Гидросфера
Вода на Земле имеет практически повсеместное распространение. Она образует самостоятельную оболочку. Которая называется гидросферой. Эта оболочка проникает во все остальные сферы Земли, поскольку она, как и вода, является «всюдной». Здесь дается широкое толкование гидросферы, в состав которой включаются все виды природных вод. Гидросфера охватывает воды Мирового океана, поверхностные воды, атмосферные воды, наземные и подземные льды, все виды воды земных недр и биогенные воды, то есть можно выделить надземную, наземную и подземную гидросферу.
Предметом изучения гидрогеологии является подземная гидросфера – это наиболее сложная водная земная оболочка. Ее сложность объясняется несколькими обстоятельствами: 1) весьма тонким слоем подземной гидросферы, доступной для изучения (до 5-12 км); 2) наличием в подземной гидросфере кроме жидкой, твердой и парообразной фаз нескольких специфических видов воды (физически связанных, химических связанных и др.); 3) специфическими и разнообразными условиями и процессами взаимодействия воды с водовмещающей средой (породами, газами, живыми организмами). При всем этом следует помнить, что подземная гидросфера является первичной по отношению к наземной и надземной водной оболочками. Сначала образовались подземные воды, которые в процессе эволюции Земли перешли в наземное и надземное состояние. Постепенно характер водообмена между оболочками приобрел современный вид.
Обособление оболочек Земли произошло около 4 млрд. лет назад. По гипотезе американских ученых 4,25 млрд. лет назад Земля столкнулась с космическим объектом величиной с Марс. От столкновения поверхностный слой Земли толщиной 1000 км расплавился, Земля получила импульс и закрутилась вокруг своей оси с эклиптикой 23 0 , что стабилизировало земные сутки (24 часа). 90% вещества космического тела было поглощено Землёй, а 10% образовало “кольцо” подобное Сатурну, которое потом собралось и образовало Луну. Вначале она была в 15 раз ближе к Земле. Всё это и привело к обособлению оболочек Земли. За счет разогревания вещества мантии, по мнению академика А.П. Виноградова, произошло его разделение на две фазы: тугоплавкую (дуниты) и легкоплавкую (базальты).
В ходе этого процесса к поверхности Земли устремились наиболее летучие компоненты базальтовой магмы – пары воды и газы. Механизм этого грандиозного процесса выплавления и дегазации мантии А.П. Виноградовым был воспроизведен экспериментально (зонное плавление). В мантии содержится примерно 20·10 8 т. воды, причем 7,5 – 24% этого количества мигрировало в земную кору и Мировой океан, т.е. участвовало в создании гидросферы. Из космоса с метеоритами могло поступить 1·10 4 т., т.е. на 4 порядка меньше. Верхние слои атмосферы могли дать воды еще меньше (серебристые облака, открытые Вернадским).
Таким образом, мантия – единственный источник воды на Земле.
1. Эволюция гидросферы началась на рубеже архея – протерозоя, когда установилось динамическое равновесие между водой и газами. В это же время образовался гранитный слой, обособились геосинклинали и платформы, возникли континентальные моря. Все это положило начало атмосфере и регулярному гидрологическому круговороту воды.
По А.П. Виноградову летучие вещества стали источником анионов солевой массы океанической воды, а все главные катионы образовались при разрушении горных пород.
На раннем этапе в атмосфере почти не было кислорода, а были CO 2 , NH 3 , NH 4 , H 2 S, НСl и др.
2. Примерно 2,0 – 2,7 млрд. лет назад произошла смена восстановительных условий в атмосфере и на поверхности на окислительные, причем источником О 2 , явились фотохимические реакции с Н 2 О и СО 2 в верхних слоях атмосферы.
3. Возникновение жизни. В связи с интенсивными космической и ультрафиолетовой радиацией образовались сложные органические соединения из CH 4 , NH 3 , H 2 , H 2 S, CO 2 , H 2 O и др., и на их базе на определенной глубине в океане (под экраном слоя воды) развивались простейшие организмы, а на суше их не было (так как еще не существовал озонный экран. Образование его вызвало первый глубокий биологический переворот, так как восстановление Н 2 О в процессе жизнедеятельности привело к освобождению свободного кислорода, что явилось началом формирования современной кислородно-азотной атмосферы и озонного экрана, и жизнь смогла развиваться на суше. В результате образования атмосферы прекратился радиогенный и фотогенный синтез сложных органических молекул.
4. В раннем палеозое сформировалось НСО 3 – СОˉ 3 равновесие, которое обеспечило стабильность состава вод океана. С появлением жизни на Земле изменились процессы выветривания в сторону усиления под влиянием СО 2 . В результате фотосинтеза кислород в атмосфере в настоящее время возобновляется за 2 – 3 тыс. лет, а углекислота за 350 – 500 лет (без учета современного парникового эффекта), а вся вода Мирового океана проходит через фотосинтезирующие растения за несколько миллионов лет.
5. Образование пресной воды на Земле .
