الغلاف الجوي وتكوينه وبنيته. وظائف الغلاف الجوي. تكوين الغلاف الجوي الظروف الجوية

يبدو أن الزيادة الملحوظة في الأكسجين الحر في الغلاف الجوي للأرض منذ 2.4 مليار سنة قد نتجت عن انتقال سريع للغاية من حالة توازن إلى أخرى. يتوافق المستوى الأول مع تركيز منخفض للغاية من O 2 - حوالي 100000 مرة أقل مما لوحظ الآن. وكان من الممكن تحقيق مستوى التوازن الثاني بتركيز أعلى لا يقل عن 0.005 من المستوى الحديث. يتميز محتوى الأكسجين بين هذين المستويين بعدم الاستقرار الشديد. إن وجود مثل هذه "الثباتية" يجعل من الممكن فهم سبب وجود القليل جدًا من الأكسجين الحر في الغلاف الجوي للأرض لمدة 300 مليون سنة على الأقل بعد أن بدأت البكتيريا الزرقاء (الطحالب الخضراء المزرقة) في إنتاجه.

حاليًا، يتكون الغلاف الجوي للأرض من 20٪ من الأكسجين الحر، وهو ليس أكثر من منتج ثانوي لعملية التمثيل الضوئي بواسطة البكتيريا الزرقاء والطحالب والنباتات العليا. يتم إطلاق الكثير من الأكسجين عن طريق الغابات الاستوائية، والتي تسمى غالبًا في المنشورات الشعبية رئتي الكوكب. ومع ذلك، في الوقت نفسه، من الصامت أن الغابات الاستوائية تستهلك خلال العام نفس كمية الأكسجين التي تنتجها تقريبًا. يتم إنفاقه على تنفس الكائنات الحية التي تحلل المواد العضوية الجاهزة - البكتيريا والفطريات في المقام الأول. من أجل هذا، لكي يبدأ الأكسجين في التراكم في الغلاف الجوي، يجب إزالة جزء على الأقل من المادة التي تكونت أثناء عملية التمثيل الضوئي من الدورة- على سبيل المثال، ندخل في الرواسب السفلية وتصبح غير قابلة للوصول إلى البكتيريا التي تتحللها هوائيا، أي مع استهلاك الأكسجين.

يمكن كتابة التفاعل الكلي لعملية التمثيل الضوئي الأكسجيني (أي "إعطاء الأكسجين") على النحو التالي:
ثاني أكسيد الكربون 2 + ح 2 يا + hν→ (CH2O) + يا2،
أين hνهي طاقة ضوء الشمس، و (CH 2 O) هي الصيغة المعممة للمادة العضوية. التنفس هو عملية عكسية، ويمكن كتابتها على النحو التالي:
(CH 2 O) + O 2 → CO 2 + H 2 O.
وفي الوقت نفسه، سيتم إطلاق الطاقة اللازمة للكائنات الحية. ومع ذلك، فإن التنفس الهوائي ممكن فقط عند تركيز O2 لا يقل عن 0.01 من المستوى الحديث (ما يسمى بنقطة باستور). في ظل الظروف اللاهوائية، تتحلل المادة العضوية من خلال التخمر، وغالبًا ما تنتج المراحل النهائية من هذه العملية غاز الميثان. على سبيل المثال، تبدو المعادلة المعممة لتوليد الميثان من خلال تكوين الأسيتات كما يلي:
2(CH 2 O) → CH 3 COOH → CH 4 + CO 2.
إذا قمنا بدمج عملية التمثيل الضوئي مع التحلل اللاحق للمواد العضوية في الظروف اللاهوائية، فستبدو المعادلة الإجمالية كما يلي:
ثاني أكسيد الكربون 2 + ح 2 يا + hν→ 1/2 CH 4 + 1/2 CO 2 + O 2.
كان هذا المسار لتحلل المواد العضوية هو على ما يبدو المسار الرئيسي في المحيط الحيوي القديم.

لا تزال العديد من التفاصيل المهمة حول كيفية إنشاء التوازن الحديث بين إمدادات الأكسجين وإزالته من الغلاف الجوي غير واضحة. بعد كل شيء، حدثت زيادة ملحوظة في محتوى الأكسجين، أو ما يسمى بـ "الأكسدة الكبرى للغلاف الجوي"، قبل 2.4 مليار سنة فقط، على الرغم من أنه من المعروف على وجه اليقين أن البكتيريا الزرقاء التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي الأكسجيني كانت بالفعل عديدة جدًا ونشطة منذ 2.7 مليار سنة. منذ فترة طويلة، وقد نشأت في وقت سابق - ربما قبل 3 مليارات سنة. وهكذا داخل لمدة 300 مليون سنة على الأقل، لم يؤد نشاط البكتيريا الزرقاء إلى زيادة محتوى الأكسجين في الغلاف الجوي.

إن الافتراض القائل بأن هناك فجأة، لسبب ما، زيادة جذرية في صافي الإنتاج الأولي (أي الزيادة في المواد العضوية التي تتشكل أثناء عملية التمثيل الضوئي للبكتيريا الزرقاء) لم يصمد أمام النقد. والحقيقة هي أنه أثناء عملية التمثيل الضوئي، يتم استهلاك النظير الخفيف للكربون 12 C في الغالب، وفي البيئة يزداد المحتوى النسبي للنظير الأثقل 13 C، وبالتالي، يجب استنفاد الرواسب السفلية التي تحتوي على مادة عضوية في النظير 13 C يتراكم في الماء ويتجه لتكوين الكربونات. ومع ذلك، فإن نسبة 12 درجة مئوية إلى 13 درجة مئوية في الكربونات وفي المواد العضوية للرواسب تظل دون تغيير على الرغم من التغيرات الجذرية في تركيز الأكسجين في الغلاف الجوي. وهذا يعني أن بيت القصيد ليس في مصدر O 2، بل في "الغرق" (الإزالة من الغلاف الجوي)، كما قال علماء الجيوكيمياء، والذي انخفض فجأة بشكل ملحوظ، مما أدى إلى زيادة كبيرة في كمية الأكسجين في الغلاف الجوي.

من المعتقد عادة أنه قبل "الأكسدة الكبرى للغلاف الجوي" مباشرة، تم إنفاق كل الأكسجين المتشكل بعد ذلك على أكسدة مركبات الحديد المختزلة (ثم الكبريت)، والتي كانت وفيرة جدًا على سطح الأرض. وعلى وجه الخصوص، تم تشكيل ما يسمى بـ "خامات الحديد ذات النطاقات" في ذلك الوقت. ولكن في الآونة الأخيرة، توصل كولن جولدبلات، وهو طالب دراسات عليا في كلية العلوم البيئية بجامعة إيست أنجليا (نورويتش، المملكة المتحدة)، مع اثنين من زملائه من نفس الجامعة، إلى استنتاج مفاده أن محتوى الأكسجين في الغلاف الجوي للأرض يمكن أن يكون في إحدى حالتي التوازن: يمكن أن تكون إما صغيرة جدًا - أقل بحوالي 100 ألف مرة مما هي عليه الآن، أو كثيرة جدًا (على الرغم من أنها صغيرة من وجهة نظر المراقب الحديث) - ما لا يقل عن 0.005 من المستوى الحديث.

