Эволюция атмосферы

Еще в догеологическое время, в фазу расплавления внешней сферы земного шара (а возможно, и более глубоких его горизонтов), огромные массы выделявшихся газов образовали первичную атмосферу Земли. Основными компонентами выделявшихся из недр Земли газов, как и у других планет - Марса и Венеры, - были углекислый газ и водяной пар; другие компоненты присутствовали только в виде следов. Так что состав первичной атмосферы Земли, образовавшейся за счет выделения газов и воды при расплавлении планетного вещества, был аналогичен составу летучих компонентов при современных вулканических извержениях. По данным А.С. Монина, газы, выделяющиеся из современных вулканов, содержат преимущественно водяной пар. В составе газов базальтовых лав гавайских вулканов с температурами до 1200° С водяной пар составляет 70--80% по объему. В фумарольных газах Курильских островов с температурами около 100° С содержится 79,7% водяного пара. Вторым по значению компонентом, составляющим атмосферу, является углекислый газ. В газах из лав его находится от 6 до 15%. При температурах 800--1000°С из лав отгоняются кроме водяного пара преимущественно «кислые дымы» -- НСl и HF, при температуре 500° С -- сера и ее соединения -- H2S, SO2 и др., а при более низких температурах -- борная кислота и соли аммония. Представляется, что парциальное давление водяного пара ранней атмосферы Земли в несколько раз превышало парциальное давление углекислого газа. Другими словами, атмосфера состояла главным образом из водяного пара с существенной примесью углекислого газа.

Таким образом, в фазу расплавления внешней сферы земного шара практически вся гидросфера находилась в составе атмосферы. Такую своеобразную атмосферу, состоящую в основном из пара воды, Дж. Уолкер назвал «примитивной паровой атмосферой».

Имеются все основания полагать, что в фазу расплавления внешней сферы земного шара выделившийся водяной пар, охлаждаясь на большой высоте, образовывал густой облачный покров и интенсивные дождевые осадки. Однако падающие из облаков капли воды на некоторой высоте над поверхностью планеты, где температура воздуха была выше 100°С, превращались в пар, который снова поднимался вверх. Над раскаленной поверхностью Земли функционировал своеобразный круговорот воды: пар -- дождевые осадки -- пар и т. д.

Этот круговорот воды в природе, локализованный в первичной атмосфере Земли вблизи температурного уровня 100° С, практически не оказывал влияния на общий ход эволюции планеты и на развитие ее поверхности. Но он был зародышем того могучего круговорота воды на Земле, который сформировался позже и имел огромное влияние на развитие планеты в целом, а особенно ее природной среды.

После охлаждения земной поверхности до температуры ниже 100° С произошел переход атмосферного водяного пара в жидкую воду. На сухой и очень горячей тогда земной поверхности образовался сток, заложилась речная сеть и возникли водоемы. Земная поверхность стала сильно обводненной и начала подвергаться интенсивному воздействию водных потоков. С этого рубежа и начинается геологическая история.

Изменения температурных условий на Земле, а вслед за этим и всей природной обстановки не могли не отразиться и на атмосфере. Изъятие из атмосферы огромного количества воды и образование поверхностного стока и водоемов оказали огромное влияние на состав и эволюцию воздушной среды. Из водной атмосферы она превратилась в основном в углекислую, в которой водяной пар из господствующего компонента превратился во второстепенный, хотя и важный.

Образование на земной поверхности крупных водоемов оказало воздействие на дальнейшую эволюцию атмосферы. В ней началось быстрое уменьшение содержания углекислого газа. СО2 легко растворяется в воде, и преобладающая его часть была поглощена ею. Об этом мы можем с достаточным основанием судить по современным условиям. В настоящее время между атмосферным углекислым газом и растворенным в океанах в условиях равновесного состояния их между собой в океанических водах находится в 60 раз больше углекислого газа, чем его имеется в атмосфере. Если же учесть способность углекислого газа легко переходить из водной среды в формирующиеся толщи осадков, то его содержание в водах океана будет все время уменьшаться, а соответственно будет падать величина парциального давления растворенного газа. Результатом возрастающего неравновесия между парциальным давлением углекислого газа в водной среде и в атмосфере должен явиться переход СО2 из воздушной среды в водную. Это уменьшение содержания углекислого газа в атмосфере должно было продолжаться до тех пор, пока вновь не восстанавливалось равновесие газа в обеих средах. Из только что сказанного следует, что к началу геологической истории состав атмосферы и ее другие параметры сильно изменились. Воздушная среда не только утратила почти всю воду, находившуюся в ней в виде пара, но в ней осталось мало и СО2. Во много раз уменьшилось и ее давление.

