Атмосферное давление во времена динозавров. Могло оно быть иным?
Посчитаем давление, которое создает столб воды высотой 13 метров.
Р=ρgh=1000*9,8*13=127400 Па.
Это 13 ньютонов на квадратный сантиметр, что соответствует давлению которое будет оказано на мою ладонь грузом массой в 190 кг. Вряд ли моя ладонь останется неповреждённой, и уж точно под этим весом пошевелить пальцами мне не удастся - рука будет скована, обездвижена, раздавлена. Может ли сердце динозавра прокачать кровь на высоту более 13 метров. Каким должно быть такое сердце?
Впечатляет? - Если да, то переходим к чтению статьи профессора О.Левеншпилля, "Атмосферное давление во времена динозавров. Могло оно быть иным?"
Если мы посетим Dinosaur Land, мы столкнемся с некоторыми из самых удивительных и загадочных явлений. Например: как может летающее существо размером с гигантского Кецалькоатля (размах крыльев 12-15 м) на самом деле летать, когда аэродинамическая теория и биология говорят, что такое невозможно.
Как может сердце гигантского апатозавра прокачивать кровь до своего мозга, более чем на 13 м вверх, когда животная энергетика и физика говорят, что он никоим образом не может этого сделать?
Могли ли быть в ту пору другими законы физики и биологии? - Мы так не думаем. Но мы должны признать, что атмосферное давление на древней Земле серьёзно отличалось от современных значений. Попробуем рассмотреть картины прошлого нашей Земли.
Атмосфера Земли до эпохи динозавров.
Если вы считаете, что биология от мыши до слона касается и летающих, в прошлом, существ, и если вы доверяете аэродинамической теории (которая в равной степени распространяется как на летающих насекомых и птиц, так и на самолеты), то вы согласитесь с тем утверждением, что гигантские летающие существа эпохи динозавров могли летать только в случае, если атмосферное давление той поры было гораздо выше, чем сейчас: как минимум 3,7-5,0 бар (атм.).
Если это так, то возникает несколько интересных вопросов. Например, как атмосфера достигла такого давления 100-65 миллионов лет назад? Какое давление было до этого? И как оно опустилось до современного значения атмосферного давления? Хотя у нас нет определенных ответов на эти вопросы, давайте представим разумные возможные объяснения.
Рисунок 1. Три возможных варианта атмосферного давления в начале жизни на Земле, расчитывая на то, что оно составляло ~5 бар.
1. Давление могло быть на уровне 1 бар на протяжении всей ранней жизни на Земле, подняться до 4-5 бар (как раз в то время, когда гигантские летчики нуждались в нем), а затем вновь вернуться к прежнему значению (кривая а).
2. Давление могло быть ~4-5 бар от начала жизни на Земле, и после снизилось до актуальных значений (кривая в).
Атмосфера могла иметь более высокое давление, которое непрерывно уменьшалось в течение жизни Земли до ~4-5 бар. при ~100 млн.лет назад и до 1 бар. сегодня (кривая с).
3. Третий вариант кажется наиболее разумным, поэтому давайте продолжим его. Мы также рассмотрим состав земной атмосферы, но сначала обсудим земную поверхность и посмотрим, как она влияет на атмосферу.
Поверхность Земли.
Поскольку атмосфера в значительной степени зависит от характеристик земной поверхности, давайте рассмотрим ее историю. Факты говорят о том, что свежий материал мантии поднимается вверх по трещинам в среднем океане, распространяется на континенты, а затем опускается обратно вглубь. Недавние измерения (2) показывают поверхностные перемещения со скоростью 2-30 см/год и более. Хотя это может показаться нам очень медленным в человеческом масштабе времени, это не так медленно в масштабе времени Земли. Например, измерения показывают, что Южная Америка и Африка разделены всего лишь 125 млн лет назад (3): вы смогли бы пройти прямо на восток от Нью-Йорка до пустыни Сахара 155 млн.лет назад (4). Дно Атлантического и Тихого океанов очищается и заменяется свежим поднявшимся материалом примерно каждые 200-300 миллионов лет (4). Учитывая, что возраст Земли составляет 4600 миллионов лет, прошло достаточно времени для >15 обновлений коры океана.
В течение этого периода кора, плавающая на мантии, блуждала. Современное мышление состоит в том что все современные континенты были частью СверхЗемли. А как насчет предыдущих 4400 миллионов лет? Сколько раз корка раскалывалась и снова соединялась? Ключ к разгадке лежит в распределении различных форм жизни. Например, поскольку останки скелетов динозавров были найдены на всех континентах, это говорит о том, что массивы суши были объединены 135-65 млн лет назад.
Все это указывает на то, что поверхность Земли пластична, деформируема и подвижна, с большим перемешиванием внутреннего пространства. Мы считаем, что это движение сильно влияло на атмосферу.