وفي النموذج المقترح، أخذوا في الاعتبار دخول كل من الأكسجين والمركبات المختزلة إلى الغلاف الجوي، ولا سيما الاهتمام بنسبة الأكسجين الحر والميثان. وأشاروا إلى أنه إذا تجاوز تركيز الأكسجين 0.0002 من المستوى الحالي، فيمكن بالفعل أكسدة بعض الميثان بواسطة بكتيريا الميثانوتروف وفقًا للتفاعل:
CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O.
لكن بقية الميثان (وهناك الكثير منه، خاصة في تركيزات منخفضة من الأكسجين) يدخل الغلاف الجوي.

النظام بأكمله في حالة عدم توازن من وجهة نظر الديناميكا الحرارية. الآلية الرئيسية لاستعادة التوازن المضطرب هي أكسدة الميثان في الطبقات العليا من الغلاف الجوي بواسطة جذري الهيدروكسيل (انظر تقلبات الميثان في الغلاف الجوي: الإنسان أم الطبيعة – من ينتصر، "العناصر"، 10/06/2006). ومن المعروف أن جذر الهيدروكسيل يتشكل في الغلاف الجوي تحت تأثير الأشعة فوق البنفسجية. ولكن إذا كان هناك الكثير من الأكسجين في الغلاف الجوي (على الأقل 0.005 من المستوى الحالي)، فسيتم تشكيل شاشة الأوزون في طبقاتها العليا، والتي تحمي الأرض بشكل جيد من الأشعة فوق البنفسجية الصلبة وفي نفس الوقت تتداخل مع الفيزيائية والكيميائية أكسدة الميثان.

توصل الباحثون إلى نتيجة متناقضة إلى حد ما مفادها أن وجود التمثيل الضوئي الأكسجيني في حد ذاته ليس شرطًا كافيًا لتشكيل غلاف جوي غني بالأكسجين أو لظهور شاشة الأوزون. يجب أن يؤخذ هذا الظرف في الاعتبار في الحالات التي نحاول فيها العثور على علامات وجود حياة على كواكب أخرى بناءً على نتائج مسح غلافها الجوي.

الغلاف الجوي (من الكلمة اليونانية ατμός - "البخار" و σφαῖρα - "الكرة") هو الغلاف الغازي لجرم سماوي، والذي تحيط به الجاذبية. الغلاف الجوي هو الغلاف الغازي للكوكب، ويتكون من خليط من الغازات المختلفة وبخار الماء والغبار. يقوم الغلاف الجوي بتبادل المادة بين الأرض والكون. تستقبل الأرض الغبار الكوني والمواد النيزكية، وتفقد أخف الغازات: الهيدروجين والهيليوم. يتم اختراق الغلاف الجوي للأرض من خلال إشعاع قوي من الشمس، والذي يحدد النظام الحراري لسطح الكوكب، مما يتسبب في تفكك جزيئات غازات الغلاف الجوي وتأين الذرات.

يحتوي الغلاف الجوي للأرض على الأكسجين الذي تستخدمه معظم الكائنات الحية للتنفس، وثاني أكسيد الكربون الذي تستهلكه النباتات والطحالب والبكتيريا الزرقاء أثناء عملية التمثيل الضوئي. والغلاف الجوي هو أيضًا الطبقة الواقية للكوكب، حيث يحمي سكانه من أشعة الشمس فوق البنفسجية.

جميع الأجسام الضخمة - الكواكب الأرضية والعمالقة الغازية - لها غلاف جوي.

تكوين الغلاف الجوي

الغلاف الجوي عبارة عن خليط من الغازات تتكون من النيتروجين (78.08%)، الأكسجين (20.95%)، ثاني أكسيد الكربون (0.03%)، الأرجون (0.93%)، كمية قليلة من الهيليوم، النيون، الزينون، الكريبتون (0.01%)، 0.038% ثاني أكسيد الكربون، وكميات صغيرة من الهيدروجين والهيليوم والغازات النبيلة الأخرى والملوثات.

تم إنشاء التركيب الحديث للهواء الأرضي منذ أكثر من مائة مليون عام، لكن النشاط الإنتاجي البشري المتزايد بشكل حاد أدى إلى تغييره. في الوقت الحالي، هناك زيادة في محتوى ثاني أكسيد الكربون بحوالي 10-12%. وتؤدي الغازات الموجودة في الغلاف الجوي أدوارًا وظيفية مختلفة. ومع ذلك، فإن الأهمية الرئيسية لهذه الغازات تتحدد في المقام الأول من خلال حقيقة أنها تمتص الطاقة الإشعاعية بقوة وبالتالي يكون لها تأثير كبير على نظام درجة حرارة سطح الأرض والغلاف الجوي.

يعتمد التكوين الأولي للغلاف الجوي للكوكب عادةً على الخواص الكيميائية ودرجة الحرارة للشمس أثناء تكوين الكواكب وإطلاق الغازات الخارجية لاحقًا. ثم يتطور تكوين قذيفة الغاز تحت تأثير العوامل المختلفة.

يتكون الغلاف الجوي للزهرة والمريخ بشكل أساسي من ثاني أكسيد الكربون مع إضافات طفيفة من النيتروجين والأرجون والأكسجين والغازات الأخرى. الغلاف الجوي للأرض هو إلى حد كبير نتاج الكائنات الحية التي تعيش فيه. يمكن للعمالقة الغازية ذات درجات الحرارة المنخفضة - كوكب المشتري وزحل وأورانوس ونبتون - أن تحتفظ بشكل أساسي بالغازات ذات الوزن الجزيئي المنخفض - الهيدروجين والهيليوم. وعلى العكس من ذلك، لا تستطيع الكواكب الغازية العملاقة ذات الحرارة العالية، مثل أوزوريس أو 51 بيغاسي ب، الاحتفاظ بها وتتناثر جزيئات غلافها الجوي في الفضاء. تحدث هذه العملية ببطء وبشكل مستمر.

نتروجين،وهو الغاز الأكثر شيوعا في الغلاف الجوي، وهو غير نشط كيميائيا.

الأكسجينعلى عكس النيتروجين، فهو عنصر نشط للغاية كيميائيا. وتتمثل الوظيفة المحددة للأكسجين في أكسدة المواد العضوية للكائنات غيرية التغذية والصخور والغازات غير المؤكسدة المنبعثة في الغلاف الجوي بواسطة البراكين. وبدون الأكسجين، لن يكون هناك تحلل للمواد العضوية الميتة.