К этому времени и природные условия на Земле резко изменились. Природная среда на нашей планете стала непохожей на ту, что была на других планетах и что была у нее в ранние фазы истории.

Дальнейшая эволюция атмосферы связана главным образом с появлением и развитием органического мира, прежде всего растительности.

Эволюция гидросферы.

Гидросфера - водная оболочка Земли, включающая химически не связанную воду независимо от ее состояния: жидкую, твердую, газообразную.

Земля - самая водная планета Солнечной системы: более 70% ее поверхности покрыто водами Мирового океана.

Вероятно, гидросфера образовалась одновременно с литосферой и атмосферой в результате остывания и дегазации вещества мантии. Химически связанная вода была уже в веществе холодного газово-пылевого протопланетного облака. Под влиянием глубинного тепла Земли она выделялась и перемещалась к поверхности Земли. Первичный океан, возможно, покрывал почти всю Землю, но не был глубоким. Океаническая вода, вероятно, была теплой, высоко минерализованной. Океан углублялся, а площадь его сокращалась. С поверхности Океана испарялась влага, выпадали обильные дожди.

Пресная вода на суше - результат прохождения океанской воды через атмосферу. Выделение воды из магмы продолжается до настоящего времени. При извержении вулканов выделяется в среднем за год 1,3108т воды. Термальные источники и фумаролы выносят 108 т.

Если допустить, что поступление воды из мантии в литосферу и на ее поверхность было равномерным и составляло в год на 1 см2 поверхности планеты всего 0,00011г, то и этого достаточно, чтобы за время существования Земли образовалась гидросфера.

Предполагают также поступления воды из космоса в результате падения на Землю ледяных ядер комет, но ее количество в этом случае невелико.

Гидросфера также теряет воду с испарением ее в Космос, где под действием у/ф лучей H2O распадается на H2 и O2.

В современной постановке проблемы образования гидросферы необходимо предложить согласованное объяснение, как минимум, трех вопросов: 1) причин происхождения Мирового океана, 2) увеличения в нем со временем общей массы воды и 3) цикличности резких колебаний уровня океана в истории планеты.

Ответить на эти вопросы, исходя из идеи [127-129], что гидросфера появилась вследствие дегазации глубинного вещества планеты и подъема летучих элементов на земную поверхность, весьма затруднительно. Нет ясности даже, как этот процесс происходил и как он менялся со временем. Одни полагают [130], что основная масса воды поступила на поверхность в первый миллиард лет после образования Земли, другие [122] – что этот рост произошел резким скачком на рубеже палеозоя и мезозоя, а третьи [131, 132] – что вода накапливалась более или менее равномерно.

Согласно галактоцентрической парадигме, масса воды в Мировом океане и колебания его уровня являлись следствием падений на Землю комет и астероидов, происходивших на фоне остывания нашей планеты после мощных галактических воздействий. Количество свободной воды на земной поверхности при этом сильно менялось. В архее и протерозое эпохи существования океана сменялись периодами его обмеления и даже высыхания. Поэтому взаимоисключающие мнения о большом или малом объеме воды относятся лишь к разным отрезкам этого весьма продолжительного интервала времени.

В истории образования и эволюции гидросферы можно выделить 4 этапа [133].

Архей. Данный эон отмечен очень интенсивным падением на Землю крупных космических тел. Вызванные их ударами процессы кратонизации и вулканизма носили повсеместный и мощный характер [101]. В этот период были широко распространены процессы излияния магмы и гидратации пород земной коры, которые резко снижали время существования в литосфере свободной воды (t 1 < t 2 << t 3). Пока время t 1 оставалось меньше периода цикличности кометных бомбардировок (t 1 < Т), вода на поверхности Земли, вероятно, могла существовать лишь в эпохи падения комет.