Основными факторами появления пресной воды на Земле являются возникновение жизни, образование современной атмосферы, расчленение земной коры на платформы и геосинклинали. Все это имеет возраст 2,5 – 3,0 млрд. лет. Именно возникновение большого гидрологического круговорота воды привело к образованию пресных подземных вод, образовавшихся из атмосферных осадков.
Относительно состава вод Мирового океана существуют неоднозначные мнения. Одни считают, что он сформировался в раннем палеозое. Другие являются сторонниками значительных изменений состава даже за последние 0,5 -0,6 млрд. лет. Например, Ю.П. Казанский установил 5 гидрогеологических типов океанических вод в процессе эволюции гидросферы от архея до кайнозоя, а современный сульфатно-хлоридный натриево-кальциевый состав появился по его данным, в Перми. Наряду с водообменом между мировым океаном и подземной гидросферой происходил и происходит солеобмен. Состав Мирового океана отражает условия предыдущих эпох, а за счет огромных водных масс он слабо реагирует на воздействие извне. Не меняется изотопное отношение Н 2 /Н 1 и О 18 /О 16 за 300 – 500 млн. лет. Это постоянство используется в качестве стандарта среднеокеанической воды SMOW (Standart middle ocean water).
Рассказ о происхождении Земли и Солнечной системы нам придется начать издалека. В 1687 году И. Ньютон вывел закон всемирного тяготения : каждое тело во Вселенной притягивает остальные с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Теоретически закон всемирного тяготения позволяет рассчитать движения любого тела во Вселенной под влиянием тяготения других тел. Но - увы! - только теоретически: уравнения, необходимые для описания движения всего трех изолированных тел под влиянием притяжения друг друга, столь сложны, что их решение не удавалось получить почти три столетия, до 60-х годов XX века. Понятно, что о полном решении для такой системы тел, как Солнечная система, и говорить не приходится. Что же до приближенных расчетов, которыми занимались многие выдающиеся математики и астрономы (Ж. Лагранж, П. Лаплас и другие), то они показывают, что возмущения в орбитах планет носят периодический характер: параметры орбиты меняются в одном направлении, затем в противоположном, и так до бесконечности. В самой по себе определяемой тяготением структуре Солнечной системы вроде бы нет ничего, что мешало бы ей существовать вечно; недаром сам Ньютон вопрос о происхождении Солнечной системы вообще не ставил.
Давайте, однако, задумаемся: если бы причиной движения планет было одно лишь тяготение, то что с ними произошло бы? Правильно, они «упали» бы на Солнце. Но планеты благополучно двигаются по своим орбитам перпендикулярно действующей на них силе тяжести и при этом еще вращаются вокруг собственной оси. Это движение не могло возникнуть - и не возникло! - под влиянием тяготения Солнца. Откуда же оно взялось? Дело в том, что всякое вращающееся тело обладает определенным качеством, которое называется моментом количества движения (МКД). Величина МКД зависит от трех параметров: массы тела, его круговой скорости и расстояния до центра вращения. К XVIII веку было установлено, что МКД не возникает из ничего и не исчезает бесследно, а может лишь передаваться от тела к телу. Это закон сохранения момента количества движения , принадлежащий к ряду законов сохранения (таких, как законы сохранения вещества, энергии и пр.). А коли так, то любая теория возникновения Вселенной (или Солнечной системы) как минимум не должна ему противоречить.
Итак, все тела, составляющие Солнечную систему, обладают собственным МКД. Создать МКД невозможно - откуда же он взялся? Рассмотрим следующий выход из этого тупика. МКД могут различаться в зависимости от направления вращения: по и против часовой стрелки - положительный и отрицательный МКД. Если телу (или системе тел) сообщить два МКД (равной величины, но разного знака), то оба момента взаимно уничтожатся, и возникнет система, лишенная МКД. Но в таком случае верно и обратное: система, изначально не обладавшая МКД, может разделиться на две: одну с положительным, другую - с равным ему отрицательным МКД. Таким образом, МКД как бы появляется и исчезает без нарушения закона сохранения. Исходя из этого, можно предположить, что Вселенная вначале не обладала МКД, но затем одни ее части получили положительный момент, а другие - одновременно - отрицательный.
Так вот, если посмотреть на Солнечную систему «с высоты» - из некой точки над Северным полюсом Земли (и, соответственно, над плоскостью ее орбиты), то окажется, что Земля, Солнце и большинство иных тел вращаются вокруг своей оси против часовой стрелки; планеты вокруг Солнца и спутники вокруг планет - тоже. Значит, положительные и отрицательные МКД всех тел, составляющих Солнечную систему, отнюдь не уравновешиваются между собой; суммарный МКД этой системы очень велик, и необходимо выяснить его происхождение.