هيكل الغلاف الجوي

يتكون هيكل الغلاف الجوي من جزأين: الجزء الداخلي - التروبوسفير، الستراتوسفير، الميزوسفير والغلاف الحراري، أو الغلاف الأيوني، والخارجي - الغلاف المغناطيسي (الغلاف الخارجي).

1) التروبوسفير– وهو الجزء السفلي من الغلاف الجوي الذي يتركز فيه 3/4 أي. ~ 80% من الغلاف الجوي للأرض بأكمله. يتم تحديد ارتفاعه من خلال شدة تدفقات الهواء الرأسية (الصاعدة أو الهابطة) الناتجة عن تسخين سطح الأرض والمحيطات، وبالتالي فإن سمك طبقة التروبوسفير عند خط الاستواء هو 16-18 كم، وفي خطوط العرض المعتدلة 10-11 كم، و في القطبين - ما يصل إلى 8 كم. تنخفض درجة حرارة الهواء في طبقة التروبوسفير على ارتفاع بمقدار 0.6 درجة مئوية لكل 100 متر وتتراوح من +40 إلى -50 درجة مئوية.

2) الستراتوسفيرتقع فوق طبقة التروبوسفير ويصل ارتفاعها إلى 50 كم عن سطح الكوكب. درجة الحرارة على ارتفاع يصل إلى 30 كم ثابتة -50 درجة مئوية. ثم يبدأ في الارتفاع وعلى ارتفاع 50 كم يصل إلى +10 درجة مئوية.

الحد العلوي للمحيط الحيوي هو شاشة الأوزون.

شاشة الأوزون هي طبقة من الغلاف الجوي داخل طبقة الستراتوسفير، وتقع على ارتفاعات مختلفة عن سطح الأرض ولها أقصى كثافة للأوزون على ارتفاع 20-26 كم.

ويقدر ارتفاع طبقة الأوزون عند القطبين بـ 7-8 كم، وعند خط الاستواء بـ 17-18 كم، ويبلغ أقصى ارتفاع لتواجد الأوزون 45-50 كم. الحياة فوق درع الأوزون مستحيلة بسبب الأشعة فوق البنفسجية القاسية للشمس. إذا ضغطت جميع جزيئات الأوزون، فستحصل على طبقة تبلغ حوالي 3 مم حول الكوكب.

3) الميزوسفير– يقع الحد العلوي لهذه الطبقة حتى ارتفاع 80 كم. السمة الرئيسية لها هي الانخفاض الحاد في درجة الحرارة -90 درجة مئوية عند الحد الأعلى. تم تسجيل السحب الليلية المضيئة المكونة من بلورات الجليد هنا.

4) الغلاف الأيوني (الغلاف الحراري) -تقع على ارتفاع 800 كم وتتميز بارتفاع كبير في درجات الحرارة:

درجة حرارة 150 كم +240 درجة مئوية،

درجة حرارة 200 كم +500 درجة مئوية،

600 كم درجة الحرارة +1500 درجة مئوية.

تحت تأثير الأشعة فوق البنفسجية القادمة من الشمس، تكون الغازات في حالة مؤينة. يرتبط التأين بتوهج الغازات وظهور الشفق القطبي.

يتمتع الغلاف الأيوني بالقدرة على عكس موجات الراديو بشكل متكرر، مما يضمن اتصالات لاسلكية بعيدة المدى على الكوكب.

5) الإكسوسفير– تقع فوق 800 كم وتمتد حتى 3000 كم. درجة الحرارة هنا >2000 درجة مئوية. سرعة حركة الغاز تقترب من الحرجة ~ 11.2 كم / ثانية. والذرات السائدة هي الهيدروجين والهيليوم، اللتان تشكلان هالة مضيئة حول الأرض تمتد إلى ارتفاع 20 ألف كيلومتر.

وظائف الغلاف الجوي

1) التنظيم الحراري - يعتمد الطقس والمناخ على الأرض على توزيع الحرارة والضغط.

2) استدامة الحياة.

3) في طبقة التروبوسفير، تحدث حركات رأسية وأفقية عالمية للكتل الهوائية، والتي تحدد دورة المياه والتبادل الحراري.

4) تنتج جميع العمليات الجيولوجية السطحية تقريبًا عن تفاعل الغلاف الجوي والغلاف الصخري والغلاف المائي.

5) وقائي - يحمي الغلاف الجوي الأرض من الفضاء والإشعاع الشمسي وغبار النيزك.

وظائف الغلاف الجوي. وبدون الغلاف الجوي، ستكون الحياة على الأرض مستحيلة. يستهلك الشخص 12-15 كجم يومياً. الهواء، حيث يستنشق كل دقيقة من 5 إلى 100 لتر، وهو ما يتجاوز بشكل كبير متوسط ​​​​الحاجة اليومية للطعام والماء. بالإضافة إلى ذلك، يحمي الغلاف الجوي الناس بشكل موثوق من الأخطار التي تهددهم من الفضاء: فهو لا يسمح بمرور النيازك أو الإشعاع الكوني. يستطيع الإنسان أن يعيش بدون طعام لمدة خمسة أسابيع، بدون ماء لمدة خمسة أيام، بدون هواء لمدة خمس دقائق. لا تتطلب الحياة البشرية الطبيعية الهواء فحسب، بل تتطلب أيضًا قدرًا معينًا من نقاءه. تعتمد صحة الناس وحالة النباتات والحيوانات وقوة ومتانة هياكل وهياكل البناء على جودة الهواء. الهواء الملوث مدمر للمياه والأرض والبحار والتربة. يحدد الغلاف الجوي الضوء وينظم الأنظمة الحرارية للأرض، ويساهم في إعادة توزيع الحرارة على الكرة الأرضية. تحمي قذيفة الغاز الأرض من التبريد والتدفئة المفرطة. إذا لم يكن كوكبنا محاطا بقذيفة هوائية، ففي غضون يوم واحد سيصل مدى تقلبات درجات الحرارة إلى 200 درجة مئوية. ويحفظ الغلاف الجوي كل ما يعيش على الأرض من الأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية والأشعة الكونية المدمرة. يلعب الغلاف الجوي دوراً كبيراً في توزيع الضوء. يكسر هواءها أشعة الشمس إلى مليون شعاع صغير، وينثرها ويخلق إضاءة موحدة. الجو بمثابة موصل للأصوات.

التروبوسفير - الطبقة السفلى الرقيقة جدًا من الغلاف الجوي بارتفاع 8-18 كم، يتركز فيها 80% من كتلة الغلاف الجوي للأرض

أهمية O 2 في الغلاف الجوي للعمليات البيولوجية والجيوكيميائية على الأرض عالية للغاية. لذلك، يدرس العلماء منذ فترة طويلة كيف تغير محتوى الأكسجين في تاريخ كوكبنا. ويمكن فهم ذلك من خلال حساب الضغط الجزئي للأكسجين والنيتروجين في الضغط الجوي الكلي.

