Evolucija ozračja

Razvoj atmosfere, razvoj Zemljine atmosfere v geološkem času. Proces, s katerim je nastala trenutna atmosfera iz prejšnjih razmer, je zapleten; vendar so dokazi, povezani z razvojem Zemljine atmosfere, čeprav posredni, obilni. Starodavni sedimenti in kamnine beležijo pretekle spremembe v sestavi atmosfere zaradi kemičnih reakcij z Zemljino skorjo in zlasti zaradi biokemičnih procesov, povezanih z življenjem.

Zemljino prvotno ozračje je bilo bogato z metanom, amonijakom, vodno paro in žlahtnim plinskim neonom, manjkalo pa mu je prostega kisika. Verjetno je sto milijonov let ločilo prvo biološko proizvodnjo kisika z enoceličnimi organizmi in njegovo morebitno kopičenje v atmosferi.

Sestava ozračja kodira veliko informacij, ki vplivajo na njen izvor. Poleg tega narava in razlike manjših sestavin razkrivajo obsežne interakcije med atmosfero, kopenskim okoljem in bioto.

Razvoj atmosfere in take interakcije so obravnavane v tem članku, s posebnim poudarkom na vzponom biološko proizvedene molekularnega kisika, O ₂, kot glavna sestavina zraka. O sodobni atmosferski kemiji in fiziki glej ozračje.

Pojmi, povezani z atmosferskim razvojem

Celovita rekonstrukcija nastanka in razvoja ozračja bi vključevala podrobnosti o njegovi velikosti in sestavi ves čas v 4,5 milijarde let od nastanka Zemlje. Tega cilja ne bi bilo mogoče doseči brez poznavanja poti in stopnje oskrbe in porabe vseh atmosferskih sestavin v vsakem trenutku. Podatki o teh določenih procesih pa so celo popolni za sedanjo atmosfero in skorajda ni neposrednih dokazov o atmosferskih sestavinah in njihovi stopnji ponudbe in porabe v preteklosti.

Primeren je kontrast s sorodnimi polji zgodovine Zemlje. Fosili in druge strukturne in kemijske podrobnosti starodavnih kamnin zagotavljajo informacije, koristne evolucijskim biologom in zgodovinskim geologom, vendar starodavne atmosfere, "zgolj hlapi", niso pustile tako pomembnih ostankov. Te pare pa so stvari zvezd in gibljiva sila neviht in erozije.

Vzdušje kot del skorje

Za zemeljskega znanstvenika skorja ne vključuje le zgornje plasti trdnega materiala (tla in kamnine do globine od 6 do 70 km [4 do 44 milj]), ločene od osnovnega plašča z razlikami v gostoti in zaradi dovzetnosti za površinsko geološko procesov), pa tudi hidrosfere (oceani, površinske vode na kopnem in podzemne vode pod kopensko površino) in atmosfere. Interakcije med temi trdnimi, tekočimi in plinastimi deli skorje so tako pogoste in temeljite, da jih obravnavanje ločeno povzroči več zapletenosti, kot jih odpravi. Posledično se mora opis zgodovine ozračja zavzemati za vse hlapne sestavine skorje.

Materiali

Hlapne spojine in elementi, pomembni v sedanji in pretekli atmosferi ali v interakcijah med atmosfero, biosfero in drugimi deli skorje, vključujejo naslednje:

1. Sedanje glavne komponente: molekularni dušik (N ₂) in molekularni kisik (O ₂)

2. Plemeniti plini: helij (He), neon (Ne), argon (Ar), kripton (Kr) in ksenon (Xe)

3. Številni variabilne sestavine: vodna para (H ₂ O) in ogljikovega dioksida (CO ₂)

4. Druge sestavine: molekularna vodika (H ₂), metan (CH ₄), ogljikovega monoksida (CO), amoniak (NH ₃), dušikov oksid (N ₂ O), dušikov dioksid (NO ₂), vodikov sulfid (H ₂ S), dimetil sulfid [(CH ₃) ₂ S], žveplov dioksid (SO ₂) in vodikov klorid (HCl).

Nekateri elementi so v več obliki - na primer ogljik kot ogljikov dioksid, metan ali dimetil sulfid. Koristno je razmisliti o pojavu elementov, preden se osredotočimo na bolj specifične vidike atmosferske kemije (oblike, v katerih so elementi prisotni). Lahko govorimo o Zemljinem "popisu hlapnih snovi", pri čemer se zaveda, da so sestavni deli inventarja lahko občasno preurejeni, pa tudi, da je vedno sestavljen predvsem iz spojin vodika, ogljika, dušika in kisika, skupaj z žlahtni plini.

Procesi

Postopek, ki v ozračje odda plin, se imenuje vir plina. Glede na obravnavano vprašanje je lahko smiselno govoriti o končnem viru - postopku, ki je sestavni del hlapnega inventarja dostavil na Zemljo - ali o neposrednem viru - procesu, ki vzdržuje številčnost sestavine sedanje vzdušje. Vsak postopek, ki odstranjuje plin bodisi kemično, kot pri porabi kisika med procesom zgorevanja, bodisi fizično, kot pri izgubi vodika v vesolje na vrhu atmosfere, imenujemo ponikovalnik.

Skozi zgodovino ozračja so bili pogosto prisotni viri in ponori. Medtem ko en postopek porabi določeno komponento, jo drugi proizvede, koncentracija te komponente v atmosferi pa se bo povečala ali zmanjšala, odvisno od relativne jakosti virov in ponorov. Če bodo te moči uravnotežene (ali skoraj tako), se sestava ozračja ne bo spremenila (ali pa se bo spremenila le zelo počasi, morda neopazno); vendar molekule zadevnega plina prehajajo skozi ozračje in ne živijo stalno. Hitrost prenosa molekul v ozračju je izražena glede na čas bivanja, povprečni čas, ki ga molekula preživi v atmosferi, potem ko zapusti vir in preden naleti na potop.