 |
Критические уровни содержания кислорода в атмосфере
|
|
|
|
По Л. Беркнеру и Л. Маршаллу (Перельман, 1973) в абиогенную эпоху содержание кислорода не превышало 0,1 % от современного уровня. Кислород образовывался за счет фотодиссоциации воды. Жизнь в таких условиях могла развиваться только в водоемах глубиной более 12 м. По достижении уровня содержания кислорода 1 % от современного создалась возможность поглощения ультрафиолета. Область жизни значительно расширилась, поскольку стало достаточно 30 см воды для задержания ультрафиолета. Этот уровень был достигнут в начале палеозойской эры (примерно 600 млн. лет тому назад). Всего за 20 млн. лет возникло множество новых видов, ускорилось накопление кислорода в атмосфере. Уже через 200 млн. лет (конец силура, 400–420 млн. лет назад) содержание кислорода достигло 10 % от современного. Озоновый экран стал настолько мощен, что жизнь смогла выйти на сушу. Это привело к новому взрыву эволюции.
Этапы эволюции биосферы
Уровни содержания кислорода в атмосфере, рассмотренные выше, могут использоваться как границы этапов развития биосферы Земли. С этой точки зрения биосфера прошла три этапа: восстановительный, завершившийся появлением фотосинтеза и переходом ко второму, слабоокислительному этапу. Третий этап – окислительной фотоавтотрофной биосферы.
Ключевые этапы эволюции биосферы: 600 млн. лет назад жизнь овладела мелководьями и относительно быстро после этого вышла на сушу. Царство млекопитающих и покрытосеменных растений наступило 60 млн. лет назад, т.е., биосфера приобрела облик близкий современному. 6 млн. лет назад возникла группа приматов, являющихся прямыми и непосредственными предками современного человека, – гоминиды. 600 тыс. лет тому назад появился человек разумный, примерно 60 тыс. лет назад овладевший огнем и, таким образом, резко выделившийся из природы. Возникновение современной цивилизации можно отнести к периоду примерно 6 тыс. лет тому назад, а зарождение современного способа производства и начало Нового времени – 6 веков тому назад. Глобальных масштабов антропогенное воздействие на окружающую среду достигло, пожалуй, к середине ХХ века.
|
|
|
Контрольные вопросы
1. С чем связано образование Земли? Какие Вам известны гипотезы?
2. Приведите современную биогеохимическую классификацию элементов.
3. Как произошло образование геосфер?
4. Каков предположительно состав первоначальной атмосферы?
5. За счет чего происходило накопление кислорода в первичной атмосфере Земли?
6. Когда сформировался современный состав атмосферы?
7. Как возникла жизнь с точки зрения синергетики?
8. Назовите основные этапы эволюции биосферы.
ГЛАВА 3. ОБЛАСТЬ ДЕЙСТВИЯ ХИМИИ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Земля
Земля имеет массу 6·1021 т и состоит из 88 различных химических элементов. Несмотря на все изменения, наблюдаемые в самых разных масштабах времени и пространства, земля в целом остается удивительно постоянной. В последние годы стало особенно ясно, что крупные составные части земного шара, такие, как ядро, мантия, кора, океаны, атмосфера и биосфера могут рассматриваться как сложная, взаимодействующая система. В ней циклично происходит передача вещества от одного резервуара к другому (Сивер, 1983). Об их объемах можно получить представление из табл. 2, а о химическом составе можно судить по данным, приведенным в табл. 3.