В 1796 году П. Лаплас сформулировал небулярную теорию , согласно которой последовательность событий при образовании Солнечной системы такова. Имеется первичное газопылевое облако (туманность - по латыни «небула»), возникшее в результате концентрации рассеянного межзвездного вещества под действием взаимного притяжения его частиц (в соответствии с законом всемирного тяготения). Небула не является идеальным шаром, и ее края - просто по теории вероятности - находятся на неодинаковом расстоянии от ближайшей небулы (или звезды), а потому притягиваются той с неодинаковой силой (которая, как мы помним, обратно пропорциональна квадрату расстояния). Этой неравновесности достаточно для того, чтобы наша небула получила первичный толчок, который и придаст ей вращательное движение, пусть и чрезвычайно слабое.
Как только небула начинает поворачиваться вокруг своей оси, в ней возникает сила тяжести (как в космическом корабле, который специально «раскручивают» для противодействия невесомости). Под действием силы тяжести небула должна начать сжиматься, т.е. ее радиус уменьшается. А мы с вами помним, что МКД (который есть величина постоянная) зависит от трех параметров: массы тела, радиуса и скорости его вращения; масса - тоже величина неизменная, поэтому уменьшение радиуса может быть компенсировано только увеличением скорости вращения. В результате огромный газовый шар будет вращаться все быстрее и быстрее, работая как центрифуга: под действием центробежной силы его экватор вспухает, придавая шару форму все более сплющенного эллипсоида. Наступает момент, когда все возрастающая центробежная сила на экваторе уравновешивает силу притяжения и от него (экватора) начинает отслаиваться кольцо, а затем, по мере дальнейшего сжатия небулы, еще и еще. Вещество этих вращающихся колец начинает под действием взаимного притяжения его частиц конденсироваться в планеты, от которых, в свою очередь, отрываются их спутники.
Теория Лапласа, согласно которой Земля была изначально холодной , сохраняла популярность на протяжении почти столетия, хотя ей и противоречили некоторые астрономические данные (например, вращение Венеры и Урана в сторону, обратную всем остальным планетам и Солнцу). Однако ближе к концу XIX века, когда было твердо установлено, что температура в недрах нашей планеты чрезвычайно высока (по современным данным, свыше 1000°С), большинство ученых стало разделять мнение об изначально горячей Земле - огненном шаре, постепенно остывающем с поверхности. Поиски источника этого раскаленного вещества вполне естественно было начать с Солнца. В начале ХХ века астрономы Т. Чемберлен и Ф. Мультон выдвинули, а Дж. Джинс математически обосновал планетезимальную теорию происхождения планет Солнечной системы. Суть ее состоит в том, что некогда поблизости от Солнца («поблизости» - это по космическим масштабам) прошла другая звезда. При этом взаимное притяжение вырвало из каждой из них по гигантскому протуберанцу звездного вещества, которые, соединившись, составили «межзвездный мост», распавшийся затем на отдельные «капли» - планетезимали . Остывающие планетезимали и дали начало планетам и их спутникам.
Однако вторая половина ХХ века стала временем возвращения к концепции изначально холодной Земли. Во-первых, нашлись серьезные, чисто астрономические, возражения против планетезимальной теории. Г. Рессел, например, обратил внимание на то простое обстоятельство, что если между Солнцем и проходящей звездой протянется лента из звездного вещества, то ее средняя часть (где притяжение двух светил взаимно уравновешивается) должна будет пребывать в полной неподвижности. И напротив, выяснилось, что некоторые оказавшиеся ошибочными положения Лапласа вполне могут быть откорректированы в рамках дальнейшего развития небулярной теории. В качестве примера можно привести гипотезу О. Ю. Шмидта (в ней газо-пылевое облако захватывается уже существующим на тот момент Солнцем) или более популярную ныне модель К. фон Вайцзеккера (в ней вращающаяся небула представляет собой уже не гомогенный шар, как у Лапласа, а систему разноскоростных вихрей, несколько напоминающую шарикоподшипник). Полагают также, что газ и пыль во вращающейся газо-пылевой туманности ведут себя по-разному: пыль собирается в плоский экваториальный диск, а газ образует почти шарообразное облако, густеющее по направлению к центру туманности. Впоследствии пыль экваториального диска слипается в планеты, а газ под собственной тяжестью разогревается так, что «вспыхивает» в виде Солнца.
Более существенным для победы «холодной» концепции оказалось другое: был найден убедительный и при этом достаточно простой ответ на вопрос - откуда же берется тепло, разогревшее недра изначально холодной Земли до столь высоких температур? Этих источников тепла, как сейчас полагают, два: энергия распада радиоактивных элементов и гравитационная дифференциация недр . С радиоактивностью все достаточно ясно, да и источник это второстепенный - на него приходится, согласно современным оценкам, не более 15% энергии разогрева. Идея же гравитационной дифференциации недр (ее детальную разработку связывают с именем О. Г. Сорохтина) заключается в следующем.
