Что такое первичная атмосфера
Состав первичной атмосферы Земли
Когда-то Землю покрывали жерла вулканов, которые, извергаясь, выбрасывали обломки горных пород, клубы пара, углекислый газ, азот и окись углерода. Это и была первичная атмосфера Земли. Планета была беззащитна, а молекулы газов под термическим воздействием высвобождались в космическое пространство.
Как образовалась земная атмосфера
Изначально климат планеты был аномально жарким и непригодным для жизни. Однако со временем становилось прохладнее и молекулы газов стали подвергаться процессу испарения. Возникла вода, благодаря которой стали выпадать обильные дожди. Земля пылала жаром, и капли дождя мгновенно вскипали и обращались в пар. Процесс охлаждения земной поверхности ускорился, и лишняя жидкость превратилась в океаны.
Большая часть углекислого газа растворялась в воде и вымывалась проливными дождями. Затем начали происходить биологические процессы, в которых углекислый газ сыграл первостепенную роль.
Эксперимент в ИДГ РАН
Российские ученые, исследовавшие падение метеорита в Челябинске, пришли к заключению, что небесные тела угрожают человечеству более чем когда-либо. ИДГ РАН снарядили экспедицию к месту падения метеорита и опросили большое количество свидетелей из 50 окрестных населенных пунктов. Очевидцы предоставили институту множество видеозаписей, оказав помощь отечественной науке.
В заключении исследователей сказано: «Каждый объект, упавший на Южном Урале в середине февраля того года, оказался частью небольшого астероида. При вхождении в атмосферу он имел скорость 19 км/с. Параметры небесного тела составляли: масса — 11000 т; диаметр — 20 м. Энергия взрыва оценивалась в половину мегатонны, а более 99% твердого вещества превратилось в пыль и газ». Крупнейшим фрагментом метеорита (650 кг), стал кусок, упавший в озеро Чебаркуль.
Минимум кислорода в первичном составе атмосферы
Миллиарды лет назад состав воздуха разительно отличался от современного. Первую гипотезу предложил Л. Пастер (1822-1895) ближе к концу XIX столетия: Земля была лишена кислорода, но это не помешало появлению простейших микроорганизмов. Анаэробные бактерии в нем не нуждались и по сей день сохранились в неизменном виде. Атмосфера Земли включала в себя:
На заре геологической истории магнитосфера стала защитой Земли от солнечного ветра. Так была образована углекислая атмосфера. Газ выбрасывался из недр во время извержений вулканов повышенной интенсивности.
В конце палеозойской эры минимальный объем кислорода позволил появиться первым растениям, благодаря которым углекислый газ стал подвергаться воздействию фотосинтеза и поступать в атмосферу.
Появление жизни и кислорода
1 млрд лет назад первые формы жизни активно развивались без кислорода. Согласно данным, полученным вследствие проведенного в 1953 г. эксперимента, под действием электрического разряда смесь аммиака, метана, водорода и воды разложилась на глицин и прочие аминокислоты. Данный лабораторный опыт длился в течение недели под руководством ученого из Чикагского университета Стенли Миллера. Он доказал научному миру, что при благоприятных условиях в природе происходит активное образование молекул жизни, вопреки соображениям сухой статистики.
Земная кора содержит в себе около 47,2% кислорода. Его химическая активность под действием высоких температур и связи с другими элементами объясняет, почему на заре времен не было кислорода. Большая часть элементов в природе образуется в виде их твердых окислов. Многие из них с трудом разлагаются на компоненты, что ставит под сомнение существование свободного кислорода раньше.
Состав современной атмосферы Земли
Без кислорода жизнь на Земле невозможна, однако в чистом виде он стал поступать на позднем этапе развития планеты. Некоторые ученые считают, что кислород начал возникать за счет обмена веществ древних растений и стал побочным эффектом процесса фотосинтеза. Со временем он накопился в атмосфере и послужил причиной ряда изменений в характере атмосферы Земли и развитии всего живого.