Горные породы выветриваются с образованием осадка, который потом заборанивается. При погружении на глубину породы испытывают метаморфизм и/или плавление. Позже они деформируются и перемещаются в горных цепях вверх, чтобы снова подвергнуться выветриванию и совершить новый цикл (рис.2).
|
|
|
Таблица 2
Относительные размеры резервуаров Земли (Андруз и др., 1999)
| Мантия | 4·1021 т |
| Ядро | 1,9·1021 т |
| Кора | 24·1018 т |
| Гидросфера | 2,4·1018 т |
| Атмосфера | 5·1015 т |
Таблица 3
10 самых распространенных химических элементов (% по массе)
| Вселенная | Земля | Земная кора | Океан | Атмосфера | Биосфера |
| H – 77 | Fe – 35 | O – 46,6 | O – 85,8 | N – 75,5 | O – 53 |
| He – 21 | O – 29 | Si – 29,5 | H – 11 | O – 23,2 | C – 39 |
| O – 0,8 | Si – 14 | Al – 8,2 | Cl – 1,94 | Ar – 1,3 | H – 6,6 |
| C – 0,3 | Mg – 14 | Fe – 5,0 | Na – 1,05 | C – 9,3 10-3 | N – 0,5 |
| Ne – 0,2 | S – 2,9 | Ca – 3,6 | Mg – 0,13 | Ne–1,3 10-3 | Ca – 0,4 |
| Fe – 0,1 | Ni – 2,4 | Na – 2,8 | S – 0,09 | Kr–0,45 10-3 | K – 0,2 |
| Si – 0,07 | Ca – 2,1 | K – 2,6 | Ca – 0,041 | He – 72 10-6 | Si – 0,1 |
| N – 0,06 | Al – 1,8 | Mg – 2,1 | K – 0,039 | Xe – 40 10-6 | P – 0,1 |
| Mg – 0,06 | Na – 0,3 | Ti – 0,57 | Br – 0,007 | H – 23 10-6 | Mg – 0,1 |
| S – 0,04 | P – 0,2 | H – 0,22 | C – 0,003 | S – 70 10-9 | S – 0,07 |
Рис.2. Геологический цикл
В центре Земли находится металлическое ядро, состоящее из железа и никеля; ядро окружено мантией плотных горных пород, богатых магнием и железом.
Ядро и мантия
Вместе они составляют более 99,6 % общей массы Земли (Скиннер, 1989). Земля резко разделяется на две части – богатую железом (ядро) и силикатную (мантия и кора). Температура ядра оценивается в 4–5 тыс. °С, давление – на этих глубинах 1,5–3,5 млн. атм. Ядро Земли состоит из сплавов железа, находящихся в твердом состоянии в центральной и в жидком состоянии в остальной части ядра. Турбулентные течения жидкости и генерируют магнитное поле Земли (Джинлоз, 1983).
Огромная силикатная оболочка разогревается за счет распада радиоактивных изотопов. Подвод тепла возбуждает мощные конвективные течения в верхних слоях оболочки, сложенных пластичными породами.
Крупномасштабные движения в мантии принимают вид течений плотного, твердого и пластичного вещества. Кора (и океаническая, и континентальная) лежит на плитах толщиной примерно 100 км. Новые плиты образуются в зонах срединно-океанических хребтов и охлаждаются по мере их движения в направлении от хребтов к океаническим желобам. В океанических желобах плиты погружаются и тонут в мантии. По мере погружения плотной плиты холодное вещество увлекается вниз, образуя нисходящую ветвь конвективной ячейки. Естественно, должны существовать и горизонтальные возвратные течения, переносящие вещество из областей океанических желобов к срединно-океаническим хребтам, и восходящие движения разогретого вещества, которые компенсируют нисходящие движения в области океанических желобов. В конвективных ячейках холодные опускающиеся участки жидкости отделены друг от друга расстоянием, примерно равным удвоенной глубине конвектирующего слоя. Считается, что глубина конвектирующего слоя Земли составляет примерно 700 км (Мак-Кензи, 1983).
|
|
|
Земная кора
Составляет 0,375 % земной массы. Она построена в основном из минералов, образующих горные породы. Химические элементы распределены в земной коре неравномерно, иногда скапливаясь в рудные месторождения. Земная кора с верхней частью мантии называется литосферой (см. главу 9), лежащей на астеносфере.