وعلى الرغم من التاريخ الطويل لهذه القضية، لا يزال الخبراء ليس لديهم إجماع حول التغيرات في الضغط الجوي على مدى الـ 500 مليون سنة الماضية. تختلف الحسابات بما يصل إلى 0.2 أجهزة الصراف الآلي (انظر الرسم البياني أدناه). حتى على مدى ملايين السنين القليلة الماضية، لا توجد صورة واضحة عن كيفية تغير الضغط الجوي والضغط الجزئي وبالتالي تركيزات الأكسجين.

السؤال ليس سهلا، لأن الأكسجين الموجود في الجو يستهلك باستمرار من قبل الحيوانات والنباتات وحتى الحجارة. وقد أوضح مجموعة من العلماء من جامعة برينستون هذه المسألة من خلال دراسة تركيز فقاعات الهواء في قلوب الجليد من جرينلاند والقارة القطبية الجنوبية.

قلب جليدي من عمق 1837 م مع طبقات سنوية مرئية

اليوم، تعد العينات الجليدية المصدر الأكثر موثوقية ودقة لبيانات الضغط الجوي. الحد الأقصى لعمر الجليد في النوى هو 800 ألف سنة، لذلك يقتصر البحث على هذه الفترة الزمنية.

تعدين الجليد في محطة أبحاث فوستوك في القارة القطبية الجنوبية

اتضح أنه خلال هذا الوقت يحدث تسرب ثابت إلى حد ما للأكسجين من الأرض بمعدل حوالي 8.4 جزء في المليون لكل مليون سنة. على وجه الخصوص، على مدى الـ 800 ألف سنة الماضية، كان هناك حوالي 0.7٪ أقل من الأكسجين في الغلاف الجوي.

يوضح الرسم البياني الموجود على اليسار كيف تختلف نتائج النمذجة العلمية بين نسبة O 2 / N 2 في الغلاف الجوي والضغط الجزئي. ويبين الرسم البياني الموجود على اليمين التغير في الضغط الجزئي بناءً على نتائج قياس فقاعات الهواء في قلوب الجليد على مدى 800 ألف سنة

"لقد قمنا بهذه القياسات بدافع الاهتمام أكثر من تأكيد النظرية" ، أحد مؤلفي العمل العلمي دانييل ستولبر. "لم نكن نعرف ماذا سيحدث: ما إذا كان الأكسجين سيزداد على مر السنين، أم سينخفض، أم سيبقى عند مستوى ثابت".

يحدث الانخفاض في كمية الأكسجين في الغلاف الجوي ببطء شديد. ربما لن يهدد حياة الإنسان لملايين السنين. لكن المعلومات حول طبيعة مثل هذه الدورات مهمة جدًا للعلم. نحن بحاجة إلى معرفة العوامل التي تؤثر على التغييرات. يمكن استخدام هذه المعلومات، من بين أمور أخرى، عند إعادة تأهيل المريخ، عندما يبدأ الناس في استيطان الكوكب الأحمر. ربما سيتعين علينا زيادة كمية الأكسجين في الغلاف الجوي للمريخ.

ولم يكن هناك أكسجين على الأرض خلال أول ملياري سنة أيضًا. النظرية الأكثر ترجيحًا هي أن مستويات الأكسجين ارتفعت منذ حوالي 2.4 مليار سنة بسبب نشاط البكتيريا الزرقاء، المعروفة أيضًا باسم الطحالب الخضراء المزرقة. تُعرف هذه الفترة من التغيرات الجذرية في تكوين الغلاف الجوي، والتي أعقبها إعادة هيكلة المحيط الحيوي والتجلد الهوروني العالمي في تاريخ الأرض، باسم كارثة الأكسجين.

الطحالب الخضراء المزرقة هي السبب وراء ظهور الأكسجين على الأرض بكميات كبيرة قبل 2.4 مليار سنة ونشوء حياة أكثر تقدمًا

يمكن إنشاء نفس كارثة الأكسجين على المريخ.

لم يتوصل العلماء بعد إلى إجماع حول سبب فقدان الغلاف الجوي للأرض للأكسجين ببطء. هناك نوعان من الفرضيات. أحدها هو أن هذا يرجع إلى زيادة معدل التآكل، الذي يزيل المزيد من الصخور من التربة، مما يؤدي إلى أكسدة وربط المزيد من الأكسجين. وتتعلق نظرية أخرى بتغير المناخ: فقد انخفضت درجات الحرارة بشكل طفيف على مدى ملايين السنين القليلة الماضية، على الرغم من الزيادات الحادة في العقود الأخيرة. بسبب انخفاض درجة الحرارة، يمكن أن تبدأ سلسلة من التفاعلات البيئية، ونتيجة لذلك بدأ المزيد من الأكسجين في الذوبان والربط في المحيط العالمي.

في الوقت الحالي، كل هذه مجرد فرضيات تحتاج إلى اختبار.

في الوقت الحالي، يحتوي الغلاف الجوي للأرض على 78.09% نيتروجين، 20.95% أكسجين، 0.93% أرجون، 0.039% ثاني أكسيد الكربون وكميات صغيرة من الغازات الأخرى. كما أنه يغير باستمرار تركيز بخار الماء، الذي يعتبر أحد الغازات الدفيئة الرئيسية. وعلى مستوى المحيط، يبلغ تركيز H2O في الغلاف الجوي حوالي 1%، وفي المتوسط ​​حوالي 0.4%. تبلغ الكتلة الإجمالية للغلاف الجوي 5.5 × 10 18 كجم، أي 5.5 زيتاجرام أو 5.5 بيتاتون.

تراكم الأكسجين في الغلاف الجوي للأرض. الرسم البياني الأخضر هو التقدير الأدنى لمستوى الأكسجين، والرسم البياني الأحمر هو التقدير الأعلى. 1. منذ 3.85-2.45 مليار سنة. 2. منذ 2.45-1.85 مليار سنة: بداية إنتاج الأكسجين وامتصاصه بواسطة صخور المحيطات وقاع البحر. 3. منذ 1.85-0.85 مليار سنة: أكسدة الصخور على الأرض. 4. منذ 0.85-0.54 مليار سنة: تتأكسد جميع الصخور الموجودة على الأرض ويبدأ تراكم الأكسجين في الغلاف الجوي. 5. 0.54 مليار سنة مضت - الحاضر

يتسرب الأكسجين من الغلاف الجوي للأرض ببطء. لكن العلماء يؤكدون أن دراستهم لا تحتوي على بيانات عن التغيرات في مستويات الأكسجين على مدى 200 عام الماضية، بعد بدء الثورة الصناعية، عندما بدأ الناس في أكسدة الهيدروكربونات بشكل نشط من أحشاء الأرض، متلقين الطاقة من هذا التفاعل الكيميائي. وربط كميات كبيرة من الأكسجين من الغلاف الجوي. يقول دانييل ستولبر: "إننا نستهلك الأكسجين ألف مرة أكثر من ذي قبل". "لقد أغلقت البشرية دورة [الأكسجين] تمامًا، مما أدى إلى حرق آلاف الأطنان من الكربون... وهذا دليل آخر على أنه من خلال العمل معًا، يمكن للناس تسريع العمليات الطبيعية على الأرض بشكل كبير."