В современный состав воздуха входят 4 основных и несколько второстепенных газов, а также примеси, зависящие от характера поверхности Земли и ее области, от вида обитателей. Человек занимает в ее формировании одну из первостепенных ролей. Атмосферными примесями являются:
Газовый и химический составы атмосферы отличаются от первобытного, и это объясняет многие особенности эволюции.
Баланс кислорода
С точки зрения биологии, кислород преобладает на планете Земля. Его содержание практически неизменно и составляет 21%. Кислород поглощается во время дыхания, а вырабатывается вследствие процесса фотосинтеза. Все это тесно взаимосвязано и является основой природного баланса кислорода в атмосфере.
Содержание данного газа в нижних слоях атмосферы составляет 78,084%. Азот инертен и в химических соединениях (нитратах) занимает важную ступень в процессе обмена веществ растительного и животного мира. Живые существа не способны усваивать азот напрямую из воздуха, однако он входит в пищу, которая необходима для ежедневного восполнения энергии. Молекулы газа захватываются микроорганизмами, обитающими в корнях бобовых культур. Сформировавшиеся нитраты становятся доступны для животных, поедающих эти растения.
Благородные газы
В атмосфере содержатся газы, не участвующие в биологических процессах, но играющие первостепенную роль при переносе энергии в высших слоях, это:
Углекислый газ не менее важен для погодных и климатических условий, однако его содержание в атмосфере — не более 0,03%. Увеличение его объема до 0,06% способно повысить температуру планеты на 3°C.
Со времен становления промышленности (более 120 лет назад) человечество увеличило выброс углекислого и прочих газов в слои атмосферы, и в период с 1869 по 1940 гг. общая температура воздуха выросла на 1°C.
Атмосфера Земли — Образование атмосферы Земли. Первичная и вторичная атмосфера Земли.
Образование атмосферы Земли началось в далекие времена — в протопланетный этап развития Земли, в период активных вулканических извержений с выбросом огромного количества газов. Позже, когда на Земле появились океаны и биосфера, образование атмосферы продолжилось за счет газообмена между водой, растениями, животными и продуктами их разложения.
В течение всей геологической истории атмосфера Земли претерпела ряд глубоких трансформаций.
Первичная атмосфера Земли. Восстановительная.
Первичная атмосфера Земли. Восстановительная.Вторичная атмосфера Земли. Окислительная.
В дальнейшем первичная атмосфера стала трансформироваться во вторичную. Это произошло в результате тех же процессов выветривания, происходивших на поверхности земли, вулканической и солнечной активности, а также вследствие жизнедеятельности цианобактерий и сине-зеленых водорослей.
Результатом трансформации стало разложение метана на водород и углекислоту, аммиака – на азот и водород. В атмосфере Земли стали накапливаться углекислый газ и азот.
Таким образом, атмосфера из восстановительной постепенно превратилась в окислительную.
Образование и эволюция углекислого газа в первичной и вторичной атмосфере.
Источники углекислого газа на ранних этапах образования атмосферы Земли:
Содержание углекислоты в атмосфере ранней Земли было весьма значительно. Однако большая ее часть растворялась в водах гидросферы, где участвовала в постройке раковин различных водных организмов, биогенным путем превращаясь в карбонаты.
На рубеже протерозоя и палеозоя (ок. 600 млн. л.н.) содержание углекислого газа в атмосфере уменьшилось и составило всего лишь десятые доли процента от общего объема газов в атмосфере.
Современного уровня содержания в атмосфере углекислый газ достиг лишь 10-20 млн. лет назад.
Образование и эволюция кислорода в первичной и вторичной атмосфере Земли.
Источники кислорода на ранних этапах образования атмосферы Земли:
Изменение концентрации кислорода в атмосфере Земли.
Архей — первая половина протерозоя – концентрация кислорода 0,01% современного уровня (точка Юри). Практически весь возникающий кислород расходовался на окисление железа и серы. Это продолжалось до тех пор, пока все двухвалентное железо, находящееся на поверхности земли, не окислилось. С этого момента кислород стал накапливаться в атмосфере.
Вторая половина протерозоя – конец раннего венда – концентрация кислорода в атмосфере 0,1% от современного уровня (точка Пастера).
