Меню

Эволюция химического состава атмосферы земли

Эволюция химического состава и давления земной атмосферы

Главная / — Следующая статья О. Г. Сорохтин: «Развитие Земли» / Эволюция химического состава и давления земной атмосферы

Определив отдельно основные закономерности накопления в атмосфере главных составляющих, легко рассчитать суммарную картину эволюции состава земной атмосферы и её давление. Следует добавить ещё накопление в атмосфере радиогенного аргона 40 Ar, содержание которого в современной атмосфере достигает 1,28 % по массе (суммарная масса аргона на 99,6% состоит из изотопа 40 Ar). Источником изотопа 40 Ar, как известно, является радиоактивный изотоп калия 40 K, большая часть которого (около 89%) путём β-распада превращается в изотоп 40 Ca, тогда как остальная часть (11%) путём электронного захвата переходит в аргон 40 Ar. Калий является типичным литофильным элементом и накапливается в континентальной коре пропорционально её росту. Во время перехода калия в континентальную кору из океанической коры (см. рис. 76) происходит плавление корового материала, при этом накопившийся в калиевых минералах аргон освобождается и, как летучий элемент, большей частью поступает в атмосферу. Поэтому накопление аргона в атмосфере в первом приближении должно быть пропорционально росту континентальной коры (см. рис. 79). Суммарная картина изменения состава и давления атмосферы Земли изображена на рис. 122 (в связи с малыми значениями парциального давления аргона его концентрация на рисунке отдельно не показана, но включена в кривую давления азота).

Рисунок 76. Картина формирования континентальной коры в протерозое и фанерозое
за счёт частичного переплавления и дегидратации океанической коры и перекрывающих её пелагических осадков в зонах поддвига океанических плит под островные дуги

Рисунок 79. Накопление массы континентальной коры:
1 — рассматриваемая энергетическая модель; 2 — модель Тейлора — Мак-Леннана (1988).

Рисунок 122. Эволюция состава и давления земной атмосферы

Как видно из графиков, в катархее, около 4,6-4 млрд лет назад, атмосфера Земли была менее плотной, чем сейчас и состояла в основном из азота (0,67 атм), лишь с небольшими примесями благородных газов (

2×10 -5 атм). В архее началось сравнительно быстрое нарастание давления углекислого газа, и атмосфера в основном стала углекислотной с подчинённым содержанием азота. В пике развития архейской атмосферы парциальное давление углекислого газа превышало 5 атм при парциальном давлении азота около 1 атм, поэтому суммарное давление атмосферы тогда (около 2,7 млрд лет назад) превышало 6 атм.

Помимо углекислого газа в атмосфере раннего архея должен был накапливаться метан, образующийся при окислении железа водой в присутствии углекислого газа

Формула 52. Образование метана и окиси углерода в архее

Наиболее интенсивно этот процесс должен был развиваться на самых ранних этапах дегазации Земли в начале архея, когда большая часть поверхности Земли ещё была сложена первозданным реголитом, содержавшим до 13 % металлического железа. В составе атмосферы того времени метан мог даже превалировать над CO2. Кроме того, в архее в небольших количествах генерировалась и окись углерода, возникающая при взаимодействии углекислого газа с горячим железом.

Отсюда видно, что атмосфера в начале раннего архея, была существенно восстановительной и азотно-углекислотно-метановой по составу. В дальнейшем, приблизительно через 100 млн лет, после полной гидратации первозданного реголита, восстановительный потенциал архейской атмосферы должен был резко снизиться благодаря фотодиссоциации метана солнечным излучением и образования формальдегида

В результате архейская атмосфера стала углекислотно-азотной лишь с небольшими добавками метана и равновесным содержанием влаги.

В протерозое после выделения земного ядра и резкого снижения тектонической активности Земли в океанической коре возник серпентинитовый слой (см. рис. 111) и резко активизировались процессы связывания углекислого газа в карбонатах по реакциям типа (47) и (48). В результате довольно быстро (в течение примерно 100 млн лет) из атмосферы оказался выведенным практически весь углекислый газ и земная атмосфера стала азотной с общим давлением около 1 атм. Наконец, после полного исчезновения свободного (металлического) железа из мантии в конце протерозоя (см. рис. 39) в атмосфере фанерозоя стал постепенно накапливаться кислород, и она приняла привычный азотно-кислородный состав, а её давление поднялось до 1 бара. В фанерозое максимального давления атмосфера, по-видимому, достигала в середине мезозоя, когда скорость генерации кислорода стала максимальной в связи с широким распространением тогда по Земле цветковых растений.