على عكس الكواكب الساخنة والباردة في نظامنا الشمسي، توجد ظروف على كوكب الأرض تسمح بوجود الحياة بشكل ما. أحد الشروط الرئيسية هو تكوين الغلاف الجوي الذي يمنح جميع الكائنات الحية الفرصة للتنفس بحرية ويحميها من الإشعاع القاتل الذي يسود في الفضاء.

مما يتكون الغلاف الجوي؟

يتكون الغلاف الجوي للأرض من العديد من الغازات. في الأساس الذي يحتل 77٪. الغاز، الذي بدونه لا يمكن تصور الحياة على الأرض، يحتل حجمًا أصغر بكثير، حيث يساوي محتوى الأكسجين في الهواء 21٪ من الحجم الإجمالي للغلاف الجوي. أما الـ 2% الأخيرة فهي خليط من غازات مختلفة منها الأرجون والهيليوم والنيون والكريبتون وغيرها.

ويرتفع الغلاف الجوي للأرض إلى ارتفاع 8 آلاف كيلومتر. الهواء المناسب للتنفس موجود فقط في الطبقة السفلى من الغلاف الجوي، في طبقة التروبوسفير، والتي يصل ارتفاعها عند القطبين إلى 8 كيلومترات، و16 كيلومتراً فوق خط الاستواء. مع زيادة الارتفاع، يصبح الهواء أرق ونقص الأكسجين أكبر. للنظر في محتوى الأكسجين في الهواء على ارتفاعات مختلفة، دعونا نعطي مثالا. عند قمة جبل إيفرست (ارتفاع 8848 م)، يحتوي الهواء على كمية من هذا الغاز أقل بثلاث مرات من تلك الموجودة فوق مستوى سطح البحر. ولذلك فإن غزاة قمم الجبال العالية - المتسلقين - لا يمكنهم الصعود إلى قمتها إلا بأقنعة الأكسجين.

الأكسجين هو الشرط الرئيسي للبقاء على هذا الكوكب

وفي بداية وجود الأرض، لم يكن الهواء الذي يحيط بها يحتوي في تركيبه على هذا الغاز. كان هذا مناسبًا تمامًا لحياة الأوليات - وهي جزيئات وحيدة الخلية تسبح في المحيط. لم يكونوا بحاجة للأكسجين. بدأت العملية منذ حوالي مليوني سنة، عندما بدأت الكائنات الحية الأولى، نتيجة تفاعل عملية التمثيل الضوئي، في إطلاق جرعات صغيرة من هذا الغاز، تم الحصول عليها نتيجة التفاعلات الكيميائية، أولاً في المحيط، ثم في الغلاف الجوي . تطورت الحياة على هذا الكوكب واتخذت أشكالًا متنوعة، لم يستمر معظمها حتى العصر الحديث. وفي نهاية المطاف، تكيفت بعض الكائنات الحية مع العيش مع الغاز الجديد.

لقد تعلموا كيفية تسخير قوتها بأمان داخل الخلية، حيث تعمل كمصدر طاقة لاستخراج الطاقة من الطعام. تسمى هذه الطريقة لاستخدام الأكسجين بالتنفس، ونقوم بذلك كل ثانية. لقد كان التنفس هو الذي جعل من الممكن ظهور كائنات وأشخاص أكثر تعقيدًا. على مدى ملايين السنين، ارتفع محتوى الأكسجين في الهواء إلى المستويات الحديثة - حوالي 21٪. وساهم تراكم هذا الغاز في الغلاف الجوي في تكوين طبقة الأوزون على ارتفاع 8-30 كم عن سطح الأرض. وفي الوقت نفسه، حصل الكوكب على الحماية من الآثار الضارة للأشعة فوق البنفسجية. زاد التطور الإضافي لأشكال الحياة على الماء وعلى الأرض بسرعة نتيجة لزيادة عملية التمثيل الضوئي.

الحياة اللاهوائية

على الرغم من أن بعض الكائنات الحية تكيفت مع المستويات المتزايدة من الغاز المنطلق، إلا أن العديد من أبسط أشكال الحياة التي كانت موجودة على الأرض اختفت. نجت الكائنات الحية الأخرى عن طريق الاختباء من الأكسجين. ويعيش بعضها اليوم في جذور البقوليات، مستخدمة النيتروجين الموجود في الهواء لبناء الأحماض الأمينية للنباتات. التسمم الغذائي للكائن الحي القاتل هو لاجئ آخر من الأكسجين. إنه يبقى بسهولة في الأطعمة المعلبة المعبأة بالفراغ.

ما هو مستوى الأكسجين الأمثل للحياة؟

الأطفال المولودون قبل الأوان، والذين لم تكن رئتيهم مفتوحة بالكامل للتنفس، ينتهي بهم الأمر في حاضنات خاصة. فيها، يكون محتوى الأكسجين في الهواء أعلى من حيث الحجم، وبدلاً من 21٪ المعتاد، يتم ضبط مستواه على 30-40٪. يتم إحاطة الأطفال الذين يعانون من مشاكل حادة في التنفس بالهواء الذي يحتوي على مستويات أكسجين بنسبة 100 بالمائة لمنع تلف دماغ الطفل. يؤدي التواجد في مثل هذه الظروف إلى تحسين نظام الأكسجين في الأنسجة التي تكون في حالة نقص الأكسجة وتطبيع وظائفها الحيوية. لكن وجود الكثير منه في الهواء لا يقل خطورة عن القليل منه. يمكن أن يؤدي وجود الأكسجين الزائد في دم الطفل إلى إتلاف الأوعية الدموية في العين ويسبب فقدان البصر. وهذا يدل على ازدواجية خصائص الغاز. نحن بحاجة إلى أن نتنفسه لكي نعيش، ولكن فائضه يمكن أن يصبح في بعض الأحيان سمًا للجسم.

عملية الأكسدة

عندما يتحد الأكسجين مع الهيدروجين أو الكربون، يحدث تفاعل يسمى الأكسدة. تؤدي هذه العملية إلى تفكك الجزيئات العضوية التي تشكل أساس الحياة. تحدث الأكسدة في جسم الإنسان على النحو التالي. تجمع خلايا الدم الحمراء الأكسجين من الرئتين وتحمله إلى جميع أنحاء الجسم. هناك عملية تدمير لجزيئات الطعام الذي نتناوله. تطلق هذه العملية الطاقة والماء وتترك وراءها ثاني أكسيد الكربون. يتم إخراج الأخير عن طريق خلايا الدم إلى الرئتين، ونزفره في الهواء. قد يختنق الشخص إذا مُنع من التنفس لأكثر من 5 دقائق.