Зная массу и объем Земли (они были рассчитаны еще в XVIII веке), легко определить усредненную плотность земного вещества - 5,5 г/см 3 . Между тем плотность доступных нам для прямого изучения горных пород вдвое меньше : средняя плотность вещества земной коры составляет 2,8 г/см 3 . Отсюда ясно, что вещество в глубоких недрах Земли должно иметь плотность много выше средней.
Известно, что почти 9/10 массы Земли приходится на долю всего четырех химических элементов - кислорода (входящего в состав окислов), кремния, алюминия и железа. Поэтому можно с достаточной уверенностью утверждать, что более «легкие» наружные слои планеты состоят преимущественно из соединений кремния (алюмосиликатов), а «тяжелые» внутренние - железа.
В момент образования Земли («горячим» или «холодным» способом - для нас сейчас неважно) «тяжелые» и «легкие» элементы и их соединения не могли не быть полностью перемешаны. Однако дальше начинается их гравитационная дифференциация: под действием силы тяжести «тяжелые» соединения (железо) «тонут» - опускаются к центру планеты, а «легкие» (кремний) - «всплывают» к ее поверхности. Давайте теперь рассмотрим этот процесс в мысленно вырезанном вертикальном столбе земного вещества, основание которого - центр планеты, а вершина - ее поверхность. «Тонущее» железо постоянно смещает центр тяжести этого столба к его основанию. При этом потенциальная энергия столба (пропорциональная произведению массы тела на высоту его подъема, что в нашем случае составляет расстояние между центром Земли и центром тяжести столба) постоянно уменьшается. Суммарная же энергия Земли, в соответствии с законами сохранения, неизменна; следовательно, теряющаяся в процессе гравитационной дифференциации потенциальная энергия может преобразовываться лишь в кинетическую энергию молекул, т.е. выделяться в виде тепла.
Расчеты геофизиков показывают, что эта энергия составляет чудовищную величину 4·10 30 кал (что эквивалентно триллиону суммарных ядерных боезапасов всех стран мира). Этого вполне достаточно для того, чтобы - даже не прибегая к помощи энергии радиоактивного распада - разогреть недра изначально холодной Земли до расплавленного состояния. Однако, рассчитывая тепловой баланс Земли за всю ее историю, геофизики пришли к выводу, что температура ее недр лишь местами могла доходить до 1600°C, в основном составляя около 1200°C; а это означает, что наша планета, вопреки бытовавшим ранее представлениям, никогда не была полностью расплавленной . Разумеется, планета постоянно теряет тепловую энергию, остывая с поверхности, но этот расход в значительной степени (если не полностью) компенсируется излучением Солнца.
Итак, Земля на протяжении всей своей истории представляет собой твердое тело (более того, в глубинах, при высоких давлениях - очень твердое тело), которое, однако, парадоксальным образом ведет себя при очень больших постоянных нагрузках как чрезвычайно вязкая жидкость . Сама форма планеты - эллипсоид с чуть выпяченным Северным полюсом и чуть вдавленным Южным - идеально соответствует той, что должна принимать жидкость в состоянии равновесия. В толще этой «жидкости» постоянно происходят чрезвычайно медленные, но немыслимо мощные движения колоссальных масс вещества, с которыми связаны вулканизм, горообразование, горизонтальные перемещения континентов и т.д. - их закономерности мы будем обсуждать в следующей главе. Здесь важно запомнить, что источником энергии для всех этих процессов является в конечном счете все та же гравитационная дифференциация вещества в недрах планеты. Соответственно, когда этот процесс завершится полностью, наша планета станет геологически неактивной, «мертвой» - подобно Луне. Согласно расчетам геофизиков, к настоящему моменту уже 85% имеющегося на Земле железа опустилось в ее ядро, а на «оседание» оставшихся 15% потребуется еще около 1,5 млрд лет.
В результате гравитационной дифференциации недра планеты оказываются разделенными (как молоко в сепараторе) на три основных слоя: «тяжелый», «промежуточный» и «легкий». Внутренний «тяжелый» слой (с плотностью вещества около 8 г/см 3) - центральное ядро , состоящее из соединений железа и иных металлов; из 6400 км, составляющих радиус планеты, на ядро приходится 2900 км. Поверхностный «легкий» слой (плотность его вещества около 2,5 г/см 3) называется корой . Средняя толщина коры всего-навсего 33 км; она отделена от нижележащих слоев поверхностью Мохоровичича , при переходе через которую скачкообразно увеличивается скорость распространения упругих волн. Между корой и ядром располагается «промежуточный» слой - мантия ; ее породы имеют плотность около 3,5 г/см 3 и находятся в частично расплавленном состоянии. Верхняя мантия отделена от нижней мантии лежащим в 60–250 км от поверхности расплавленным слоем базальтов - астеносферой ; верхняя мантия вместе с корой образует твердую оболочку планеты - литосферу (рис. 4). В астеносфере находятся магматические очаги, питающие вулканы, деятельности которых Земля обязана своей подвижной оболочкой - гидросферой и атмосферой .