Поздний венд — силурийский период. Свободный кислород стимулировал развитие жизни — анаэробный процесс брожения сменился энергетически более перспективным и прогрессивным кислородным метаболизмом. С этого момента накопление кислорода в атмосфере происходило довольно быстро. Выход растений из моря на сушу (450 млн. л. н.) привел к стабилизации уровня кислорода в атмосфере.
Образование и эволюция азота в первичной и вторичной атмосфере Земли.
Азот образовался на ранних стадиях развития Земли за счет разложения аммиака. Связывание атмосферного азота и захоронение его в морских осадках началось с появлением организмов. После выхода живых организмов на сушу, азот стал захороняться и в континентальных осадках. Процесс связывания азота особенно усилился с появлением наземных растений.
Таким образом, состав атмосферы Земли определял особенности жизнедеятельности организмов, способствовал их эволюции, развитию и расселению по поверхности земли. Но в истории Земли бывали порой и сбои в распределении газового состава. Причиной этого служили различные катастрофы, которые не раз возникали в течение криптозоя и фанерозоя. Эти сбои приводили к массовым вымираниям органического мира.
Состав древней и современной атмосферы Земли в процентном соотношении приведен в таблице 1.
Таблица 1. Состав первичной и современной атмосферы Земли.
Естествознание. 10 класс
Конспект урока
Естествознание, 10 класс
Урок 51. Эволюция планеты Земля
Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:
— Каков возраст и строение Земли?
— Как проходила эволюция гидросферы и атмосферы Земли?
— Что такое «гравитационное дифференцирование», «первичная атмосфера», «вторичная атмосфера»?
— Какие процессы определили эволюцию Земли?
Цианобактерии (сине-зеленые водоросли) – первые живые организмы на Земле.
Первичная атмосфера Земли – состояние атмосферы, при котором она состояла водяного пара, аммиака, метана, водорода, диоксида углерода (углекислого газа), сероводорода, оксида углерода. Кислорода в первичной атмосфере не было. Восстановительная атмосфера.
Вторичная атмосфера Земли – атмосфера, в которой накопился кислород в ходе фотолиза воды и деятельности цианобактерий. Окислительная атмосфера.
Дегазация мантии Земли – процесс формирования атмосферы за счет выделения газов из мантии.
Фотодиссоциация (фотолиз) воды – процесс разложения на молекулы водорода и кислорода, возникший в атмосфере Земли под действием ультрафиолетового излучения – в атмосфере в ходе данного процесса возникли свободные молекулы кислорода.
Родиния; Пангея; Лавразия; Гондвана – суперконтиненты, образовывавщиеся в ходе эволюции Земли.
Основная и дополнительная литература по теме урока (точные библиографические данные с указанием страниц):
1. Естествознание. 10 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень / И.Ю. Алексашина, К.В. Галактионов, И.С. Дмитриев, А.В. Ляпцев и др. / под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд., испр. – М.: Просвещение, 2017. : с 234-241.
2. Будыко М.И., Голицын Г.Р., Израэль Ю.А. Глобальные климатические катастрофы. М.: Гидрометеоиздат, 1986. с. 78-123.
Открытые электронные ресурсы по теме урока (при наличии);
Образовательный портал «Интересник» / Раздел Эволюция планеты Земля// URL: http://interesnik.com/evolyuciya-planety-zemlya/
Теоретический материал для самостоятельного изучения
Современное состояние планеты Земля – это результат длительной эволюции, в котором выделяют периоды как сравнительно последовательного развития, так и периоды резких перестроек земной коры с изменением физико-географических условий планеты.
Земля сформировалась около 4,5 миллиардов лет назад, температура в период зарождения Земли была столь высока, что поверхность планеты была схожа с расплавленным океаном. Однако вследствие того, что радиоактивность, поддерживавшая на планете высокую температуру, постепенно снижалась, Земля начала остывать.