Первоначальная атмосфера Земли.
Геологи считают, что большая часть углерода на молодой, горячей земле, >4000 млн лет назад, была в виде газообразного углекислого газа, окиси углерода и метана. Со временем CO и CH4 вступали в реакцию с оксидными минералами и превращались в CO2. Эти реакции не изменили общего количества углерода в атмосфере.
Наша планета-сестра и ближайший сосед, Венера, имеет атмосферу давления 90 бар., состоящую из 96% CO2 (5). Почему Земля должна быть такой другой? Ронов А.Б. измерил эквивалент CO2, связанного в виде карбонатов по всему миру, по меньшей мере в 55 бар (6), в то время как Холланд даёт большую оценку, по меньшей мере в 70 бар (7). Эти карбонаты должны были поступать из атмосферы через океаны, поэтому мы предполагаем, что после первоначального окисления CH4 и CO ранняя атмосфера Земли находилась под очень высоким давлением, до 90 бар, и что она состояла в основном из CO2.
Если мы правы, то возникает вопрос - почему атмосфера Венеры сохраняет давление на уровне 90 бар, в то время как атмосферное давление на Земле снизилось до нескольких бар в эпоху динозавров, а затем снизилось до 1 бар, уже в наше время? Что случилось с СО2 Земли и псредством какого процесса он фактически исчез? Мы сравним Венеру и Землю.
Рис.2. Сравнение Венеры с Землей: p = атмосферное давление, r = радиус, ρ = плотность.
Эти две планеты примерно одинакового размера; однако у Венеры нет Луны, тогда как у Земли есть один из самых больших спутников в Солнечной системе. Наша Луна имеет ту же плотность, что и земная кора, что говорит о том, что Луна образовалась в результате потери Землей части ее тогдашней жидкой коры. Если бы не эта потеря, толщина земной коры, которая сейчас составляет всего 5-30 км, могла бы составить 42 км. Следовательно, земная кора должна быть тоньше венерианской. Будучи более тонкой, земная кора была хрупкой и разрушалась под действием конвективных сил мантии. Напротив, более толстая кора Венеры оставалась жесткой и не позволяла выводить CO2 из связанного состояния.
Кроме того, поскольку Венера ближе к Солнцу и горячее Земли, вода не может существовать на ней в жидком состоянии, в то время как Земля имеет гигантские океаны, которые покрывают две трети планеты. Океаны играют важную вспомогательную роль в удалении CO2 из атмосферы.
Растворение CO2 в океанах Земли.
При атмосферном давлении ~90 бар значительное количество CO2 растворялось бы в океанах. СО2 растворяется в воде в соответствии с равновесным соотношением.
соотношение равновесия углекислого газа
где H-константа закона Генри. H зависит от температуры, но составляет ~876-1000 бар на единицумолярной доли CO2 (8, 9).
Если мы предположим, что глубина океанов Земли составляет 2 км, то приведенные выше значения означают, что в равновесии на каждый моль CO2 в атмосфере приходится один моль CO2, растворенный в океане. Таким образом, атмосфера, первоначально состоящая из 90 бар CO2, уменьшилась бы до 45 бар CO2 только за счет растворения; однако также действует другой фактор, еще больше снижающий концентрацию CO2 в атмосфере.
Реакция СО2 с апвеллинговыми минералами.
Рисунок 3. Апвеллинг материала земной мантии вызывает омоложение океанического дна.
Современные представления - это континенты, “плавающие” над циркулирующим слоем мантии, который поднимается на срединных океанических хребтах и опускается в других местах (Рис. 3). Апвеллинг приносит из недр земли свежие минералы, в том числе оксиды кальция, магния и других элементов. Оксиды растворяются в океанской воде, а затем соединяются с растворенным CO2, образуя карбонатные отложения.
Исходя из кинетики реакции, мы предполагаем, что стадией регулирования скорости этой реакции является апвеллинг щелочных оксидов на границах тектонических плит, а не растворение и перенос CO2 из атмосферы в морскую воду. Исходя из консервативного предположения о постоянной скорости растекания морского дна, можно заключить, что концентрация CO2 в атмосфере уменьшается примерно линейно со временем (кинетика нулевого порядка). Когда карбонаты погружаются обратно в мантию, они нагреваются и разлагаются, высвобождая захваченный CO2, который возвращается в атмосферу через вулканические извержения и в океан из жерл на дне океана (Рис.4).
Рисунок 4. Циркуляция и постепенное удаление CO2 из атмосферы.
