на органичния въглерод Corg, заровен в тях. За да направите това, трябва само да определите коефициента на пропорционалност между Horg и Corg. В дънните седименти на открития океан Corg: Norg: Porg е приблизително равен на 106: 20: 0,91 (Lisitsyn, Vinogradov, 1982), но до 80% от азота бързо напуска органичната материя, така че съотношението Corg: Norg в валежи може да нарасне до 1:0,04. Според G. Faure (1989) това съотношение във валежите е приблизително 1:0,05. Да предположим, според данните на A. B. Ronov и A. A. Yaroshevsky (1978, 1993), че около (2,7-2,86) × 10 21 g Corg се съхранява в океанските седименти (пелагиални плюс шелфове), а в седиментите на континентите - около (9.2-8.09) × 10 21 g C орг. Следвайки G. Faure, ние приехме стойностите на съотношенията Corg:Norg да бъдат близки до 20:1, тогава съдържанието на Horg в седиментите на океанското дъно и рафтовете е приблизително равно на 1,36 × 10 20 g, а в континенталните седименти - 5,0 × 10 20
Като първо приближение ще приемем, че развитието на живота в океана е ограничено от съдържанието на разтворен фосфор в океанските води и концентрацията му се е променила леко с течение на времето (Schopf, 1982). От това следва, че биомасата на океана винаги е оставала приблизително пропорционална на масата на водата в самия океан. Еволюцията на водната маса в Световния океан беше обсъдена на фиг. 112, крива 2). Като се вземе предвид направеното предположение за пропорционалността на биомасата в океаните - масата на самите океански води, е възможно приблизително да се вземе предвид отстраняването на Norg заедно с океанските седименти през зоните на струпване и субдукция на литосферните плочи по време на геоложкото развитие на Земята. Съответните изчисления (Сорохтин, Ушаков, 1998) показват, че по време на геоложкото развитие на Земята (т.е. през последните 3,8-4 милиарда години), благодарение на разглеждания процес, около 19,2 × 10 20 g азот е бил отстранен от Земята. атмосфера. Към това количество азот трябва да добавим още една маса Norg ≈ 5,0 × 10 20 g, запазена в утайките на континентите и натрупана там за период от около 400 милиона години. Така общо през живота на Земята приблизително 24,2 × 10 20 g азот са били отстранени от нейната атмосфера, което е еквивалентно на намаляване на атмосферното налягане с 474 mbar (за сравнение, парциалното налягане на азота в съвременния атмосферата е 765 mbar).
Нека разгледаме два крайни случая. Първо, нека приемем, че дегазирането на азот от мантията изобщо не е настъпило, тогава можем да определим първоначалното ефективно налягане на земната атмосфера в катархеите (т.е. в интервала от 4,6-4,0 милиарда години). Оказва се, че е приблизително 1,23 бара (1,21 атм).
Във втория случай ще приемем, както беше направено в (Сорохтин и Ушаков, 1991), че почти целият атмосферен азот е бил дегазиран от мантията през последните 4 милиарда години. Изчисляването на процеса на дегазиране на азот от мантията е извършено с помощта на изрази (29) и (30), като се вземе предвид фактът, че атмосферата в момента съдържа 3,87 × 10 21 g азот, в скали и седименти съдържанието му достига 3,42 × 10 20 g, а в мантията на азота е приблизително 4,07 × 10 21 g (Сорохтин, Ушаков, 1998). Индексът на подвижност на азота не трябва да се променя с течение на времето и е приблизително равен на χ(N 2) ≈ 0,934. След изчисляване на натрупването на азот във външните геосфери на Земята бяха направени корекции на получените резултати за абсорбцията на този газ в органичната материя и заравянето му в скали и седименти. Останалата част характеризира еволюцията на масата на азота в земната атмосфера при условие на пълното му дегазиране от мантията.
След това и за двата варианта бяха изчислени кривите на еволюцията на парциалното налягане на азота в земната атмосфера (фиг. 117, криви 1 и 3). Реалната картина на промените в това налягане тогава би трябвало да съответства на някаква междинна крива, чиято позиция може да бъде определена само чрез извличане на допълнителна информация за климата на Земята, съществувал в минали геоложки епохи. Такава отправна точка може да бъде например информацията за развитието на най-амбициозното заледяване на континентите в ранния протерозой, преди около 2,5-2,3 милиарда години. Както беше показано в гл. 8, тогава континенталните масиви са били разположени на ниски географски ширини (виж фиг. 98), но в същото време са стояли високо над нивото на океана (със средни височини около 4-3 km). Следователно появата на такова заледяване може да възникне само ако средната температура на земната повърхност на морското равнище не надвишава +6 ... +7 °C, т.е. беше приблизително 280 K.
Фигура 117.
1 - според хипотезата за първичността на азотната атмосфера; 2 - приет вариант; 3 - според хипотезата за дегазация на азотната атмосфера от мантията.
Фигура 98.
1 - тилити и тилоиди; 2—консолидирана континентална кора; стрелките на канадския щит показват идентифицираните посоки на ледниково засенчване; бяло - зона на заледяване. Av - Австралия; NAm и YuAm - Северна и Южна Америка; An – Антарктика; ZAf - Западна Африка; Аф - Африка; Ev - Европа; В Индия; К - Северен и Южен Китай; Съб - Сибир.
По-долу ще бъде показано, че в ранния протерозой атмосферата практически се състои само от азот с малко добавяне на аргон, докато парциалните налягания на кислорода и въглеродния диоксид не надвишават съответно 10 -6 и 10 -2 atm, а слънчевата константата е S = 1.14 × 106 erg/cm 2 ×s. Приемайки T s ≈ 280 K ≈ 7 °C за тази студена ера, ние, съгласно адиабатната теория на парниковия ефект, изложена по-долу, установихме, че налягането на азотната атмосфера по това време е приблизително равно на p N 2 = 1,09 atm, докато според хипотезата за първичността атмосферата на азот в този момент трябва да е p N 2 ≈ 1,19 atm, а според хипотезата за азот, напълно дегазиран от мантията, p N 2 ≈ 0,99 atm. От това може да се види, че азотът на съвременната атмосфера се състои от приблизително 54% реликтов газ и само 46% се дегазира от мантията, а най-вероятният модел на еволюция на налягането на азота в земната атмосфера е показан на фиг. 117, крива 2.