4 миллиарда 400 миллионов лет на Землю метеориты еще продолжали падать на Землю, но, так как ядро Земли постепенно охлаждалось, большая часть земной поверхности трансформировалась в кору, состоящую, преимущественно, из вулканической породы. На данном этапе на поверхности Земли уже начала появляться вода.
В процессе охлаждения Земли, ее поверхность выделяла огромное количество углекислого газа, что обусловило и выделение водяного пара. Ряд исследователей полагает, что именно вследствие остывания Земли и выделения углекислого газа на Земле появилась вода.
Это период первичной атмосферы Земли. Первичная атмосфера состояла из следующих химических соединений: водяного пара, аммиака, метана, водорода, диоксида углерода (углекислого газа), сероводорода, оксида углерода. Кислорода в первичной атмосфере не было.
В дальнейшем первичная атмосфера трансформировалась во вторичную. Это произошло вследствие выветривания, вулканической и солнечной активности, жизнедеятельности цианобактерий и водорослей.
Результатом трансформации первичной атмосферы стало разложение метана на водород и углекислый газ, аммиака – на водород и азот. В атмосфере Земли начали накапливаться углекислый газ и азот.
Конденсация в атмосфере водяного пара привела к дождям, которые шли, не переставая, на протяжении миллионов лет. Дожди превратили Землю в планету, покрытую океаном. 4 миллиарда лет назад более 90% поверхности Земли покрывал океан. В воде проступали маленькие вулканические острова. Поверхность Земли в этот период красная – это обусловлено тем, что железо в воде окрашивает воду в оливковый цвет, а большое число углекислого раза в атмосфере Земли создает красноватый цвет атмосферы. Сила атмосферного давления в этот период очень велика – если бы на Земле были люди и животные, они оказались бы смяты под его воздействием. Температура на поверхности Земли достигает 200 °С.
В таком виде Земля существует около полумиллиарда лет, а в дальнейшем резкий скачок вулканической активности привел к появлению горных пород нового типа и создал условия для возникновения континентов.
3 миллиарда 400 миллионов лет назад большую часть поверхности Земли еще покрывает океан, однако магма, которую извергали подводные вулканы, уже заложила основу континентов, превратившись в горные породы – преимущественно, это гранит, 3,5 миллиарда лет назад гранит на Земле был практически повсюду.
Возникновение горных пород было обусловлено тем, что извержения вулканов на дне океана образовывали трещины, заполненные водой и расплавленной лавой. Базальтовая лава и кипящая вода, смешиваясь, сформировали гранит. Гранитные породы поднялись с глубины и сформировали материковую кору Земли.
Следующие два миллиарда лет первые гранитные континенты наращивали площадь. По всей планете появлялись на поверхности воды гранитные острова, ставшие в дальнейшем базой для современных массивов суши.
Атмосфера из восстановительной превратилась в окислительную – вторичную атмосферу.
Зеленые океаны, вследствие окисления железа, стали синими, кислород очистил воздух, разбавив углекислый газ атмосферы. Через 2 миллиарда лет насыщения кислородом Земля стала голубой – это произошло 1,5 миллиарда лет назад.
1,5 миллиарда лет назад континенты покрывали уже четверть всей поверхности планеты, но их формирование продолжалось. Когда океаны, разделявшие образующиеся континенты, оказались поглощены земной корой, возник единый суперконтинент – Родиния.
Родиния представляла собой пустынный безжизненный материк, но несмотря на то, что на самой Родинии не было жизни, она оказала значительной влияние на развитие жизни в океанах.
В насыщенных кислородах водах на мелководье вокруг Родинии наряду со строматолитами возникли иные простейшие организмы. В то же время на период существования Родинии приходится самое масштабное оледенение в истории Земли. 700 миллионов лет назад Родиния, из-за своих огромных размеров блокировала экваториальные течения, которые перемещали теплые воды к полюсам Земли, что и стало причиной обледенения полярных регионов. Так как полярные ледяные поля отражали от поверхности больше солнечного света, температура всей планеты начала резко понижаться, и затем ледяной панцирь закрыл всю поверхность. Температура Земли на поверхности в этот период упала до минус 40 °С. Океаны обледенели до глубины свыше 1 км. Цианобактерии и водоросли – первые живые организмы на Земле оказались под толщей льда.
