Земная кора 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. Подобные процессы отвечали, по-видимому, за образование коры и на молодой Земле, за счет которых сформировалась ее оболочка из пород 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.
В среднем химический состав современной коры (рис. 3) показывает, что кислород содержится в ней в наибольшем количестве, сочетаясь в разных видах с кремнием, алюминием и другими элементами с образованием силикатов.
На основании различных свидетельств можно предположить, что летучие элементы выделились (дегазировались) из мантии вследствие извержений вулканов, сопровождавших образование коры. Некоторые из этих газов удержались и образовали атмосферу, когда поверхностные температуры стали достаточно низкими, а гравитационное притяжение достаточно сильным.
По-видимому, первоначально атмосфера состояла из диоксида углерода С02 и азота N2 с некоторым количеством водорода и паров воды. Эволюция в сторону современной кислородной атмосферы началась с появлением жизни[1].
Рис.3.Процентный химический состав основных элементов коры Земли
Аккреция вещества Земли привела к временному его разогреву и легких молекул первичной атмосферы, прежде всего водорода и гелия, рассеянных в космическом пространстве. Последующее понижение температуры в результате сильного излучения тепла привело к образованию твердой коры. Активный вулканизм мешал этому процессу, но в то же время поставлял большие количества газов, из которых образовалась вторичная атмосфера. В ней, кроме Н2, было много других газов, таких, как СН4, NH3 и Н2О (рис.4).
Наряду с водяными парами уже существовал и древний океан, состоящий из жидкой воды. Углекислоты Н2СО3 было мало, так как ее восстанавливали соединения Fе3+, содержавшиеся в земной коре. Примерно 1 млрд. лет атмосфера была восстановительной, имелись возможности для процессов абиогенного образования и накопления многих соединений.
| Слайд 11 | |
| Слайд 12 |
Рис.4.Схема образования простейших органических соединений из газов первичной атмосферы под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца
На восстановительную вторичную атмосферу воздействовали большие потоки энергии: коротковолновое ультрафиолетовое излучение, ионизирующее излучение Солнца (сейчас экранируется озоновым слоем), электрические разряды (грозы, коронные разряды), местные источники тепла вулканического происхождения. В этих условиях мог идти активный химический синтез, при котором из газов вторичной атмосферы через такие промежуточные продукты, как синильная кислота, этилен, этан, формальдегид и мочевина, образовались сначала мономеры, а затем и полимеры. Ввиду того, что окисления не происходило, водоемы обогащались аминокислотами, пуриновыми и пиримидиновыми основаниями, сахарами, карбоновыми кислотами, липидами. Образовался «первичный бульон». Происходили процессы осаждения, разделения и адсорбции, а на поверхностях минералов (глина, горячая лава) - дальнейшие синтетические процессы (рис.5).
Рис. 5.Возможности химической эволюции на Земле
Это подтверждается результатами анализа древних земных химических ископаемых и их сравнением с внеземным органическим веществом (метеориты), а также многочисленными модельными экспериментами, показавшими, что в смеси газов, воспроизводящей атмосферу, при достаточном притоке энергии действительно происходят процессы синтеза органических веществ. Среди продуктов этого синтеза найдены основные биологически важные соединения, в том числе 14 аминокислот, пурины и пиримидины, сахара, АМФ, АДФ, АТФ, жирные кислоты и порфирины.
По мере возрастающей потери Н2 в космическое пространство создавалась третичная атмосфера, содержащая большие количества N2 (из NH3), СО2 (из вулканических газов и из СН4) и паров воды.
Около 3,5 млрд. лет назад появились хлорофиллоносные организмы, способные осуществлять фотосинтез, т. е. использовать экзогенный источник энергии (солнечную радиацию) для синтеза из углекислого газа, воды и минеральных элементов всех органических веществ, необходимых для жизни. Эти организмы преобразовывали солнечную энергию в биохимическую.
CO2(г) + H2O(ж) > CH2O(тв) + O2(г)
«Изобретение» фотосинтеза способствовало повышению содержания кислорода в атмосфере и формированию современной, четвертичной атмосферы.
В атмосфере Земли кислород первоначально накапливался путем разложения воды и водяного пара под действием ультрафиолетовых лучей Солнца. Сначала кислород (O2) быстро потреблялся в процессе окисления восстановленных веществ и минералов. Однако наступил момент, когда скорость его поступления (уже преимущественно в процессе фотосинтеза) превысила потребление и О2 начал постепенно накапливаться в атмосфере. Около 500 млн лет назад количество кислорода в атмосфере было много больше, чем сейчас, но впоследствии в результате интенсивной вулканической деятельности снизилось до современного. Биосфера под смертельной угрозой своего собственного отравляющего побочного продукта была вынуждена приспосабливаться к таким изменениям. Она осуществляла это посредством развития новых типов биогеохимического метаболизма, которые поддерживают разнообразие жизни и на современной Земле.