Рис. 4. Структура недр планеты (со схематическим вулканом)
Согласно современным представлениям, атмосфера и гидросфера возникли в результате дегазации магмы, выплавляющейся при вулканических процессах из верхней мантии и создающей земную кору. Атмосфера и гидросфера состоят из легких летучих веществ (соединений водорода, углерода и азота), содержание которых на Земле в целом очень мало - примерно в миллион раз меньше, чем в космосе. Причина такого дефицита состоит в том, что эти летучие вещества были «вымыты» еще из протопланетного облака солнечным ветром (т.е. потоками солнечной плазмы) и давлением света. В момент образования 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 графите, карбидах и карбонатах.
Современные вулканические газы примерно на 75% состоят из паров воды и на 15% - из углекислого газа, а остаток приходится на метан, аммиак, соединения серы (H 2 S и SO 2) и «кислые дымы» (HCl, HF, HBr, HI), а также инертные газы; свободный кислород полностью отсутствует. Изучение содержимого газовых пузырьков в древнейших (катархейских) кварцитах Алданского щита показало, что качественный состав этих газов полностью соответствует тому, что перечислено выше. Поскольку эта первичная атмосфера была еще очень тонкой, температура на поверхности Земли равнялась температуре лучистого равновесия , получающейся при выравнивании потока солнечного тепла, поглощаемого поверхностью, с потоком тепла, излучаемым ею; для планеты с параметрами Земли температура лучистого равновесия равна примерно 15°C.
В итоге почти весь водяной пар из состава вулканических газов должен был конденсироваться, формируя гидросферу. В этот первичный океан переходили, растворяясь в воде, и другие компоненты вулканических газов - бoльшая часть углекислого газа, «кислые дымы», окиси серы и часть аммиака. В результате первичная атмосфера (содержащая - в равновесии с океаном - водяные пары, CO 2 , CO, CH 4 , NH 3 , H 2 S, инертные газы и являющаяся восстановительной ) оставалась тонкой и температура на поверхности планеты не отклонялась сколь-нибудь заметно от точки лучистого равновесия, оставаясь в пределах существования жидкой воды. Это и предопределило одно из главных отличий Земли от других планет Солнечной системы - постоянное наличие на ней гидросферы.
Как же изменялся объем гидросферы на протяжении ее истории? В расплавленном базальте (в астеносфере) при температуре 1000°С и давлении 5–10 тыс. атмосфер растворено до 7–8% H 2 O: именно столько воды, как установлено вулканологами, дегазируется при излиянии лав. Бoльшая часть этой воды (имеющей, таким образом, мантийное происхождение) пополняла собою гидросферу, но часть ее поглощалась обратно породами океанической коры (этот процесс называется серпентинизацией ). Расчеты геофизиков показывают, что в катархее и архее воды в океанских впадинах было мало и она еще не прикрывала срединно-океанические хребты . В океаническую кору вода поступала не из океанов, а снизу - непосредственно из мантии. В начале протерозоя уровень океанов достиг вершин срединно-океанических хребтов, но на протяжении всего раннего протерозоя практически весь объем поступавшей в океаны воды поглощался породами океанической коры. К началу среднего протерозоя процессы серпентинизации закончились и океаническая кора обрела современный состав. С этого времени объем океанов вновь начал нарастать. Это будет продолжаться (с постепенным замедлением), пока на Земле не прекратятся вулканические процессы.
Если спросить человека: «Отчего море соленое?», он почти наверняка ответит: «Оттого же, отчего солоны бессточные озера (вроде озера Эльтон, снабжающего нас поваренной солью): впадающие в море реки несут некоторое количество солей, потом вода испаряется, а соль остается». Ответ этот неверен: соленость океана имеет совершенно иную природу, чем соленость внутриконтинентальных конечных водоемов стока. Дело в том, что вода первичного океана имела различные примеси. Одним источником этих примесей были водорастворимые атмосферные газы, другим - горные породы, из которых в результате эрозии (как на суше, так и на морском дне) вымываются различные вещества. «Кислые дымы», растворяясь в воде, давали галогеновые кислоты, которые тут же реагировали с силикатами (основным компонентом горных пород) и извлекали из них эквивалентное количество металлов (прежде всего щелочных и щелочноземельных - Na, Mg, Ca, Sr, K, Li). При этом, во-первых, вода из кислой становилась практически нейтральной, а во-вторых, соли извлеченных из силикатов элементов переходили в раствор; таким образом, вода океана с самого начала была соленой . Концентрация катионов в морской воде совпадает с распространенностью этих металлов в породах земной коры, а вот содержание основных анионов (Cl–, Br–, SO 4 –, HCO 3 –) в морской воде намного выше того их количества, которое может быть извлечено из горных пород. Поэтому геохимики полагают, что все анионы морской воды возникли из продуктов дегазации мантии, а все катионы - из разрушенных горных пород.