Читайте также:  Гугл планета земля для мак ос

Рисунок 111. Эволюция строения океанической коры:
I — осадочный слой океанической коры, II — базалтово-габброидный слой океанической коры, III — серпентинитовый слой океанической коры, IV — подкоровая мантия; 1 — подошва осадочного слоя, 2 — подошва базальтово-габброидного слоя, 3 — подошва океанической коры (граница Мохоровичича), 4 — изотерма критической температуры воды 374 °С, ниже которой океаническая вода не может проникать (в архее эта граница совпадала с подошвой океанической коры).

Рисунок 39. Эволюция химического состава конвектирующей мантии в относительных концентрациях (за единицу принята концентрация данного элемента в первичном веществе Земли):
1 — SiO2, TiO2, MgO, CaO, Al2O3; 2 — H2O; 3 — K2O; 4 — Ni и другие сидерофильные и халькофильные элементы и соединения: FeS, (Fe,Ni)S, CuFeS2, Co, Cr, Pt, Pd, Os, Ir, Au; 5 — FeO; 6 — Fe; 7 — U; 8 — Th; 9 — Fe3O4.

В будущем общее давление земной атмосферы продолжит постепенное снижение за счёт связывания микроорганизмами азота в почвах континентов. Процесс этот продолжится до тех пор, пока в будущем, приблизительно через 600 млн лет, не начнётся дегазация из мантии эндогенного кислорода, освобождающегося при образовании «ядерного» вещества FeFeO по реакции (15) из предельно окисленных к тому времени окислов железа в мантии. После этого давление кислорода в атмосфере Земли начнёт стремительно возрастать вплоть до 40 атм и выше. Но произойдёт это, на наше счастье, ещё очень не скоро.

Источник

Эволюция химического состава атмосферы

Nbsp; Министерство сельского хозяйства РФ Федеральное агентство по сельскому хозяйству Федеральное государственное образовательное учреждение высшего образования «Пермская государственная сельскохозяйственная академия имени академика Д. Н. Прянишникова» Кафедра «Безопасность жизнедеятельности» «Физико-химические процессы в техносфере»

Учебное пособие

Учебное пособие составлено к.х.н. Л. В. Куслиной

Предназначено для студентов инженерного факультета специальности «БЖД в техносфере» (очное и заочное отделение) для подготовки к практическим занятиям, подготовки к зачету, самостоятельной работы по дисциплине «Физико-химические процессы в техносфере».

Рекомендовано к изданию кафедрой «Безопасность жизнедеятельности» (протокол № 6 от 24.06.16) и методической комиссией инженерного факультета (протокол № 21 от 25.03.2017 ).

Рецензент — профессор кафедры органической химии Пермского государственного университета, доктор химических наук А.Н. Масливец.

Раздел 1. Физико-химические процессы в атмосфере. 4

1.1 Химический состав атмосферы.. 5

1.2. Эволюция химического состава атмосферы.. 7

1.3. Роль органических соединений в глобальных геофизических процессах 10

1.3.1. Атмосферная химия алканов. 10

1.3.2. Атмосферная химия алкенов. 20

1.3.3. Ароматические углеводороды, ПАУ (полиядерные ароматические углеводороды) 21

1.3.4. Галогенсодержащие соединения. 23

1.4 Атмосферная химия галогенсодержащих органических соединений. 28

1.5. Атмосферные соединения азота и серы.. 30

1.3.6. Атмосферные соединения серы.. 34

1.3.8. Химия кислородсодержащих компонентов атмосферы.. 40

1.4. Гетерогенные процессы в атмосфере. 44

1.5. Физико-химические методы очистки атмосферы от газообразных загрязнителей 47

Раздел 2. Физико-химические процессы в гидросфере. 52

2.1. Химический состав природных вод. 52

2.2. Этапы формирования химического состава природных вод. 53

2.3 Классификация природных вод по степени минерализации. 57

2.4 Основные компоненты физико-химического состава природных вод. 58

2.6 Методы очистки сточных вод. 74

Раздел 3. Физико-химические процессы в почвах. 79

3.2 Окислительно-восстановительные процессы (ОВП) 81

3.3 Азот, фосфор и сера в почве. 84

3.4 Методы очистки почв (педосферы) 90

Список использованной литературы.. 104

Спецкурс СД 05 –физико-химические процессы в техносфере – представляет собой совокупность трех основных разделов:

1. Физико-химические процессы в атмосфере;

2. Физико-химические процессы в гидросфере;

3. Физико-химические процессы в почвах.

И, безусловно, включает описание взаимосвязи этих процессов, рассеивания и миграции примесей в атмосфере, гидросфере и почвах.

Первый раздел включает в себя общие характеристики атмосферы, основные физико-химические характеристики загрязнителей атмосферы, основные химические реакции, происходящие в атмосфере, образование свободных радикалов, образование аэрозолей сульфатов и нитратов, кислотные дожди, взаимодействие загрязняющих веществ на атмосферу, влияние на видимость, выпадение осадков, глобальные метеорологические явления.