Предполагают, что жизнь на Земле началась в океанах около 4,2-3,8 млрд. лет назад. Древнейшие из известных ископаемых -- бактерии из пород с возрастом около 3,5 млрд. лет. В породах этого возраста имеются свидетельства достаточно развитого обмена веществ, при котором использовалась солнечная энергия для синтеза органического вещества. Самые ранние из этих реакций, вероятно, были основаны на сере (S), поступающей из вулканических выходов:
CO2(г) + 2H2S > CH2O(тв) + 2S(тв) + H2O(ж)
(органическое вещество)
Содержание углекислого газа (СО2) в четвертичной атмосфере на порядок превышало современный уровень, затем уменьшилось в такой степени, что 500 млн лет назад оно стало заметно ниже современного уровня и достигло его лишь значительно позже.
Постепенно возникла атмосфера современного состава. К тому же кислород в стратосфере претерпел фотохимические реакции, приведшие к образованию озона (О3), защищающего Землю от ультрафиолетового излучения. Этот экран позволил высшим организмам выйти на сушу.
Итак, происхождение атмосферы неразрывно связано с образованием Земли. Эволюция атмосферы происходила (и происходит) под влиянием следующих факторов:
-аккреции вещества межпланетного пространства;
-выделения газов при вулканической деятельности;
-химического взаимодействия газов атмосферы с компонентами гидросферы и литосферы;
-диссоциации молекул газов, составляющих воздух, под влиянием солнечного ультрафиолетового и космического излучения;
-биогенных процессов в живом веществе биосферы;
-антропогенной деятельности [6].
| Слайд 13 | |
| Слайд 14 | |
| Слайд 15 |
Образование гидросферы
Вода в своих трех состояниях — жидкость, лед и водяные пары — широко распространена на поверхности Земли и занимает объем 1,4 млрд км'!. Почти более 97% ее находится в океанах, а большая часть оставшейся образует полярные ледяные шапки и ледники (около 2%). Континентальные пресные воды составляют менее 1% общего объема, в основном это подземные воды (глубинные - 0,38%, поверхностные — 0,30%, озера - 0,01%, реки — 0,0001%, почвенная влага 0,005%, биосфера — 0,00004%). Атмосфера содержит сравнительно мало воды (в виде паров 0,001%). В целом эти резервуары воды называют гидросферой.
Источник воды, приведший к образованию гидросферы, неясен. До 20% воды, связанной в гидроксильные группы, содержат некоторые метеориты. Другим возможным источником могли быть бомбардирующие Землю кометы, обогащенные водяными парами. В любом случае, когда поверхность Земли остыла до 100 °С, водяные пары, дегазирующиеся из мантии, могли сконденсироваться. Анализ погруженных в воду осадочных пород позволяет предположить, что океаны образовались около 3,8-109 лет назад.
Незначительное количество водяных паров проникает из атмосферы в космос, 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. Исходя из этих наблюдений можно предположить, что 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 0,013-106 км3), вода постоянно движется через эти резервуары. Она испаряется с поверхности океанов (0,423-106 км3Дод) и суши (0,073-106 км3Дод) и переносится воздушными массами (0,037-106 км3/год). Круговорот воды представлен на рис. 6. Каждую секунду в него вовлекаются 16,5 млн м3 воды, при этом тратится более 40 млрд МВт солнечной энергии. Быстрый перенос воды в атмосфере обусловливается поступающим солнечным излучением. Почти все излучение, достигающее коры, идет на испарение жидкой воды и образование атмосферных водяных паров. Энергия, используемаядля этого преобразования, которая затем содержится в парах, называется скрытой теплотой испарения.
Рис.6.Круговорот между резервуарами воды на планете: объемы резервуаров (подчеркнуты), тыс. км3; потоки влаги (испарение, перенос в атмосфере, осадки, речной сток), тыс. км’/ч; пределы возможных изменений уровня, зависящие от таяния или роста ледников, составляют +60 или -1 4 0 м
Большая часть оставшегося излучения поглощается корой, причем эффективность этого процесса уменьшается с увеличением широты, в основном из-за сферической формы Земли. Солнечные лучи нагревают поверхность Земли под углом 90° на экваторе, но с увеличением широты — под все меньшими углами (рис. 7).
Как видно из рисунка, равные количества энергии А и В приходятся на большие пространства в высоких широтах, что приводит к уменьшению интенсивности облучения. На нижней части рисунка — поперечные сечения лучей Солнца, попадающих на поверхность Земли.
Рис. 7.Изменение относительного количества солнечного излучения (энергия на единицу поверхности): а на экваторе; б - на полюсах
Изменение с широтой количества поступающего излучения не сбалансировано обратным излучением с поверхности Земли, таким образом, результатом является общий радиационный дисбаланс. Однако полюса не становятся холоднее, а экватор — теплее, поскольку в направлении полюсов тепло перемещается вместе с теплыми океаническими течениями и массами воздуха, нагретыми за счет процессов испарения воды[1].
Итак, что такое гидросфера и как она важна, знает, пожалуй, каждый человек, но не многие задумываются о том, с какой катастрофической скоростью происходит загрязнение вод. Если бы каждый приложил усилия для сохранения чистой воды, катастрофа бы не была такой масштабной. Гидросфера земли уже никогда не восстановится полностью, но человечеству под силу сделать так, чтобы нынешние запасы не оказались загрязненными [2].