В то же время под ледяной поверхностью суперконтинент сохранял активность. Извержения вулканов обусловили раскол Родинии на части. А в период с 630 по 550 миллионов лет назад накопленное подо льдом тепло постепенно согрело планету. Углекислый газ, высвободившийся при расколе Родинии вызвал парниковый эффект. После раскола Родинии возникли новые мелководья, вырос уровень кислорода, что создало благоприятные условия для дальнейшего развития живых организмов.
За последующие 100 миллионов лет содержание кислорода постепенно достигло современного уровня и создало условия для формирования озонового слоя. Это позволило живым организмам выйти на сушу из океана.
Следующий период – Каменноугольный (карбон) – это период развития обширного растительного покрова. Земля в это время представляет собой мир тропических болот. Именно карбон сформировал современные залежи каменного угля – за счет захоранивания и гниения в болотах тропических растений.
Развитие тропической Земли остановило излияние мантии на территории современной Сибири, вследствие которого земная кора превратилась в болото из раскаленной магмы. Эти излияния магмы, причина которых до сих пор не выявлена, продолжались более миллиона лет.
Большая часть организмов (около 95% живых существ) погибли в результате этого, на Земле, вследствие выхода магмы на поверхность и застывания возник новый суперконтинент – Пангея.
Около 180 миллионов лет назад Пангея раскололась – изначально на два континента Лавразию и Гондвану, которые затем раскололись на континенты, существующие сегодня. Образовавшиеся материки начали дрейф, постепенно перемещаясь к тем местам, на которых они находятся в настоящее время.
Сегодня большинство ученых поддерживают гипотезу образования планеты из межзвездного пылевидного вещества с включениями и кусками различных небесных тел. Процессы появления Земли описал российский ученый О. Ю. Шмидт (1891-1956 г.г.).
Согласно данной гипотезе, 4,6 миллиардов лет назад вокруг молодого Солнца возникли сгустки и скопления вещества, увеличивающиеся из-за притяжения дополнительного «строительного материала» силой гравитации. Этот процесс напоминал метеоритный дождь.
Земля сформировалась около 4,5 миллиардов лет назад, температура в период зарождения Земли была столь высока, что поверхность планеты была схожа с расплавленным океаном. Однако вследствие того, что радиоактивность, поддерживающая на планете высокую температуру, постепенно снижалась, Земля начала остывать. Рост скорости процессов эволюции Земли был обусловлен появлением на ней живых организмов.
Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:
1. Какая атмосфера Земли содержала свободный кислород?
Правильный ответ – вторичная.
2. Расположите суперконтиненты в порядке их появления на планете Земля в ходе ее эволюции:
Что такое первичная атмосфера
Образование атмосферы. Первичная и вторичная атмосфера.
В течение всей геологической истории атмосфера Земли претерпела ряд глубоких трансформаций.
Первичная атмосфера Земли. Восстановительная.
Вторичная атмосфера Земли. Окислительная.
В дальнейшем первичная атмосфера стала трансформироваться во вторичную. Это произошло в результате тех же процессов выветривания, происходивших на поверхности земли, вулканической и солнечной активности, а также вследствие жизнедеятельности цианобактерий и сине-зеленых водорослей.
Результатом трансформации стало разложение метана на водород и углекислоту, аммиака – на азот и водород. В атмосфере Земли стали накапливаться углекислый газ и азот.
Таким образом, атмосфера из восстановительной постепенно превратилась в окислительную.
Образование и эволюция углекислого газа
в первичной и вторичной атмосфере.
Источники углекислого газа на ранних этапах образования атмосферы:
Содержание углекислоты в атмосфере ранней Земли было весьма значительно. Однако большая ее часть растворялась в водах гидросферы, где участвовала в постройке раковин различных водных организмов, биогенным путем превращаясь в карбонаты.
На рубеже протерозоя и палеозоя (ок. 600 млн. л.н.) содержание углекислого газа в атмосфере уменьшилось и составило всего лишь десятые доли процента от общего объема газов в атмосфере.
Современного уровня содержания в атмосфере углекислый газ достиг лишь 10-20 млн. лет назад.
Образование и эволюция кислорода
в первичной и вторичной атмосфере.
Источники кислорода на ранних этапах образования атмосферы :
Изменение концентрации кислорода в атмосфере.
Вторая половина протерозоя – конец раннего венда – концентрация кислорода в атмосфере 0,1% от современного уровня (точка Пастера).
Образование и эволюция азота
в первичной и вторичной атмосфере.
Азот образовался на ранних стадиях развития Земли за счет разложения аммиака. Связывание атмосферного азота и захоронение его в морских осадках началось с появлением организмов. После выхода живых организмов на сушу, азот стал захороняться и в континентальных осадках. Процесс связывания азота особенно усилился с появлением наземных растений.
Таким образом, состав атмосферы Земли определял особенности жизнедеятельности организмов, способствовал их эволюции, развитию и расселению по поверхности земли. Но в истории Земли бывали порой и сбои в распределении газового состава. Причиной этого служили различные катастрофы, которые не раз возникали в течение криптозоя и фанерозоя. Эти сбои приводили к массовым вымираниям органического мира.
Состав древней и современной атмосферы в процентном соотношении приведен в таблице 1.
Таблица 1. Состав первичной и современной атмосферы Земли.
Образование атмосферы. Первичная и вторичная атмосфера.
В течение всей геологической истории атмосфера Земли претерпела ряд глубоких трансформаций.
Первичная атмосфера Земли. Восстановительная.
Вторичная атмосфера Земли. Окислительная.
В дальнейшем первичная атмосфера стала
трансформироваться во вторичную. Это произошло в результате тех же
процессов выветривания, происходивших на поверхности земли,
вулканической и солнечной активности, а также вследствие
жизнедеятельности цианобактерий и сине-зеленых водорослей.
Результатом трансформации стало
разложение метана на водород и углекислоту, аммиака – на азот и водород.
В атмосфере Земли стали накапливаться углекислый газ и азот.
Таким образом, атмосфера из восстановительной постепенно превратилась в окислительную.
Образование и эволюция углекислого газа в первичной и вторичной атмосфере.
Источники углекислого газа на ранних этапах образования атмосферы:
Содержание углекислоты в атмосфере ранней Земли было весьма значительно. Однако большая ее часть растворялась в водах гидросферы, где участвовала в постройке раковин различных водных организмов, биогенным путем превращаясь в карбонаты.
На рубеже протерозоя и палеозоя (ок. 600
млн. л.н.) содержание углекислого газа в атмосфере уменьшилось и
составило всего лишь десятые доли процента от общего объема газов в
атмосфере.
Современного уровня содержания в атмосфере углекислый газ достиг лишь 10-20 млн. лет назад.
Образование и эволюция кислорода в первичной и вторичной атмосфере.
Источники кислорода на ранних этапах образования атмосферы :
Изменение концентрации кислорода в атмосфере.
Вторая половина протерозоя – конец раннего венда – концентрация кислорода в атмосфере 0,1% от современного уровня (точка Пастера).
Образование и эволюция азота в первичной и вторичной атмосфере.
Азот образовался на ранних стадиях
развития Земли за счет разложения аммиака. Связывание атмосферного азота
и захоронение его в морских осадках началось с появлением организмов.
После выхода живых организмов на сушу, азот стал захороняться и в
континентальных осадках. Процесс связывания азота особенно усилился с
появлением наземных растений.
Таким образом, состав атмосферы Земли
определял особенности жизнедеятельности организмов, способствовал их
эволюции, развитию и расселению по поверхности земли. Но в истории Земли
бывали порой и сбои в распределении газового состава. Причиной этого
служили различные катастрофы, которые не раз возникали в течение
криптозоя и фанерозоя. Эти сбои приводили к массовым вымираниям
органического мира.
Состав древней и современной атмосферы в процентном соотношении приведен в таблице 1.
Таблица 1. Состав первичной и современной атмосферы Земли.