يتنفس

دعونا نفكر في محتوى الأكسجين الموجود في الهواء المستنشق، والذي يدخل الرئتين من الخارج عند استنشاقه، يسمى استنشاقًا، والهواء الذي يخرج عبر الجهاز التنفسي عند الزفير يسمى زفيرًا.

وهو خليط من الهواء الذي يملأ الحويصلات الهوائية مع الهواء الموجود في الجهاز التنفسي. التركيب الكيميائي للهواء الذي يستنشقه ويزفره الشخص السليم في الظروف الطبيعية لا يتغير عمليا ويتم التعبير عنه بالأرقام التالية.

الأكسجين هو المكون الرئيسي للهواء مدى الحياة. التغيرات في كمية هذا الغاز في الغلاف الجوي صغيرة. إذا وصل محتوى الأكسجين في الهواء بالقرب من البحر إلى 20.99٪، فحتى في الهواء الملوث للغاية في المدن الصناعية، لا يقل مستواه عن 20.5٪. مثل هذه التغييرات لا تكشف عن التأثيرات على جسم الإنسان. وتظهر الاضطرابات الفسيولوجية عندما تنخفض نسبة الأكسجين في الهواء إلى 16-17%. وفي هذه الحالة هناك سبب واضح يؤدي إلى انخفاض حاد في النشاط الحيوي، وعندما تكون نسبة الأكسجين في الهواء 7-8% فإن الوفاة ممكنة.

الجو في عصور مختلفة

لقد أثر تكوين الغلاف الجوي دائمًا على التطور. في أوقات جيولوجية مختلفة، بسبب الكوارث الطبيعية، لوحظ ارتفاع أو انخفاض في مستويات الأكسجين، وهذا يستلزم تغييرات في النظام الحيوي. ومنذ حوالي 300 مليون سنة، ارتفع محتواه في الغلاف الجوي إلى 35%، واستعمرت الكوكب حشرات ذات حجم هائل. حدث أكبر انقراض للكائنات الحية في تاريخ الأرض منذ حوالي 250 مليون سنة. ومات خلالها أكثر من 90% من سكان المحيطات و75% من سكان اليابسة. تقول إحدى نسخ الانقراض الجماعي أن الجاني كان انخفاض مستويات الأكسجين في الهواء. وانخفضت كمية هذا الغاز إلى 12%، وذلك في الطبقة السفلية من الغلاف الجوي حتى ارتفاع 5300 متر. في عصرنا، يصل محتوى الأكسجين في الهواء الجوي إلى 20.9%، وهو أقل بنسبة 0.7% عما كان عليه قبل 800 ألف عام. تم تأكيد هذه الأرقام من قبل علماء من جامعة برينستون، الذين فحصوا عينات من الجليد في جرينلاند والأطلسي الذي تشكل في ذلك الوقت. ويحفظ الماء المتجمد فقاعات الهواء، وهذه الحقيقة تساعد في حساب مستوى الأكسجين في الغلاف الجوي.

ما الذي يحدد مستواه في الهواء؟

يمكن أن يكون سبب امتصاصه النشط من الغلاف الجوي هو حركة الأنهار الجليدية. وعندما تبتعد، تكشف عن مساحات هائلة من الطبقات العضوية التي تستهلك الأكسجين. قد يكون سبب آخر هو تبريد مياه المحيط العالمي: حيث تمتص البكتيريا الموجودة في درجات الحرارة المنخفضة الأكسجين بشكل أكثر نشاطًا. ويرى الباحثون أن القفزة الصناعية، ومعها حرق كميات هائلة من الوقود، ليس لها تأثير خاص. ظلت محيطات العالم تبرد منذ 15 مليون سنة، وتناقصت كمية العناصر الغذائية الحيوية في الغلاف الجوي بغض النظر عن التأثير البشري. من المحتمل أن هناك بعض العمليات الطبيعية التي تحدث على الأرض تؤدي إلى زيادة استهلاك الأكسجين عن إنتاجه.

تأثير الإنسان على تكوين الغلاف الجوي

دعونا نتحدث عن تأثير الإنسان على تكوين الهواء. المستوى الذي لدينا اليوم مثالي للكائنات الحية؛ حيث يبلغ محتوى الأكسجين في الهواء 21%. ويتحدد توازنه مع الغازات الأخرى من خلال دورة الحياة في الطبيعة: تزفر الحيوانات ثاني أكسيد الكربون، وتستخدمه النباتات وتطلق الأكسجين.

ولكن ليس هناك ما يضمن أن هذا المستوى سيكون ثابتا دائما. تتزايد كمية ثاني أكسيد الكربون المنبعثة في الغلاف الجوي. ويرجع ذلك إلى استخدام الإنسان للوقود. وكما تعلم، فقد تشكلت من حفريات ذات أصل عضوي ويدخل ثاني أكسيد الكربون إلى الهواء. وفي الوقت نفسه، يتم تدمير أكبر النباتات على كوكبنا، الأشجار، بمعدل متزايد. في دقيقة واحدة، كيلومترات من الغابات تختفي. وهذا يعني أن بعض الأكسجين الموجود في الهواء يتناقص تدريجياً، وبدأ العلماء بالفعل في إطلاق ناقوس الخطر. الغلاف الجوي للأرض ليس مخزناً لا حدود له، ولا يدخل إليه الأكسجين من الخارج. لقد تم تطويره باستمرار جنبًا إلى جنب مع تطور الأرض. ويجب أن نتذكر دائمًا أن هذا الغاز ينتج عن النباتات أثناء عملية التمثيل الضوئي من خلال استهلاك ثاني أكسيد الكربون. وأي انخفاض كبير في الغطاء النباتي على شكل تدمير للغابات يؤدي حتماً إلى تقليل دخول الأكسجين إلى الغلاف الجوي، وبالتالي الإخلال بتوازنه.

يجب القول أن بنية وتكوين الغلاف الجوي للأرض لم تكن دائمًا قيمًا ثابتة في فترة أو أخرى من تطور كوكبنا. واليوم، يتم تمثيل الهيكل الرأسي لهذا العنصر، الذي يبلغ "سمكه" الإجمالي 1.5-2.0 ألف كيلومتر، بعدة طبقات رئيسية، منها:

1. التروبوسفير.
2. التروبوبوز.
3. الستراتوسفير.
4. الستراتوبوز.
5. الميزوسفير والميزوبوز.
6. الغلاف الحراري.
7. اكسوسفير.