Второй раздел в основном посвящен формированию и химии природных вод, процессам окисления и восстановления в природных водоемах, влиянию на них сточных вод, гидролизу солей, процессам комплексообразования.

Третий раздел – химический состав почв, окислительно-восстановительные процессы в почвах, адсорбция тяжелых металлов, реакции разрушения пестицидов, гербицидов и т.д.

Читайте также:  Земли общего пользования в коттеджном поселке

Раздел 1. Физико-химические процессы в атмосфере

Атмосфера– это самая легкая из сфер нашей планеты массой примерно 5,15×10 15 т и высотой до 1000 км.

Структуру атмосферы, изменение химического состава и изменение температурных режимов рассмотрим на следующей схеме:

До высоты примерно 80 км происходит активное перемешивание химических компонентов и наблюдается постоянный газовый состав. Характер изменения температуры зависит от особенностей химического состава воздуха. Существует 3 степени вертикальной устойчивости воздуха.

Изотермия – такое состояние, когда температура верхних и нижних слоев примерно одинакова по высоте.

Конвекция – верхние слои воздуха имеют более низкую температуру, чем нижние.

Инверсия – верхние слои воздуха имеют более высокую температуру, чем нижние.

В воздухе, которым мы дышим, находится огромное количество вредных веществ: частицы сажи, асбеста, свинца, пыли, взвешенные жидкие капли углеводородов и серной кислоты, а также оксиды углерода, оксиды азота, оксиды серы и т.д. Все эти загрязняющие вещества, находящиеся в воздухе, оказывают токсическое воздействие на организм человека: затрудняется дыхание, развиваются сердечно-сосудистые заболевания и т.д. В результате воздействия некоторых содержащихся в воздухе веществ подвергаются коррозии различные строительные материалы, в том числе известняк и металлы. Может изменяться и облик местности, поскольку растения очень чувствительны к загрязнению воздуха.

Химический состав атмосферы

Атмосфера представляет собой смесь газов.

Различают постоянные, переменные и случайные составные части воздуха.

Постоянные компоненты:

Ar (0,93%); (1,28 массовых долей )

Ne (0,01%); (0,02 массовых долей ) и другие инертные газы (He, Hr, Xe)

Переменные компоненты:

CO2 (0,02%) (и постоянно повышение)

Случайные компоненты: (это относится к приземным слоям атмосферы, прежде всего к воздуху крупных промышленных городов):

· Хвостовые – стадия производственного процесса (дымовые при сжигании топлива);

· Абгазы – выбрасывание на промежуточных стадиях процесса;

· Газы аспирационных систем – газы из местной вентиляции;

· Вентиляционный воздух – пары или капли жидкостей;

· Твердые примеси (пыль, дым, и др.);

· Микроорганизмы, пыльца растений.

Различные газовые составляющие атмосферы имеют разное время жизни.

· Долгоживущие (10 и > лет) – инертные газы;

· Среднее время жизни – углекислый газ и т.д.;

· Несколько недель или дней – вода, серная кислота и т.д.

Мелкодисперсные частицы на h

20 км живут – 1-2 года; На h

Многие из органических и неорганических составляющих атмосферы входят в состав аэрозолей (взвеси твердых и жидких частиц в газообразной среде) — пыль, дым, туман, облака.

В состав атмосферных аэрозолей входят:

4. химические соединения внеземного происхождения;

5. органические соединения;

6. биологические компоненты;

7. радионуклиды и др. вещества естественного и искусственного происхождения.

Опасность аэрозолей, в том числе в верхних слоях атмосферы связана с такими факторами как:

2. долгое время существования

3. влияние некоторых не локально, а охватывает всю планету

4. аэрозоли-сульфаты — ядра конденсации, определяют микроструктуру облаков и туманов.

В химических атмосферных процессах принимают участие различные виды атомных и молекулярных частиц.

К особенностям химических процессов в атмосфере можно отнести следующие:

1. Большинство химических реакций инициируется не термически, а фотохимически (квантами света, полученными в результате солнечного излучения);

2. Атмосфера земли – окислительная, за счет О2; в ней преобладают окислительно-восстановительные (ОВ) процессы, с участием в основном частиц с ковалентным типом химической связи;

3. Для атмосферных процессов характерны цепные реакции (т.е. протекающие в несколько стадий с участием промежуточных продуктов – реакционно-способных частиц);

4. В химических и фотохимических превращениях образуется разнообразные органические и неорганические соединения, в ряде случаев токсичные;

5. Продукты реакции могут переносные на дальние расстояния и длительное время сохранять в атмосфере (например, в виде аэрозолей).

Эволюция химического состава атмосферы

Вероятно, Земля образовалась 4,6 млрд. лет назад из рассеянного в околосолнечном пространстве газопылевого облака.