Главным фактором, определяющим кислотность морской воды, является содержание в ней углекислого газа (CO 2 - водорастворим, сейчас в океанах его растворено 140 трлн. т - против 2,6 трлн. т, содержащихся в атмосфере). В океанах существует динамическое равновесие между нерастворимым карбонатом кальция CaCO 3 и растворимым бикарбонатом Ca(HCO 3) 2: при недостатке CO 2 «лишний» бикарбонат превращается в карбонат и выпадает в осадок, а при избытке CO 2 карбонат превращается в бикарбонат и переходит в раствор. Карбонатно-бикарбонатный буфер возник в океане на самом начальном этапе его существования, и с тех пор он поддерживает кислотность океанской воды на стабильном уровне.
Что касается атмосферы, то ее состав стал меняться в протерозое, когда фотосинтезирующие организмы начали вырабатывать (в качестве побочного продукта своей жизнедеятельности) свободный кислород; сейчас считается твердо установленным, что весь свободный кислород планеты имеет биогенное происхождение . Кислород, в отличие от углекислого газа, плохо растворим в воде (соотношение между атмосферным и растворенным в воде CO 2 составляет, как мы видели, 1:60, а для O 2 оно составляет 130:1), и потому почти весь прирост кислорода идет в атмосферу. Там он окисляет CO и CH 4 до CO 2 , H 2 S - до S и SO 2 , а NH 3 - до N 2 ; самородная сера, естественно, выпадает на поверхность, углекислый газ и сернистый ангидрид растворяются в океане, и в итоге в атмосфере остаются только химически инертный азот (78%) и кислород (21%). Атмосфера из восстановительной становится современной, окислительной; впрочем, подробнее историю кислорода на Земле мы обсудим позднее, там, где речь пойдет о ранней эволюции живых существ (глава 5).
Помимо кислорода и азота, в атмосфере содержится небольшое количество так называемых парниковых газов - углекислый газ, водяной пар и метан. Составляя ничтожную долю атмосферы (менее 1%), они, тем не менее, оказывают важное влияние на глобальный климат. Все дело в особых свойствах этих газов: будучи сравнительно прозрачными для коротковолнового излучения, поступающего от Солнца, они в то же время непрозрачны для длинноволнового - излучаемого Землею в космос. По этой причине вариации в количестве атмосферного CO 2 могут вызывать существенные изменения теплового баланса планеты: с ростом концентрации этого газа атмосфера по своим свойствам все более приближается к стеклянной крыше парника, которая обеспечивает нагрев оранжерейного воздуха путем «улавливания» лучистой энергии, - парниковый эффект .
Земля была расплавленной около 1 млрд. лет. Дальнейшее развитие в результате дифференциации вещества в жидком состоянии привело к расслоению планеты на оболочки и формированию атмосферы и гидросферы.
Атмосфера Земли раннего этапа имела другой компонентный состав, чем сейчас. В ней преобладали гелий, водород, азот, углекислый газ. В дальнейшем часть газов улетучивалась в космос, другая часть участвовала в окислительных процессах, но происходило и пополнение атмосферы газами, поступающими с недр Земли. Только при извержении вулканов в атмосферу поступило газов в 50 раз больше массы современной атмосферы. Первоначальная атмосфера изменялась под воздействием поступающих из недр газов, солнечной радиации, растительности, окислительных процессов, утечки в космос. На рубеже 2-2,2 млрд. лет назад возникла азотно-кислородная атмосфера, а содержание углекислого газа уменьшилось. Содержание углекислого газа сейчас в атмосфере составляет 0,034%. Оно зависит от скорости обмена с океаном и биосферой, что определяется температурой и влажностью.
Гидросфера Земли появилась позже начала образования планеты. Но с раннего архея объем воды стал значительно увеличиваться и 2-2,5 млрд. лет назад её объем приблизился к современному. Об этом свидетельствуют породы этого периода, формировавшиеся в водной среде (зеленокаменные офиолитовые пояса, голубые сланцы). Первичные океаны возникли 3,5-4 млрд. лет назад.
Воды Мирового океана и газы атмосферы возникли в результате преобразования материала мантии и образования и развития земной коры. Основной состав атмосферы – азотно-кислородный при незначительном количестве инертных газов и водорода. Этот состав отличается от состава вулканических газов. Причина этого кроется в изменении атмосферы за геологическое время и под влиянием развития жизни на планете. Зарождение жизни относят ко времени 3,6 млрд. лет назад. За это время вся вода Мирового океана прошла более 300 раз через биогенный цикл, а свободный кислород обновился более миллиона раз. В результате фотосинтеза ежегодно образуется 248 млрд. тонн в год кислорода при потреблении 341 т углекислого газа. Кроме этого, кислород образуется за счет фотодиссоциации водяного пара. Приведенные цифры показывают огромную роль живого вещества в формировании и изменении состава атмосферы за геологическое время. Выветривание пород земной коры сопровождается процессами окисления и гидратации. Свободный кислород связывается, погружаясь в глубину. В породах при метаморфизации наблюдаются восстановительные процессы. В этих процессах образуется вода и углекислота, выделение свободного кислорода не наблюдается.