العناصر الأساسية للغلاف الجوي

طبقة التروبوسفير هي الطبقة التي تُلاحظ فيها حركات رأسية وأفقية قوية، وهنا يتشكل الطقس والظواهر الرسوبية والظروف المناخية. وتمتد من 7 إلى 8 كيلومترات من سطح الكوكب في كل مكان تقريبًا، باستثناء المناطق القطبية (حتى 15 كيلومترًا هناك). وفي طبقة التروبوسفير، هناك انخفاض تدريجي في درجة الحرارة، بحوالي 6.4 درجة مئوية مع كل كيلومتر من الارتفاع. قد يختلف هذا المؤشر باختلاف خطوط العرض والمواسم.

ويتمثل تكوين الغلاف الجوي للأرض في هذا الجزء بالعناصر التالية ونسبها:

النيتروجين - حوالي 78 بالمائة؛

الأكسجين - ما يقرب من 21 في المئة؛

الأرجون - حوالي واحد بالمائة؛

ثاني أكسيد الكربون - أقل من 0.05٪.

تكوين فردي يصل إلى ارتفاع 90 كيلومترًا

بالإضافة إلى ذلك، يمكنك أن تجد هنا الغبار، وقطرات الماء، وبخار الماء، ومنتجات الاحتراق، وبلورات الجليد، وأملاح البحر، والعديد من جزيئات الهباء الجوي، وما إلى ذلك. ويمكن ملاحظة هذا التكوين للغلاف الجوي للأرض على ارتفاع يصل إلى تسعين كيلومترًا تقريبًا، وبالتالي فإن الهواء يكون تقريبًا نفس التركيب الكيميائي، ليس فقط في طبقة التروبوسفير، ولكن أيضًا في الطبقات التي تغطيها. ولكن الجو هناك له خصائص فيزيائية مختلفة بشكل أساسي. الطبقة التي لها تركيب كيميائي عام تسمى الغلاف الجوي.

ما هي العناصر الأخرى التي تشكل الغلاف الجوي للأرض؟ بالنسبة المئوية (من حيث الحجم، في الهواء الجاف) الغازات مثل الكريبتون (حوالي 1.14 × 10 -4)، زينون (8.7 × 10 -7)، الهيدروجين (5.0 × 10 -5)، الميثان (حوالي 1.7 × 10 -5) يتم تمثيلها هنا 4)، أكسيد النيتروز (5.0 × 10 -5)، وما إلى ذلك. كنسبة مئوية من الكتلة، فإن معظم المكونات المدرجة هي أكسيد النيتروز والهيدروجين، يليها الهيليوم، والكريبتون، وما إلى ذلك.

الخصائص الفيزيائية لطبقات الغلاف الجوي المختلفة

ترتبط الخصائص الفيزيائية لطبقة التروبوسفير ارتباطًا وثيقًا بقربها من سطح الكوكب. من هنا، يتم توجيه الحرارة الشمسية المنعكسة على شكل أشعة تحت الحمراء إلى الأعلى، بما في ذلك عمليات التوصيل والحمل الحراري. ولهذا السبب تنخفض درجة الحرارة مع البعد عن سطح الأرض. تُلاحظ هذه الظاهرة حتى ارتفاع طبقة الستراتوسفير (11-17 كيلومترًا)، ثم تصبح درجة الحرارة دون تغيير تقريبًا حتى 34-35 كيلومترًا، ثم ترتفع درجة الحرارة مرة أخرى إلى ارتفاعات 50 كيلومترًا (الحد الأعلى لطبقة الستراتوسفير). . بين الستراتوسفير والتروبوسفير توجد طبقة متوسطة رقيقة من التروبوبوز (تصل إلى 1-2 كم)، حيث يتم ملاحظة درجات حرارة ثابتة فوق خط الاستواء - حوالي 70 درجة مئوية تحت الصفر وأدناه. فوق القطبين، ترتفع درجة حرارة طبقة التروبوبوز في الصيف إلى -45 درجة مئوية في الشتاء، وتتقلب درجات الحرارة هنا حول -65 درجة مئوية.

يتضمن تكوين الغاز في الغلاف الجوي للأرض عنصرًا مهمًا مثل الأوزون. ويوجد منه القليل نسبيًا على السطح (عشرة أس ناقص سدس واحد بالمائة)، حيث يتشكل الغاز تحت تأثير ضوء الشمس من الأكسجين الذري في الأجزاء العليا من الغلاف الجوي. وعلى وجه الخصوص، فإن معظم الأوزون يقع على ارتفاع حوالي 25 كم، وتقع "شاشة الأوزون" بأكملها في مناطق من 7-8 كم عند القطبين، ومن 18 كم عند خط الاستواء ويصل إلى خمسين كيلومتراً إجمالاً فوق سطح الأرض. سطح الكوكب.

الغلاف الجوي يحمي من الإشعاع الشمسي

يلعب تكوين الهواء في الغلاف الجوي للأرض دورا مهما للغاية في الحفاظ على الحياة، حيث أن العناصر والتركيبات الكيميائية الفردية تحد بنجاح من وصول الإشعاع الشمسي إلى سطح الأرض والأشخاص والحيوانات والنباتات التي تعيش عليها. على سبيل المثال، تمتص جزيئات بخار الماء بفعالية جميع نطاقات الأشعة تحت الحمراء تقريبًا، باستثناء الأطوال التي تتراوح من 8 إلى 13 ميكرون. يمتص الأوزون الأشعة فوق البنفسجية حتى طول موجي يصل إلى 3100 ألف. وبدون طبقته الرقيقة (3 ملم فقط في المتوسط ​​إذا وضعت على سطح الكوكب)، فقط الماء على عمق أكثر من 10 أمتار والكهوف تحت الأرض حيث لا ينفذ الإشعاع الشمسي. يمكن أن يسكنها الوصول.

صفر درجة مئوية عند طبقة الستراتوبوز

بين المستويين التاليين من الغلاف الجوي، الستراتوسفير والميزوسفير، هناك طبقة رائعة - الستراتوبوز. وهو يتوافق تقريبًا مع ارتفاع الحد الأقصى للأوزون ودرجة الحرارة هنا مريحة نسبيًا للبشر - حوالي 0 درجة مئوية. فوق الستراتوبوز، في طبقة الميزوسفير (يبدأ في مكان ما على ارتفاع 50 كم وينتهي على ارتفاع 80-90 كم)، لوحظ مرة أخرى انخفاض في درجة الحرارة مع زيادة المسافة من سطح الأرض (إلى 70-80 درجة مئوية تحت الصفر) ). عادة ما تحترق النيازك بشكل كامل في طبقة الميزوسفير.

في الغلاف الحراري - بالإضافة إلى 2000 كلفن!