Океаническая кора состоит из минералов, богатых кальцием, магнием, железом, алюминием и кремнием, составляющих базальты. Океаническая кора в среднем имеет толщину около 6 км (от 5 до 8 км) и она на порядок моложе континентальной. Кора этого типа создается и вновь уничтожается на пути от срединно-океанических хребтов к зонам субдукции, где она погружается обратно в мантию. Срединно-океанический хребет представляет собой границу между двумя жесткими плитами. В том месте, где проходит хребет, плиты медленно раздвигаются, и поступает нижележащая порода.
Таким путем на гребнях срединно-океанических хребтов (общая протяженность 59 000 км) ежегодно образуется несколько квадратных километров новой океанической коры. Гребень хребта лежит на глубине в среднем 2,5 км, а по обе стороны от него дно океана погружается на глубину 5-6 км. (Франшто, 1983).
Континентальная кора составляет более половины массы коры в целом или 0,29 % массы всей Земли. Мощность континентальной коры находится в интервале от 10 до 70 км. Она содержит меньше железа, кальция и магния, нежели океаническая кора, но сравнительно больше кремния, алюминия, натрия и калия, т. е. более легких элементов. Континенты плавают в астеносфере. Континентальная кора покрывает около 45 % поверхности Земли. В гидросфере больше воды, чем могут вместить углубления, образованные плотной океанической корой, поэтому края континентов погружены в воду (континентальный шельф и континентальный склон). Континентальная кора древнее океанической (возраст самой древней океанической коры не превышает 200 млн. лет). Она подвержена постоянным тектоническим движениям, эрозии, вулканизму, осадконакоплению (Берчфил, 1983), проходя собственный цикл развития, сопровождающийся ее разрушением и новым созиданием. Ежегодно около 1010 т твердого и растворенного вещества, образовавшегося при эрозии земной поверхности, удаляется реками, ветром и ледниками.
|
|
|
Выделяют два основных типа пород: изверженные или вулканические горные породы, образованные магмой, формирующейся в глубоких частях земной коры или в верхней мантии; осадочные горные породы, образующиеся при уплотнении материала, получающегося при эрозии континентальных пород и отлагающегося в депрессиях на континентах или на шельфе. Со временем слои этих отложений погружаются на все большую глубину, подвергаясь действию высоких давлений и температур. Образуются метаморфические горные породы. Расплавляясь, они формируют магму вновь. Можно делить породы как недеформированные (осадочные и вулканические) и деформированные (осадочные, магматические, метаморфические). Основная масса континентальной коры сложена именно породами второй группы.
Гидросфера
Водная оболочка составляет 0,025 % (0,25 10–3) массы Земли. Объем гидросферы 1375·106 км3. Океаны покрывают 70,8 % земной поверхности и имеют среднюю глубину 3,96 км. В каждом кубическом километре морской воды растворено 36 миллионов тонн твердых веществ. Средний химический состав растворенных в морской воде веществ: Cl – 55,07 %, Na – 30,62 %, Mg – 3,68 %, S – 2,73 %, Ca – 1,18 %, K – 1,10 %, Br – 0,19 %, C – 0,08 %, Sr – 0,02 %, B – 0,01 %.
Подавляющая часть воды на Земле сосредоточена в Мировом Океане (см. главу 8).
Атмосфера
Воздушная оболочка составляет 0,0001 % (10–6) массы Земли, сильно перемешана, состоит из азота, кислорода и аргона на 99,9 % (см. главу 7).
Биосфера
Живая оболочка составляет 3·10–9 массы Земли. Необходимо помнить, что она «теснейшим образом связана со строением земной коры, входит в ее механизм и в этом механизме исполняет величайшей важности функции, без которых он не мог бы существовать» (Вернадский, 2004).