Излияние базальтов на поверхность Земли приносило ювенильные минерализованные воды и газы. В базальтовой магме содержится 7%воды. Таким образом, образование коры сопровождалось и образованием воды и газов атмосферы. Поступали газы: СО, СО 2 , СН 4 , ΝН 3 , S, H 2 S, H 3 BO 3 , HCl, HFe, Ar, He. Ювенильные воды разрушали алюмосиликатные породы, растворяли Na, К, Rb, Cs, Мg, Са, Сг, Fe. При круговороте воды значительная часть солей задерживалась в океане. В настоящее время установился определенный баланс состава атмосферы и солевого состава гидросферы, происходящие изменения медленны и определяются ходом векового химического изменения под действием физико-химических и биологических факторов.
Живое вещество является не только основным поставщиком кислорода и поглощения углекислого газа. Оно так же концентрирует многие другие элементы: кремний, железо, фосфор, марганец и другие. Этапы развития живого вещества соответствуют изменениям в их взаимоотношении к различным элементам таблицы Менделеева. Так, первичные живые организмы развивались за счет окислительных процессов, следующий этап развития живого вещества использовал фотосинтез и усилил концентрацию Al, Si, Са, Ti, Сг, Mn, Fe, Co, Ni, Сu, Zn и др. Таким образом, живое вещество оказало и оказывает огромное влияние на миграцию химических элементов, а значит и на формирование не только состава атмосферы, но и на процесс преобразования земной коры, образования месторождений полезных ископаемых железо-марганцевых руд, нефти и газа, угля, известняков, доломитов и т.д. Общая масса живого вещества сейчас составляет 2420 млрд. тонн.
Об отсутствии кислорода в атмосфере в начальный период существования Земли свидетельствует отсутствие в морских отложениях минералов кислородных солей: сульфатов, карбонатов, минералов окисного железа. В дальнейшем состав отложений изменяется и свидетельствует о появлении свободного кислорода. Это произошло на рубеже 3 млрд. лет назад.
Установлено также, что из земных недр непрерывно поступают в земную кору и на поверхность флюиды (газы и жидкости с растворенными солями и элементами). Это в первую очередь гелий, водород, углеводородные газы, вода. Но не только флюиды поступают в земную кору и изменяют её. Поднимаются в результате процессов дифференциации и более тяжелые элементы и вещества, также как и опускаются. Но этот процесс идет со скоростями в сотни и тысячи раз медленнее, чем для флюидов. Такие процессы обуславливают метаморфизацию пород, гранитизацию, превращение океанической коры в континентальную и наоборот.
Земная кора, гидросфера и атмосфера образовались в основном в результате высвобождения веществ из верхней мантии молодой Земли. В настоящее время формирование океанической коры происходит в срединных хребтах океанов и сопровождается выходом газов и небольших количеств воды. Образование коры на молодой Земле, обуславливалось теми же процессами – за счет них сформировалась оболочка из породы толщиной менее 0,0001% объема всей планеты. Состав этой оболочки, образующей континентальную и океаническую кору, эволюционировал во времени, прежде всего, за счет возгонки элементов из мантии в результате частичного плавления на глубине примерно 100 км. Средний химический состав современной коры показывает, что кислород содержится в ней в наибольшем количестве, сочетаясь в разных видах с кремнием, алюминием и другими элементами с образованием силикатов.
На основании многих данных можно предположить, что летучие элементы выделились из мантии в результате извержений вулканов, сопровождавших образование коры. Скорее всего, первоначально, атмосфера состояла из диоксида углерода и азота с некоторым количеством водорода и паров воды. Эволюция в сторону современной кислородной атмосферы не происходила до тех пор, пока не начала развиваться жизнь.
Образование гидросферы
Вода в своих трех состояниях - жидкость, лед и водяные пары - широко распространена на поверхности Земли и занимает объем 1,4 млрд. км 3 . Почти вся эта вода (> 97 %) находится в океанах, а большая часть из оставшейся образует ледяные полярные шапки и ледники (около 2 %). Континентальные пресные воды представляют менее 1 % общего объема. Атмосфера содержит сравнительно мало воды (в виде паров - 0,001 %). В целом эти резервуары воды называют гидросферой.
Источники воды при образовании гидросферы спорны. Во всяком случае, когда поверхность Земли остыла до Т < 100°С, водяные пары, дегазирующиеся из мантии, сконденсировались.
Океаны образовались около 3,8 · 10 9 лет назад, о чем говорит возраст погруженных в океан осадочных пород.
Из атмосферы в космос проникает очень малое количество водяных паров, поскольку на высоте около 15 км низкие температуры вызывают их конденсацию и выпадение на более низкие уровни. Очень небольшое количество воды дегазируется в настоящее время из мантии. Таким образом, после основной фазы дегазации общий объем воды на земной поверхности мало изменялся в течение геологического времени.
Круговорот между резервуарами воды в гидросфере называется гидрологическим циклом.