Примерно 4? 3.8 млрд. лет назад приземные температуры падают, и время t 1 вырастает настолько, что возникают благоприятные условия для накопления воды на земной поверхности (t 1? Т, t 1 > t 2). Имеющиеся данные свидетельствуют, что воды сначала было немного. И она главным образом скапливалась в сравнительно узких (~ 10 км) и протяженных (~ n? 100 км) бассейнах, которые обрамляли соседние кратоны и служили местом сноса осадков. Глубина водоемов могла достигать 1.5? 2.0 км. Температура воды в морских бассейнах составляла ~ 70 о С, а воздуха 70? 100 о С [134].

Основная масса воды в архее, как мы полагаем, должна была входить в состав магматических расплавов и в случае t 2 > t 3 участвовать в вулканических процессах, а в случае t 2 < t 3 связываться в минералах при гидратации пород.

Протерозой. О поведении гидросферы в протерозое можно высказаться с большей определенностью, несмотря на сильную изменчивость и сложность ее режимов. В протерозое выделим два основных режима: существенно «водный» и «безводный».

Для первого режима, которому на рис. 13 г отвечают периоды утяжеления карбонатного углерода, было свойственно присутствие на поверхности достаточно больших количеств воды (t 1? t 2). Данный режим инициировался массовыми падениями на Землю крупных астероидов. Вследствие чего часть связанной до того в породах воды переходила в подвижное состояние и поступала в океан. Одновременно, из-за формирования облачного слоя, экранировавшего лучи Солнца, приземные температуры настолько снижались, и могли даже возникать покровные оледенения [135]. Судя по бурному расцвету в то время на Земле биоты [70, 71], эти условия были для нее достаточно комфортными.

Второй режим функционирования гидросферы, наоборот, отличали высокие температуры и почти полное высыхание водоемов (t 1? t 2). Судить об этом режиме позволяют данные, касающиеся условий формирования месторождений железистых кварцитов (джеспилитов). В развитие гипотезы [136] мы полагаем, что эти руды возникли из материала астероидов, выпадавших в очень большом количестве (~ 10 23 г) на Землю после очередных взаимодействий Солнца со звездами.

Поскольку ~ 90% астероидов имеют оливин-пироксеновый состав [137], т.е. в пропорции 1:3 состоят из окислов железа и кремния, эти окислы в том же соотношении поступали в морские акватории. Крупные месторождения джеспилитов формировались в мелководных бассейнах за счет сноса в них продуктов выветривания пород суши и перехода большого количества железа и кремнезема в коллоидном виде в раствор [138]. Рудообразование, как правило, происходило в спокойной тектонической обстановке за время ~ 10 6 лет. Полосчатая структура руд возникала при взаимной коагуляции в самом растворе гелей окисленного железа и кремнезема [139]. В период интенсивной коагуляции температура вод составляла ~ 100 ° С [140]. Воды были пресными [74], парциальное давление кислорода в них низкое < 0.2 атм. Величина рН воды не превышала 2? 6 [141, 142]. На завершающем этапе состав воды менялся. На стадии диагенеза, нередко связанной с высыханием водоема, вещество нагревалось до 150 ° С и выше [138].

Тем самым, в протерозое режим гидросферы неоднократно менялся. Эпохи заполнения морских бассейнов водой и расцвета жизни (t 1? t 2) сменялись на Земле длительными периодами высыхания водоемов и угнетения живых существ (t 1? t 2), когда доля биогенного углерода в осадках снижалась почти до нуля (см. рис. 13).

Палеозой и мезозой. В отличие от архея (? 1 < t 2 << t 3 ~ Т) и протерозоя (t 1» t 2 > Т), к началу фанерозоя литосфера планеты остывает настолько, что большая часть воды постоянно остается на земной поверхности (t 1 > t 2, t 3 > > t 1), пополняя Мировой океан.

Решение системы уравнений (3) для этих условий при упрощенной постановке задачи следующее [133]. П осле каждой кометной бомбардировки большая часть кометной воды стекает в Мировой океан, откуда с характерным временем t ~ 2 млн. лет проникает в подземную гидросферу. Через ~ 10 млн. лет система приходит в равновесие. В этом состоянии большая часть (2/3Q 0) поступившей воды остается на поверхности Земли, а меньшая (1/3Q 0) оказывается под поверхностью.