Гравитационное сжатие протопланетного облака сопровождалось выделением тепла, что происходило также при радиоактивном распаде короткоживущих изотопов и приливных деформациях под действием гравитации Луны, формировавшейся вместе с Землей. Выделение тепловой Е могло привести к частичному плавлению материала планеты и выделению газообразных веществ (дегазация недр Земли).

Читайте также:  Господу радостно пой вся земля

В течение первых 500 млн. лет существования Земли, вулканы извергали газы, состоящие из водорода (Н2), водяного пара, метана (СН4) и оксидов углерода (СОх) с примесью соединения серы. Конденсация водяного пара привела к образованию около 4 млрд. лет назад гидросферы. Наиболее важными факторами ранней эволюции атмосферы наряду с дегазации мантии, были такие процессы, как растворение СО2 в воде, и диссоциация в космос легких газов — Н2 и Не.

Самая важная отличительная особенность атмосферы того периода – полное отсутствие в ней свободного О2. Немного О2 должно было образоваться в результате фотодиссоциации Н2О под действием УФ- излучения. Однако этот О2 редуцировался в атмосфере, т.е. существовала анаэробная восстановительная атмосфера.

Переход к аэробной, окислительной атмосфере мог произойти только в результате жизнедеятельности фотосинтезирующих организмов.

Модельные эксперименты по воздействию УФ-лучей, электрических разрядов и ионизирующих излучений на газовые смеси древней атмосферы привели к образованию углеводородов, альдегидов, карбоновых кислот и аминокислот. Подобные синтезы могли проходить и в пепло-газовых вулканических столбах.

Около 3,8 млрд. лет назад абиотический синтез привел к накоплению органического вещества планеты, появились органические структуры из которых сформировались примитивные микроорганизмы.

Именно жизнедеятельность живых организмов (цианобактерий) привела к накоплению большого количества свободного кислорода одновременно с извлечением из атмосферы углекислого газа. Особенно активно эти процессы происходили во время двух ледниковых периодов – 2,4 млрд. лет назад (около 1% кислорода) и 0,6 млрд. лет назад (около 19-20% кислорода). Хотя «великое окисление атмосферы» произошло только 2,4 млрд. лет назад, известно, что осуществляющие оксигенный фотосинтез цианобактерии были уже достаточно многочисленны и активны 2,7 млрд. лет назад, а возникли они еще раньше — возможно, 3 млрд. лет назад. Таким образом, в течении по крайней мере 300 миллионов лет деятельность цианобактерий не приводила к увеличению содержания кислорода в атмосфере.

Возможно, это было связано с активным химическим стоком кислорода, в частности на окисление восстановленных соединений железа и серы, значительное количество которых находилось на поверхности Земли или здесь играет роль соотношение концентрации кислорода и метана в атмосфере.

В настоящее время атмосфера Земли на 20% состоит из свободного кислорода, который есть не что иное, как побочный продукт фотосинтеза цианобактерий, водорослей и высших растений. Очень много кислорода выделяется тропическими лесами, которые в популярных изданиях нередко называют легкими планеты. При этом, правда, умалчивается, что за год тропические леса потребляют практически столько же кислорода, сколько образуют. Расходуется он на дыхание организмов, разлагающих готовое органическое вещество, — в первую очередь бактерий и грибов. Для того, чтобы кислород начал накапливаться в атмосфере, хотя бы часть образованного в ходе фотосинтеза вещества должна быть выведена из его круговорота в окружающей среде — например, попасть в донные отложения и стать недоступной для бактерий, разлагающих его аэробно, то есть с потреблением кислорода.

Суммарную реакцию оксигенного (то есть «дающего кислород») фотосинтеза можно записать как:

CO2 + H2O + → (CH2O) + O2,
где — энергия солнечного света, а (CH2O) — обобщенная формула органического вещества.

Дыхание же — это обратный процесс, который можно записать как:

При этом будет высвобождаться необходимая для организмов энергия. Однако аэробное дыхание возможно только при концентрации O2 не меньше чем 0,01 от современного уровня (так называемая точка Пастера). В анаэробных условиях органическое вещество разлагается путем брожения, а на завершающих стадиях этого процесса нередко образуется метан. Например, обобщенное уравнение метаногенеза через образование ацетата выглядит как:

Если комбинировать процесс фотосинтеза с последующим разложением органического вещества в анаэробных условиях, то суммарное уравнение будет иметь вид:

Именно такой путь разложения органического вещества, видимо, был основным в древней биосфере.

В настоящее время ежегодно продуцируется 3,75 × 10 15 молей О2 (в атмосфере содержится 1,2*10 кг О2), т.о. состав атмосферы находится под контролем биоты – живого вещества планеты.

Пока в атмосфере действует механизм, частично компенсирующий избыточное выделение углекислого газа (до 50%).

Дата добавления: 2018-02-28 ; просмотров: 567 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник