КЛИМАТ В ДРЕВНИЕ ЭПОХИ

 

Эволюция углекислого газа и кислорода атмосферы

 

 

Физические процессы, развивающиеся в атмосфере, определяют погодные условия на земной поверхности и являются одной из главных причин, формирующих климат планеты. К их числу относятся процессы изменения состава и циркуляции атмосферы, влияющие на поглощение солнечной радиации и формирование потоков длинноволнового излучения.

 

Шарообразная форма Земли способствует различному поглощению солнечной радиации земной поверхностью. Наибольшее количество ее поглощается в низких широтах, где температура воздуха у земной поверхности намного выше, чем в средних и высоких широтах. Хотя эта разность температур существовала на протяжении всей геологической истории планеты, но в разные интервалы времени в количественном отношении она выражалась по- разному. Основными из планетарных факторов, накладывающих отпечаток на распределение температуры, являются изменчивость состава атмосферы, различная площадь суши и моря и местонахождение континентов на земной сфере. Разность температур между экваториальными и полярными широтами являлась основной причиной, вызывающей движение воздушных масс в атмосфере и водных масс в морях и океанах. При значительной разности между температурами в полярных и экваториальных широтах, как, например, в современную эпоху или во время крупнейших оледенений, возникали крупные горизонтальные и вертикальные перемещения водных и воздушных масс.

 

Среди компонентов атмосферы наибольшее влияние на температурный режим Земли оказывают так называемые термодинамически активные примеси. Ими являются углекислый газ, аэрозоль и водяной пар. Хотя концентрация кислорода не оказывает эффективного прямого воздействия на температурный режим, но его влияние на развитие органического мира и создание озонного экрана весьма велико.

 

Состав атмосферы оказывает непосредственное влияние на развитие биологических процессов. Наибольшее значение для развития биологических процессов, как известно, имеют кислород, озон и углекислый газ. Кислород и углекислый газ используются организмами на эффективное течение метаболических процессов и расходуются на минерализацию и окисление органических веществ.

 

Развитие атмосферы тесно связано с геологическими и геохимическими процессами и с деятельностью живых организмов. Вместе с тем сама атмосфера оказывает влияние на земную поверхность, являясь мощным фактором выветривания и денудации.

 

Не касаясь особенностей возникновения атмосферы и эволюции ее состава в архее и протерозое, рассмотрим лишь основные тенденции изменения состава атмосферы в течение фанерозойской истории Земли. Согласно Л. Беркнеру и Л. Маршаллу [112, 113], в вендскую эпоху была достигнута так называемая точка Пастера, когда содержание кислорода в атмосфере повысилось до 0,01 % по сравнению с современным. Эта точка является весьма важным рубежом для развития организмов. При точке Пастера целый ряд микроорганизмов переходит к окислительным реакциям при дыхании и в процессе метаболизма освобождается энергии примерно в 30—50 раз больше, чем при анаэробном (ферментативном) брожении. Л. Беркнер и Л. Маршалл полагают, что при достижении точки Пастера увеличилась эффективность озонного экрана. Возникновение озонного экрана ограничило поступление на земную поверхность наиболее коротковолновой части ультрафиолетового излучения. Небольшая доза ультрафиолетового излучения, поступающая на земную поверхность, уже не способна была проникать, как ранее, сквозь всю толщу воды. Это открыло возможность для заселения просторов морей и океанов организмами. Сравнительно быстро, уже в начале кембрия, появляются и быстро расселяются многие группы беспозвоночных.

 

В дальнейшем, по данным Беркнера и Маршалла [112, 113], примерно на границе между силуром и девоном, т. е. около 400 млн. лет назад, содержание кислорода еще более усилило эффективность озонного экрана, который поглощал губительную для живых организмов часть ультрафиолетового солнечного излучения и поверхность морей и суши стала безопасной для организмов. Именно к этому времени относится выход на сушу примитивных растительных форм, появление фито- и зоопланктона и сравнительно быстрая оккупация растительностью и наземными организмами просторов суши.

 

Современный уровень содержания кислорода в атмосфере был достигнут примерно в середине девона, в результате бурного фотосинтеза, происходившего в примитивных лесных массивах. По мнению ряда исследователей, современный уровень содержания кислорода в атмосфере был даже превзойден в начале карбона, когда происходил бурный расцвет растительности. Массовая гибель растительности в конце раннего карбона вызвала сокращение концентрации кислорода. С точкой зрения Беркнера и Маршалла [112, 113] согласны не все исследователи. По мнению М. Руттена [169], содержание кислорода в атмосфере достигло точки Пастера не в венде, а значительно раньше, в середине архея, а 10%-ный уровень содержания кислорода — в позднем рифее.

 

В настоящее время основными резервуарами кислорода являются осадочные породы, в которых находится около 6-Ю22 г кислорода, в водах океана его содержится 1,4-1024 г, в атмосфере— 1,2 • 1021 г, а в биосфере — около 1019 г кислорода. Все перечисленные резервуары кислорода взаимно связаны через атмосферу. Причем наибольшее поступление кислорода в атмосферу осуществляется через биосферу. Годовая продукция кислорода биосферы составляет приблизительно (1... 1,5)-1017 г. Такая высокая производительность дает возможность считать, что весь кислород в атмосфере мог быть создан за несколько десятков тысячелетий. В действительности за этот промежуток времени кислород в атмосфере полностью обновляется. Продуцированный биосферой кислород затрачивается на дыхание, на окисление органических веществ и вулканических газов, расходуется на выветривание. В частности, при выветривании ежегодно затрачивается 3- 10й г кислорода. Это значит, что при полном отсутствии источников кислорода весь атмосферный кислород был бы израсходован на выветривание и окисление минералов всего за 4-Ю6 лет.

 

Исходя из современных обзоров [62—64, 147, 169], основным источником кислорода в атмосфере был процесс фотосинтеза. М. И. Будыко и А. Б. Ронов [20] рассчитали, что в отложениях фанерозоя накопилось 7,3-1021 г органического углерода и образовалось 19- 1021 г кислорода. Эти данные относятся только к континентам, но фактическое поступление кислорода должно быть большим, так как в этом случае не учитывался фотосинтез в океанах. По расчетам авторов оказалось, что свыше 90 % суммарного прихода кислорода в фанерозое было израсходовано на окисление минеральных соединений и выветривание. Скорость этого расхода в течение фанерозойской истории была неодинаковой, она в полной мере зависела от массы атмосферного кислорода. Знание общего количества органического углерода в отдельные промежутки времени, расхода кислорода на окисление и значения вычисленного коэффициента пропорциональности позволили Будыко и Ронову [20] рассчитать изменение количества кислорода в атмосфере в течение фанерозоя ( 7.3).

 

Масса атмосферного кислорода в начале фанерозоя согласно этому расчету составляла '/з современного содержания. В течение фанерозоя количество кислорода росло неравномерно. Первое резкое повышение содержания кислорода в атмосфере произошло в девоне и карбоне, когда общее его количество достигло современного уровня. В конце палеозоя масса кислорода уменьшилась, достигнув в начале триаса или в конце перми значений, характерных для раннего палеозоя. В середине мезозоя произошло новое увеличение количества кислорода, которое в дальнейшем сменилось медленным его убыванием.

 

Рассчитанное содержание кислорода в атмосфере хорошо согласуется с целым рядом геологических фактов. Так, повышение кислорода в девоне и карбоне совпало с наивысшим расцветом растительности, ее оккупацией просторов суши и существенным увеличением продуктивности фитопланктона в морях и океанах. Развитие в перми и триасе аридных условий привело к сокращению растительной массы, и в связи с этим резко возросло потребление кислорода на процессы окисления. В свою очередь это способствовало снижению общего количества атмосферного кислорода.

 

Важнейшая роль в формировании климата принадлежит и другой термодинамической активной примеси — углекислому газу, который создает парниковый эффект. В отдельные периоды геологической истории Земли концентрация углекислого газа в атмосфере значительно превышала современную, но с течением времени происходило постепенное удаление из атмосферы углекислоты.

 

Углекислый газ удалялся из атмосферы и гидросферы в результате образования карбонатов как хемогенным, так и органогенным путем. А. Б. Ронов [63] на основе распространения и мощности карбонатных и углеродсодержащих пород в пределах современных материков подсчитал расход углекислого газа в различные периоды фанерозоя. Эти данные показывают, что объемы карбонатов изменяются не монотонно, а испытывают существенные колебания.

 

М. И. Будыко и А. Б. Ронов [20] рассчитали изменение массы углекислого газа в атмосфере в течение фанерозоя. Ввиду того что исходные данные не включают материалы по океанам и точность их, естественно, ограничена неполнотой геологической летописи, полученные результаты являются не абсолютными, а относительными и характеризуют интенсивность планетарных процессов в различные интервалы геологического времени.

Используя данные о количестве углекислого газа, сосредоточенного в осадочных породах за кайнозойскую эру, авторы установили, что за последний миллион лет накопилось 0,05-1021 г С02. Исходя из современного содержания углекислого газа в атмосфере (0,03 %) был определен коэффициент пропорциональности, благодаря которому была получена концентрация углекислого газа в различные периоды фанерозоя в атмосфере Земли ( 7.4).

 

Содержание углекислого газа в атмосфере на протяжении фанерозоя неравномерно изменялось от 0,4 до 0,03 %. Первое существенное снижение общего количества углекислого газа в атмосфере произошло в конце раннего палеозоя. В конце мезозойской эры началось постепенное уменьшение концентрации углекислого газа. Последнее значительное снижение концентрации СОг в атмосфере произошло в плиоцене. В современную эпоху содержание углекислого газа в атмосфере достигло своего наименьшего значения за всю историю Земли.

 

Колебания вулканической активности оказывают влияние на количество углекислого газа в атмосфере. Концентрация углекислого газа в атмосфере согласованно изменялась вместе с изменением уровня вулканической активности, максимум активности сопровождался повышением С02 [19].

 

Содержание водяного пара в современной атмосфере составляет 0,23 % и его роль в создании парникового эффекта весьма велика [162]. Насыщающая концентрация водяного пара в атмосфере увеличивается с повышением температуры. Чем больше водяного пара в атмосфере, тем сильнее парниковый эффект, тем выше температура. В настоящее время нет возможности хотя бы косвенным путем получить данные о количестве водяного пара в те или иные эпохи фанерозоя. В какой-то мере об относительно высоком содержании водяного пара могут свидетельствовать известные периоды гумидизации климата.

 

К содержанию: Древние климаты Земли. Происхождение и эволюция климата

 

Науки о Земле

Палеоклиматология





 

 Смотрите также:

  

Загадка кислорода. Древние гиганты и кислород

Уровень содержания кислорода в атмосфере нашей планеты существенно колебался от одной геологической эпохи к другой.
Дыхание же, наоборот, превращает кислород и углеродные соединения в углекислый газ и воду.

 

Давление человека на биосферу. Поступление кислорода...

· произошло истощение озонового слоя атмосферы Земли (озоносферы), задерживающего губительное для всего
Сейчас в Океан ежегодно выливается 10 млн т нефти, углеводороды которой разрушаются микроорганизмами, превращающими нефть в углекислый газ и воду.

 

Современное представление о происхождении жизни.

Можно сказать, что эволюции организмов предшествовала очень длительная химическая эволюция.
Возникновение фотосинтеза сопровождалось поступлением в атмосферу кислорода.

 

состав атмосферы - состоит из 21 % кислорода, 78 % азота...

Ранее, считают ученые, состав атмосферы был иной: в ней преобладали аммиак, водород, вода, углекислый газ и метан. Чистый кислород практически отсутствовал. Иными словами, это была смесь газов, которые выходили из земных недр.

 

ВОЗДУХ — смесь газов, составляющих атмосферу земного шара.

Поскольку процентный состав атмосферного В. на любой высоте постоянный, то при подъеме парциальное давление кислорода будет
В атмосферу углекислый газ поступает в результате жизнедеятельности живых организмов, процессов горения, гниения и брожения.

 

Средообразующие функции живого вещества. Энергетическая...

С газовой функцией в настоящее время связывают два переломных периода (точки) в развитии биосферы. Первая из них относится ко времени, когда содержание кислорода в атмосфере достигло примерно 1% от современного уровня (первая точка Пастера).

 

Лес и атмосфера. Состав атмосферного воздуха влияет на рост...

Загадка кислорода. Древние гиганты и кислород.
Значит, любое изменение в составе атмосферы вызвано больше геологией, нежели биологией.
ВОЗДУХ. — естественная смесь газов, составляющая атмосферу (газообразную оболочку Земли).

 

Начальные этапы эволюции жизни. Переход в эволюции живой...

При этом, разумеется, поглощаются из внешней среды и некоторые вещества — вода, углекислый газ, минеральные соединения.
Первичная атмосфера Земли не содержала свободного кислорода, и для анаэробных организмов он был ядом.

 

ПРИРОДНЫЕ КАТАСТРОФЫ. Столкновение земли с астероидами...

На основе этого интереса и возникло еще в глубокой древности изучение природных катастроф.
Они полагают, что к середине XXI в. содержание углекислого газа в атмосфере удвоится, а это, несомненно» должно привести к глобальному потеплению.