Знания в области химии окружающей среды могут и должны стать фактором, стимулирующим сознательную, целеустремленную и конструктивную деятельность мирового сообщества по гармонизации и регулированию его отношений с Природой [1].
| Слайд 16 | ||
| Слайд 17 | ||
| Слайд 18 |
Заключение
Величие и многообразие окружающего мира способно поразить любое воображение. Все объекты и предметы, окружающие человека, другие люди, различные виды растений и животных, частицы, которые можно увидеть только с помощью микроскопа, а также непостижимые звездные скопления: все они объединены понятием «Вселенная».
Ученые пришли к выводу, что эволюция Вселенной продолжается. Завихрения гигантского скопления водорода сплющивают вещество, преображают эти скопления в водовороты. Так рождаются сферические, эллиптические и сплющенные галактики (в зависимости от скорости вращения колоссального – в сто тысяч световых лет – круговорота). К последнему типу галактик принадлежит и наша – Млечный Путь. Внутри галактик под давлением сгустков водорода формируются звезды. Они также проходят длительные стадии эволюции: от раскаленных добела сверхновых до «красных гигантов», «белых карликов» и черных дыр. Те же процессы происходят и с нашим Солнцем, в то время, как Космос продолжает расширяться.
Возникновение основных околоповерхностных компонентов Земли (коры, океанов и атмосферы), эволюция их общего химического состава остаются предметами дискуссий, ведущихся учеными на протяжении почти столетия.
Очевидно, что для создания из первородного хаоса Земли задействованы могучие силы природы. Неудивительно, что древние предки сопоставляли их со свершениями Богов. Даже образно невозможно представить происхождение Земли, картинки реальности наверняка превзошли бы самые смелые фантазии. Но по крупицам знаний, собираемым учеными, постепенно выстраивается целостная картина окружающего мира.
Земная кора 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. Подобные процессы отвечали, по-видимому, за образование коры и на молодой Земле, за счет которых сформировалась ее оболочка из пород 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.
Итак, происхождение атмосферы неразрывно связано с образованием Земли. Эволюция атмосферы происходила (и происходит) под влиянием следующих факторов:
-аккреции вещества межпланетного пространства;
-выделения газов при вулканической деятельности;
-химического взаимодействия газов атмосферы с компонентами гидросферы и литосферы;
-диссоциации молекул газов, составляющих воздух, под влиянием солнечного ультрафиолетового и космического излучения;
-биогенных процессов в живом веществе биосферы;
-антропогенной деятельности.
Вода в своих трех состояниях — жидкость, лед и водяные пары — широко распространена на поверхности Земли и занимает объем 1,4 млрд км'!. Почти более 97% ее находится в океанах, а большая часть оставшейся образует полярные ледяные шапки и ледники (около 2%). Континентальные пресные воды составляют менее 1% общего объема, в основном это подземные воды (глубинные - 0,38%, поверхностные — 0,30%, озера - 0,01%, реки — 0,0001%, почвенная влага 0,005%, биосфера — 0,00004%). Атмосфера содержит сравнительно мало воды (в виде паров 0,001%). В целом эти резервуары воды называют гидросферой.
Итак, что такое гидросфера и как она важна, знает, пожалуй, каждый человек, но не многие задумываются о том, с какой катастрофической скоростью происходит загрязнение вод. Если бы каждый приложил усилия для сохранения чистой воды, катастрофа бы не была такой масштабной. Гидросфера земли уже никогда не восстановится полностью, но человечеству под силу сделать так, чтобы нынешние запасы не оказались загрязненными.
Знания в области химии окружающей среды могут и должны стать фактором, стимулирующим сознательную, целеустремленную и конструктивную деятельность мирового сообщества по гармонизации и регулированию его отношений с Природой.
Список используемой литературы
1.Хаханина Т.И. Химия окружающей среды: учебное пособие / Т.И. Хаханина. – М.: Высшее образование, 2009. – 127с.
2.Гипотезы формирования гидросферы. Как появилась вода на Земле?: https://fb.ru/article/277188/gipotezyi-formirovaniya-gidrosferyi-kak-poyavilas-voda-na-zemle
3.Гипотезы происхождения Земли. Происхождение планет: https://fb.ru/article/158460/gipotezyi-proishojdeniya-zemli-proishojdenie-planet
4.Как происходила эволюция Вселенной https://fb.ru/article/51943/kak-proishodila-evolyutsiya-vselennoy
5.Теории возникновения Вселенной. https://fb.ru/article/248476/teorii-vozniknoveniya-vselennoy-skolko-suschestvuet-teoriy-vozniknoveniya-vselennoy-teoriya-bolshogo-vzryiva-vozniknovenie-vselennoy-religioznaya-teoriya-vozniknoveniya-vselennoy
6.Эволюция атмосферы и происхождение жизни. https://studwood.ru/1004565/ekologiya/obrazovanie_zemnoy_kory_atmosfery