Интенсивность кометных бомбардировок в истории Земли сильно варьировала. В частности, на границах ордовика и триаса на нашу планету падало значительно большее число комет, чем в другие эпохи. Поступавшая с кометами вода вызывала сильный размыв пород земной поверхности. Однако накапливалась она не в Мировом океане, а преимущественно в подземной гидросфере, где входила в состав магматических расплавов. С данным обстоятельством, вероятно, можно связать высокую тектономагматическую активность Земли в ордовике и триасе, а также малое количество биогенного углерода, сохранившегося в осадочных породах того времени (см. рис. 24).

Последующее перераспределение воды между подземной гидросферой и Мировым океаном в ордовике происходило, по-видимому, быстрее, чем в триасе. В последнем случае оно заняло десятки миллионов лет, вызвав сильнейшую трансгрессию в юре и мелу [123]. По некоторым оценкам уровень вод Мирового океана тогда увеличился вдвое. Столь большая прибавка воды и продолжительность ее поступления в океан, на наш взгляд, указывают на выделение этой воды при дегидратации пород земной коры.

Кайнозой. В отличие от более ранних эпох, режим круговорота вод гидросферы в кайнозое носил достаточно стабильный характер. Сопоставление наших расчетов с надежными эмпирическими данными по скорости роста средней глубины Мирового океана [143] приводит к выводу, что в кайнозое уровень океана возрастал, главным образом, не за счет поступления новой кометной воды, а вследствие процессов дегидратации, вызванных нагревом пород литосферы под действием падений комет. Данный вывод, в частности, подтверждается современной скоростью дегидратации пород земной коры [144], хорошо согласующейся с увеличением глубины Мирового океана.

И, наконец, еще один полезный расчет. Полагая, что в истории Земли падения комет случались с той же регулярностью, как в фанерозое, масса кометной воды, поступившей с момента образования нашей планеты (4.6 млрд. лет), составит ~ 10 24 г. Данная величина сопоставима с массой вод современной гидросферы. Поэтому периодические бомбардировки Солнечной системы галактическими кометами необходимо рассматривать как основной поставщик свободной воды на Землю, Марс, Луну и другие планеты.

Эволюция биосферы

До начала геологической истории, т. е. до того времени, когда температура земной поверхности и приземного слоя воздуха оставалась выше 100° С, жизнь на Земле зародиться и существовать не могла. Но когда температура стала ниже 100° С, произошло сильное обводнение поверхности и тем самым создалась обстановка, благоприятная для зарождения жизни.

Воду в космосе всегда считали и продолжают считать необходимым условием зарождения жизни. С наличием воды на Марсе, установленным на основе наземного телескопического спектрального анализа, связывалась вера в существование жизни на этой планете.

Процесс зарождения живого вещества из неживой материи чрезвычайно сложен, и мы не ставим перед собой задачу рассмотреть его. О нем говорится в основополагающем труде А.И. Опарина о зарождении жизни. Для нас важен сам факт зарождения жизни, время, когда это произошло, условия и роль биосферы в формировании глобального природного комплекса -- географической оболочки.

Органический мир получает солнечную энергию не только в процессе фотосинтеза. Как показал А. Л. Чижевский, любые бактерии, даже любая клетка живого организма поглощают солнечную радиацию и трансформиуют ее в другие виды биохимической энергии, на основе которой они и развиваются. Этот процесс до сих пор изучается, хотя достоверность факта непосредственного поглощения клетками живого организма солнечной энергии не вызывает сомнения.

Эволюция химических соединений, приведшая к зарождению жизни, началась тоже с появления на Земле масс жидкой воды, т. е. с ранней геологической истории. Эта начальная фаза датируется разными исследователями неодинаково, расхождения составляют сотни миллионов лет. Точно так же по-разному оценивается продолжительность действия направленного процесса образования организмов.

На основании фактов, изложенных выше, можно предположить, что время образования предбиологических систем (коацерватов) продолжалось около 1 млрд. лет. Самые ранние остатки живых организмов возрастом 3,1 млрд. лет обнаружены в сланцах Трансвааля в Южной Африке. Это бактериоподобные образования размером 0,56х0,24 мкм. В более поздних отложениях (1,9 млрд. лет) в районе озера Онтарио, где залегают черные сланцы, были найдены остатки многих видов ископаемых растений: от разнообразных одноклеточных до нитчатых форм. Многие из них напоминали современные сине-зеленые водоросли.

Обнаруженные в Южной Австралии ископаемые остатки, датируемые 0,9--1,0 млрд. лет назад, т. е. -- приблизительно конец среднего протерозоя, -- относятся к весьма разнообразным организмам. Среди них отпечатки 13 видов медузообразных кишечнополостных, несколько видов организмов, близких восьмилучевым кораллам, некоторые виды червей и животных, не похожих на формы более позднего времени. Можно сказать, что еще задолго до кембрия жизнь на Земле была весьма многообразной. Уже существовал биотический круговорот вещества и энергии. В результате активного синтеза образовалось много кислорода, за счет которого в верхней атмосфере появился озон -- защитный экран от проникновения на земную поверхность волн ультрафиолетовой радиации короче 2900 А. При фотосинтезе из атмосферы было извлечено много углекислого газа.

Палеозойская эра -- это время древней жизни. Суша в начале палеозоя представляла собой голую пустыню, лишенную как растительных, так и животных организмов. Лишь на прибрежных камнях встречались пленки водорослей и подушки растений, похожих на мох. В море же обильно развивались сине-зеленые и красные водоросли, а также представители почти всех типов животных. Среди них господствующее положение занимали первые членистоногие -- трилобиты.

В силуре наряду с обогащением моря организмами происходит массовое заселение суши растениями. В развитии биосферы выход растений на сушу -- настоящая революция!

В девоне продолжалось распространение растений на суше; население моря в общем сохранило свои особенности от прежнего времени.

Карбон известен как период необычайного развития наземной растительности в условиях жаркого влажного климата, трансгрессий и регрессий эпиконтинентальных морей. Такие условия способствовали произрастанию огромных древовидных плаунов, хвощей, папоротников и отложению их в прибрежных осадках.

В карбоне и перми южные материки -- Африка, Южная Америка, часть Азии с полуостровом Индостан -- на значительной площади испытали покровное оледенение.

Мезозойская эра, время «средней» жизни, характеризуется дальнейшим развитием растительного и животного мира как на суше, так и на море.

В триасе произошло взрывное развитие пресмыкающихся и началось массовое распространение рептилий -- динозавров, черепах, древних крокодилов, ихтиозавров. В конце периода появились первые млекопитающие.

Итак, начиная с древнейших времен до современной эпохи шло непрерывное развитие биосферы -- увеличение разнообразия живых форм и усложнение их организации. Жизнь, зародившись в море, захватила и сушу. В результате жизнедеятельности организмов происходило существенное преобразование и среды, что в свою очередь влияло на развитие живого вещества. Как указывалось М. М. Камшиловым, жизнь возникла в форме биотического круговорота, основанного на взаимодействии синтетиков и деструкторов. Извлекая из окружения средства существова-ния, жизнь изменяет среду своего существования, а следовательно, должна изменяться и сама. Некоторые вещества на длительное время исключались из биотического круговорота. Это -- огромные залежи известняков, каменного угля, нефти, железных, марганцевых и медных руд и другие скопления. Биотический круговорот определяется как составная часть климатического круговорота вещества и энергии планеты. Живое вещество воздействует на все другие компоненты природной среды.

Зеленые растения (высшие зеленые растения, водоросли) и фотосинтезирующие бактерии путем фотосинтеза поглощали из воздушной среды углекислый газ и воду, а выделяли из нее кислород.

Таким образом, в процессе фотосинтеза атмосфера обогащается кислородом и теряет углекислый газ.

В современную эпоху сильное влияние на состав, а следовательно, и свойства атмосферы оказывает хозяйственная деятельность человека.

Развитие литосферы и рельефа

Уже в начале геологической истории (с появлением на земной поверхности огромных масс воды и с началом действия глобального климатического круговорота воды) экзогенные геологические и геоморфологические процессы стали весьма схожими с современными. Это наложило отпечаток и на тектонические процессы, в которых стали принимать участие осадочные породы, отсутствовавшие до того времени на поверхности Земли.

По мнению В. Е. Хаина, в начале геологического времени еще весьма активно протекали процессы вулканизма, регионального метаморфизма и гранитизации. Наряду с магматическими процессами и метаморфизмом широкое распространение получило осадкообразование, мощное накопление осадочных и вулканогенных толщ, а в фазы кульминации тектонических напряжений -- и складкообразование.

Уже в архее начинает проявляться геосинклинальный процесс. Архейские области прогибания обладают многими чертами сходства с геосинклиналями более позднего времени. Это относится как к набору формаций, так и к мощности накопленных в прогибах толщ осадков, которая может достигать 10--12 км и более. Многие авторы признают тектонический режим в архее как геосинклинальный, хотя его определяют и как протогеосинклинальный, т. е. продгеосинклинальный.

В результате действия геосинклинального процесса, включающего в себя складчатость, метаморфизм и гранитизацию, происходила консолидация обширных областей земной коры. Она сопровождалась увеличением масс горных пород гранитного слоя материковой коры, возрастанием ее мощности и поднятием поверхности над уровнем моря.

Геосинклинальный процесс -- это сложный многофазовый цикличный тектонический процесс, дифференцированный на две основные стадии: собственно геосинклинальную и орогенную. Первая стадия -- это интенсивное прогибание поверхности и накопление мощных осадочных и вулканогенных пород. Образование на месте прогиба горных вовышенностей, нередко высокогорного облика, дало основание назвать вторую стадию геосинклинального процесса орогенной стадией. Соответственно и геосинклинальный пояс получает «переименование»: во второй стадии своей эволюции он называется орогенным поясом (т. е. горным поясом). Одновременно к нему применим и термин «складчатый пояс». Это название сохраняется за ним и для последующей фазы разрушения гор, поскольку основная масса слагающих пояс пород представлена складчатыми комплексами. В эту фазу развития геосинклинальной структуры рельеф представляет собой денудационную равнину, или пенеплен, нередко с причудливыми останцовыми формами.

Таким образом, развитие геосинклинали, т. е. формирование геосинклинальной тектонической структуры -- основного элемента материковой коры, находится в неразрывной связи с эволюцией рельефа. Каждой стадии и фазе развития геосинклинальной структуры соответствует определенная выраженность рельефа поверхности.

Тектонический процесс неразрывно связан с геоморфологическим. Нередко их рассматривают как единый процесс -- морфотектогенез, имеющий два результата действия -- тектоническую структуру земной коры и макрорельеф земной поверхности.

В течение геологической истории основным тектоническим процессом формирования земной коры материков был геосинклинальный. Он развивался циклично. В каждом последующем тектоническом цикле геосинклинальные прогибы обычно мигрировали на другие, менее консолидированные участки материковой коры. Происходило также заложение новых геосинклинальных прогибов на океанической коре переходных областей от материка к океану.

Современное состояние Земли характеризуется высокой тектонической активностью. Правда, по сравнению с ранней историей и археем, когда в огромных масштабах происходило расплавление вещества недр, современный вулканизм имеет меньший масштаб. Тем не менее он активно проявляется во всех действующих геосинклиналях, а отчасти и на платформах. Весьма интенсивный вулканизм и магматизм в целом присущи и срединно-океаническим хребтам -- их осевой, рифтовой зоне. Примером может служить вулканический район острова Исландия.

В отличие от вулканизма тектонические движения земной коры в новейшее время достигли своего апогея. Созданные неотектоническими движениями горные цепи -- Гималаи, Каракорум, Анды, Кордильеры и другие -- представляют собой наиболее мощные сооружения за всю геологическую историю.

Начиная с мезозоя большая тектоническая активность захватила и океаническую кору. В осевых зонах океанов образовались глубинные разломы типа рифтов, имеющих тенденцию к расширению. Возникли срединно-океанические хребты, образовавшие глобальную систему общей протяженностью более 60 тыс. км.

В настоящее время современную структуру земной коры материков рассматривают как результат действия геосинклинального процесса. Различие отдельных частей материковой коры определяется возрастом их консолидации, т. е. проявлением заключительной фазы геосинклинального развития. В таком аспекте построены все тектонические карты материков или их отдельных частей.

Последний из семи основных тектонических этапов развития земной коры называют мезо-кайнозойским, континентально-океаническим этапом, он охватывает 250 млн. лет. Это небольшой отрезок истории Земли, и особенность его в том, что наряду с продолжающимся геосинклинальным развитием материков, а отчасти и океана в движение пришла и литосфера океанических впадин.

См. Тектонические эпохи.