Хотя объем водяных паров, содержащихся в атмосфере, мал (около 0,013 10 6 км 3), вода постоянно движется через этот резервуар. Она испаряется с поверхности океанов (0,423 10 6 км 3 /год) и суши (0,073 10 6 км 3 год) и переносится с воздушными массами (0,037 10 6 км 3 /год). Несмотря на короткое время пребывания в атмосфере (обычно 10 дней), среднее расстояние водопереноса составляет около 1000 км. Водяные пары затем возвращаются либо в океаны (0,386 10 6 км 3 /год), либо на континенты (0,110 10 6 км 3 /год) в виде снега или дождя. Большая часть дождевых осадков, попадающих на континенты, просачивается через отложения и пористые или раздробленные породы, образуя подземные воды (9,5 10 6 км 3); остальная вода течет по поверхности в виде рек (0,13 10 6 км 3) или вновь испаряется в атмосферу.
Быстрый перенос воды в атмосфере обусловливается поступающим солнечным излучением. Почти все излучение, достигающее коры, идет на испарение жидкой воды и образование атмосферных водяных паров. Большая часть из оставшегося излучения поглощается корой, причем эффективность этого процесса уменьшается с увеличением широты, в основном из-за сферической формы Земли.
Исключительно важно для теории и практики, так как жизнь появилась вместе с гидросферой и тесно связана с ней.
Гипотеза «Горячего» и гидросферы господствовала до середины XX в. Она основывалась на теории астронома П. Лапласа (1749 - 1827), считавшего, что все планеты возникли из солнечного вещества, вырванного силой притяжения пролетавшей недалеко от Солнца звезды. Из сгустков солнечного вещества сформировались планеты, которые затем долго остывали. Земля охлаждалась до тех пор, пока на ее поверхности не образовалась кора, а лишь потом из остывшей атмосферы полились дожди. Вода скапливалась в понижениях, образуя разнообразные водоемы. Таким образом, возраст гидросферы значительно уступал возрасту Земли, а образование гидросферы представлялось сравнительно коротким явлением в жизни планеты. Но постепенно накапливались факты, которые противоречили гипотезе «горячего» формирования Земли и гидросферы.
Ученые установили, что горячая плотная при наличии твердой - образование очень устойчивое, о чем свидетельствует планета Венера, температура атмосферы которой составляет примерно 400° С. К тому же в самых древних из обнаруженных на Земле горных породах, возраст которых около 3,8 млрд. лет, были найдены отпечатки одноклеточных организмов, которые могли существовать только при наличии жидкой воды. Все это подтверждало теорию «холодного» образования планет из пылевого , вращавшегося вокруг Солнца. В этом облаке возникали сгустки, ставшие зародышами будущих планет. Мелкие сгустки захватывались более крупными, которые росли и вбирали в себя основную массу пылевого облака, образуя планеты. По расчетам одного из создателей этой теории В. С. Сафронова, процесс формирования планет начался 4,65 млрд. лет назад.
Современного размера планеты, в том числе Земля, достигли через 100 млн. лет. Тогда на молодой Земле господствовали суровые и холодные , над которыми простиралось черное небо. На поверхность падали небесные тела, но грохота взрывов они не вызывали, так как атмосфера еще не существовала или была очень тонкой. От ударов небесных тел в толще планеты накапливалось тепло, а поверхность без защитной атмосферной оболочки охлаждалась. При ударе небесных тел о Землю образовывался толстый слой реголита - смесь обломков и пыли. Из него-то и состояла поверхность нашей планеты. Среди небесных тел были и кометы - ледяные космические образования. Удары небесных тел о Землю «разогревали» ее изнутри. В результате более тяжелые вещества устремились к ее центру, а легкие и летучие поднялись к поверхности. Этот процесс и дал основное тепло для разогрева недр планеты. Дополнительное тепло возникло благодаря радиоактивному распаду. Оно плавило породы в глубине планеты. В результате через жерла и гигантские трещины, образовавшиеся на Земле, на поверхность стала изливаться расплавленная - , а вместе с ней — , горячая юла, водяные пары, которые быстро конденсировались. Этот процесс назван дегазацией. Она началась 4 млрд. лет назад, о чем свидетельствуют самые древние горные породы, найденные на Земле. Атмосфера и обязаны своим образованием дегазации, которая продолжается и сейчас на нашей планете. С момента излияния магмы и дегазации отсчитывается геологическая . Этот период считается началом формирования гидросферы. Недавнее открытие в пылевых космических облаках воды в молекулярном виде, а также частичек льда означает их присутствие в первоначальном веществе Земли, масса которой пополнялась за счет падения комет. Не исключено, что при ударах небесных тел ледяные частички расплавлялись и вода вытеснялась на поверхность планеты еще в догеологический период. При этом она заполняла поры реголита, покрывавшего поверхность Земли. Таким образом, формирование гидросферы могло начаться еще в догеологический период жизни нашей планеты.