На протяжении всей истории биосферы ее самыми влиятельными с точки зрения планетарных процессов составляющими были зеленые растения и микроорганизмы. Взаимодействие биосферы, гидросферы и атмосферы друг с другом и с наружными слоями земной коры не только всеобъемлюще, но и постоянно: это круговороты, состоящие из круговоротов, которые, в свою очередь, складываются из круговоротов. Треть от всего числа химических элементов участвует в биологических круговоротах. Благодаря биологическим процессам в земной коре образовались массивные скопления кремния, железа, марганца, серы и углерода (Клауд, 1983). «Все минералы верхних частей земной коры – свободные алюмокремниевые кислоты (глины), карбонаты (известняки и доломиты), гидраты окиси железа и алюминия (бурые железняки) и многие сотни других –непрерывно создаются в ней только под влиянием жизни» (Вернадский, 2004).
|
|
|
Кислород атмосферы – продукт фотосинтеза зеленых растений.
Количественные показатели биосферы в сопоставлении с другими оболочками Земли приведены в табл. 4. Несмотря на ничтожную, по сравнению с другими геосферами массу, биосфера – наиболее могущественная по своей трансформирующей силе оболочка Земли. Как писал В. И. Вернадский: «С исчезновением жизни на земной поверхности шли бы лишь медленные, от нас скрытые изменения, связанные с земной тектоникой. … Исчезли бы главные деятели процессов выветривания. … Неизбежно установилось бы химическое равновесие, химическое спокойствие, которое временами и местами нарушалось бы привносом веществ из земных глубин» (2004).
О структуре биосферы, ее химическом составе и функциональных характеристиках можно судить по материалам таблиц 5,6.
Необходимо постоянно иметь в виду, что главными «действующими лицами» в функционировании биосферы являются не сразу бросающиеся в глаза яркие и часто экзотические представители многоклеточных животных и даже не деревья, образующие обширные леса, а микроскопические одноклеточные организмы, в первую очередь – прокариоты. Академик Г. А. Заварзин (2001; 2003) вообще считает, что биосфера всегда состояла, главным образом, из бактерий, тогда как остальные организмы – не более, чем добавление к бактериям. Как известно, бактериальные сообщества, в отличие от сообществ эукариотов, могут обеспечивать работу автономных, т. е., замкнутых полностью по всем элементам биогеохимических циклов.
Биомасса микроорганизмов океана составляет около трети всей биомассы биоты планеты, биомасса бактерий суши сравнима с биомассой растений. Таким образом, биомасса прокариот – от половины до 90 % всего живого вещества биосферы.
Таблица 4
Сравнение биосферы с другими геосферами Земли (Акимова, Хаскин, 2000)
| Геосферы | Масса, Тт | Разнообразие состава | Время оборота состава, лет |
| Литосфера | 2,5·106 | 1,85 | 5·107 |
| Гидросфера | 1,4·106 | 0,12 | 2·104 |
| Атмосфера | 5,2·103 | 0,38 | 3·104 |
| Биота биосферы | 2,1 | 4,50 |
Таблица 5
Биомасса растений и животных биосферы (Акимова, Хаскин, 2000)
| Экосистемы | Биомасса (сухого вещества) Гт | % |
| Континенты | ||
| Растения | 2 125 | 99,53 |
| Животные | 0,14 | |
| Океан | ||
| Растения | 0,14 | |
| Животные | 0,19 | |
| Всего | 2 135 | 100,00 |
Таблица 6
Средний химический состав живого вещества (Акимова, Хаскин, 2000)
| Компоненты | % |
| Вода | 63,80 |
| Сухое вещество | 36,20 |
| Минеральные вещества | 1,20 |
| Органические вещества | 35,00 |
| Углерод | 16,47 |
| Водород | 2,06 |
| Кислород | 16,10 |
| Азот | 0,30 |
Контрольные вопросы
1. Какова область действия химии окружающей среды?
2. Какие Вам известны резервуары Земли? Назовите самые распространенные элементы в них.
3. Что такое геологический цикл?
ГЛАВА 4. ПРИРОДНЫЕ ЦИКЛЫ
|
|
|