يحدد التركيب الكيميائي للغلاف الجوي للأرض في الغلاف الحراري (يبدأ بعد فترة انقطاع الطمث من ارتفاعات حوالي 85-90 إلى 800 كم) إمكانية حدوث ظاهرة مثل التسخين التدريجي لطبقات "الهواء" المخلخل للغاية تحت تأثير الإشعاع الشمسي . تتراوح درجات الحرارة في هذا الجزء من "الغطاء الهوائي" للكوكب من 200 إلى 2000 كلفن، والتي يتم الحصول عليها بسبب تأين الأكسجين (يقع الأكسجين الذري فوق 300 كيلومتر)، وكذلك إعادة تجميع ذرات الأكسجين إلى جزيئات. ، يرافقه إطلاق كمية كبيرة من الحرارة. الغلاف الحراري هو المكان الذي يحدث فيه الشفق القطبي.

يوجد فوق الغلاف الحراري الغلاف الخارجي - الطبقة الخارجية من الغلاف الجوي، والتي يمكن لذرات الهيدروجين الخفيفة والمتحركة بسرعة الهروب إلى الفضاء الخارجي. يتم تمثيل التركيب الكيميائي للغلاف الجوي للأرض هنا في الغالب بواسطة ذرات الأكسجين الفردية في الطبقات السفلية، وذرات الهيليوم في الطبقات الوسطى، وذرات الهيدروجين بشكل حصري تقريبًا في الطبقات العليا. تسود درجات الحرارة المرتفعة هنا - حوالي 3000 كلفن ولا يوجد ضغط جوي.

كيف تشكل الغلاف الجوي للأرض؟

ولكن، كما ذكر أعلاه، لم يكن لدى الكوكب دائما مثل هذا التكوين الجوي. في المجموع، هناك ثلاثة مفاهيم حول أصل هذا العنصر. تشير الفرضية الأولى إلى أن الغلاف الجوي قد تم أخذه من خلال عملية التراكم من سحابة كوكبية أولية. ومع ذلك، تخضع هذه النظرية اليوم لانتقادات كبيرة، حيث كان من المفترض أن يتم تدمير مثل هذا الغلاف الجوي الأولي بواسطة "الرياح" الشمسية القادمة من نجم في نظامنا الكوكبي. بالإضافة إلى ذلك، من المفترض أنه لا يمكن الاحتفاظ بالعناصر المتطايرة في منطقة تكوين الكواكب الأرضية بسبب درجات الحرارة المرتفعة جدًا.

يمكن أن يكون تكوين الغلاف الجوي الأولي للأرض، كما تقترحه الفرضية الثانية، قد تشكل بسبب القصف النشط للسطح بواسطة الكويكبات والمذنبات التي وصلت من محيط النظام الشمسي في المراحل الأولى من التطور. من الصعب جدًا تأكيد أو دحض هذا المفهوم.

تجربة في معهد الجغرافيا RAS

ويبدو أن الفرضية الثالثة هي الأكثر منطقية، والتي ترى أن الغلاف الجوي ظهر نتيجة لانبعاث الغازات من غطاء القشرة الأرضية منذ حوالي 4 مليارات سنة. وتم اختبار هذا المفهوم في معهد الجغرافيا التابع لأكاديمية العلوم الروسية خلال تجربة تسمى "تساريف 2"، عندما تم تسخين عينة من مادة ذات أصل نيزكي في الفراغ. ثم تم تسجيل إطلاق الغازات مثل H 2، CH 4، CO، H 2 O، N 2، وما إلى ذلك، افترض العلماء بحق أن التركيب الكيميائي للغلاف الجوي الأساسي للأرض يشمل الماء وثاني أكسيد الكربون، فلوريد الهيدروجين (. HF)، وغاز أول أكسيد الكربون (CO)، وكبريتيد الهيدروجين (H 2 S)، ومركبات النيتروجين، والهيدروجين، والميثان (CH 4)، وبخار الأمونيا (NH 3)، والأرجون، وما إلى ذلك. وشارك في التكوين بخار الماء من الغلاف الجوي الأولي. من الغلاف المائي، كان ثاني أكسيد الكربون إلى حد كبير في حالة مرتبطة بالمواد العضوية والصخور، وانتقل النيتروجين إلى تكوين الهواء الحديث، وكذلك مرة أخرى إلى الصخور الرسوبية والمواد العضوية.

إن تكوين الغلاف الجوي الأساسي للأرض لن يسمح للأشخاص المعاصرين بالتواجد فيه بدون أجهزة تنفس، حيث لم يكن هناك أكسجين بالكميات المطلوبة في ذلك الوقت. وظهر هذا العنصر بكميات كبيرة قبل مليار ونصف المليار سنة، ويعتقد أنه مرتبط بتطور عملية التمثيل الضوئي في الطحالب الخضراء المزرقة وغيرها من الطحالب، التي تعد أقدم سكان كوكبنا.

الحد الأدنى من الأكسجين

تشير حقيقة أن تكوين الغلاف الجوي للأرض كان في البداية خاليًا تقريبًا من الأكسجين إلى حقيقة أن الجرافيت (الكربون) المؤكسد بسهولة ولكن غير المؤكسد موجود في أقدم الصخور (الكاترخائية). بعد ذلك، ظهر ما يسمى خامات الحديد ذات النطاقات، والتي تضمنت طبقات من أكاسيد الحديد المخصب، مما يعني ظهور مصدر قوي للأكسجين في شكل جزيئي على الكوكب. ولكن تم العثور على هذه العناصر بشكل دوري فقط (ربما ظهرت نفس الطحالب أو غيرها من منتجي الأكسجين في جزر صغيرة في صحراء خالية من الأكسجين)، في حين كان بقية العالم لاهوائيا. ويدعم هذا الأخير حقيقة أنه تم العثور على البيريت المؤكسد بسهولة في شكل حصى تمت معالجتها بالتدفق دون آثار للتفاعلات الكيميائية. وبما أن المياه المتدفقة لا يمكن تهويتها بشكل سيئ، فقد تطورت وجهة نظر مفادها أن الغلاف الجوي قبل العصر الكامبري كان يحتوي على أقل من واحد بالمائة من تركيبة الأكسجين الموجودة اليوم.

التغيير الثوري في تكوين الهواء

في منتصف عصر البروتيروزويك تقريبًا (قبل 1.8 مليار سنة)، حدثت "ثورة الأكسجين" عندما تحول العالم إلى التنفس الهوائي، حيث يمكن الحصول على 38 من جزيء واحد من المغذيات (الجلوكوز)، وليس جزيئين (كما هو الحال مع التنفس اللاهوائي) وحدات الطاقة. وبدأت تركيبة الغلاف الجوي للأرض، من حيث الأكسجين، تزيد عن واحد بالمائة مما هي عليه اليوم، وبدأت تظهر طبقة الأوزون التي تحمي الكائنات الحية من الإشعاع. كان منها، على سبيل المثال، أن الحيوانات القديمة مثل ثلاثية الفصوص "اختبأت" تحت قذائف سميكة. ومنذ ذلك الحين وحتى عصرنا هذا، زاد محتوى العنصر "التنفسي" الرئيسي تدريجيًا وببطء، مما يضمن تنوع تطور أشكال الحياة على الكوكب.