Сегодня огромные залежи осадочных карбонатных пород встречаются на суше и на дне океана, >1 000 000 км^3. Над континентами CO2 поглощала дождевая вода и грунтовые воды. Эта богатая СО2 вода вступала в реакцию с горными породами с образованием бикарбонатов, а затем переносилась в океан и осаждалась в виде карбонатов кальция и магния. В океане растворённый CO2 в сочетании с гидроксидом кальция образует отложения мела, или же он поглощается кораллами, моллюсками и другими живыми существами, образуя гигантские рифы. Изучение распределения этих отложений во времени дает нам ключ к истории CO2 в атмосфере.
Рис. 5. История осаждения CO2 в виде карбонатов.
Коричневая область представляет собой континентальные отложения, которые “плавают " на более плотном материале и не являются субдуктивными. Синяя область представляет собой океанические отложения. Они часто являются субдуктивными и поэтому относительно молодыми.
Подробный анализ Хэя (6) обширных измерений, проведенных со всего мира Роновым и Ярешевским (10), суммирован на рис.5. Анализ Хэя показывает, что сегодня континенты содержат по крайней мере 2,82 ×10^6 км3 известняка, который представляет собой остатки отложений за последние 570 миллионов лет, которые не были смыты в море или субдуцированы обратно в недра земли. Это эквивалентно атмосферному давлению CO2 в 38 бар. Если мы добавим карбонаты, найденные на дне океана, то эквивалентное атмосферное давление CO2 поднимется до 55 бар. Интегрирование значений, приведенных на рис.5, дает прогрессирующее истощение CO2 из атмосферы (рис.6). Таким образом, рециркуляция CO2 составляет: 55-70 бар и более приходится на поверхность земли (6, 7), а ~30 бар находится в процессе переработки в недрах планеты.
Рис. 6. прогрессирующее снижение давления CO2 в результате образования и осаждения карбонатов на поверхности земли.
Рисунок 5 подтверждает более раннее утверждение о том, что современные океаны относительно молоды, поскольку они содержат известняк не старше 200 миллионов лет. С другой стороны, континентальные массивы суши намного старше, потому что 100-65 млн лет назад океаны и атмосфера делили свободный CO2 поровну. Следовательно, давление СО2 в атмосфере в возрасте летающих существ составляло ~8-10 бар (рис. 6).
Геологические данные согласуются с физиологическими и аэродинамическими аргументами (1), что атмосферное давление в эпоху динозавров было определенно выше. Если вы отвергаете этот аргумент и предпочитаете верить, что атмосфера была на уровне 1 бар на протяжении всей истории Земли, как вы объясните, откуда взялись эквивалентные 55-70 бар CO2 в известняке и других карбонатах?
Астрономический аргумент.
С точки зрения современной теории звездной эволюции Саган и Маллен обсуждали парадокс “слабого раннего солнца”, который задается вопросом, почему поверхность земли не замерзла в первые дни своего существования, учитывая на 25-40% меньшую солнечную светимость в то время (11). Эти значения представляют собой диапазон из пяти оценок. При такой низкой светимости средняя температура Земли была бы где-то между -5 и -21 °C вместо нынешних 13-15 °C. С замерзшими океанами, покрывающими нашу планету, могла ли жизнь утверждаться и процветать в столь негостеприимных условиях?
Один из разумных ответов на этот вопрос заключается в том, что CO2, как эффективный парниковый газ атмосферы, в те ранние времена присутствовал в высокой концентрации. Кастинг и соавторы предполагают коэффициент в 100-800 раз выше, чем сегодня, всего на 1 бар (12, 13); однако он не рассматривал возможности более высокого давления атмосферы, как это делаем мы здесь.
История Земли.
Когда наша молодая планета остывала и конденсировалась в твердое тело, она была окружена густой атмосферной смесью. Водород и водородсодержащие соединения в сочетании с кислородом образуют воду, которая становится океанами, в то время как углеродсодержащие соединения , главным образом Со и СН4, в сочетании с кислородом образуют СО2 при высоком давлении. Все это заняло примерно половину времени существовании Земли, и в результате атмосфера была истощена кислородом.
Жизнь, вероятно, закрепилась в океанах бесплодной планеты в виде сине-зеленых водорослей и цианобактерий-организмов, которые не нуждались в кислороде для жизни. Фотосинтез еще не был изобретен растениями. Итак, реакция, которая поддерживала эти формы жизни, была
Эти водоросли распространились по всему земному океану.
Примерно через миллиард лет дополнительных экспериментов жизнь изобрела свое самый важный процесс - фотосинтез, и научилась жить за счет избытка CO2 в атмосфере плюс солнечного света и таким образом вторгаться на сушу. Наземные растения эволюционировали и жили за счет этой реакции
В течение каменноугольного периода, 350-280 млн лет назад, эти растения широко размножались, покрывая поверхность суши пышными лесами гигантских папоротников, деревьев и растений всех типов. Поскольку атмосфера была богата СО2, но очень бедна кислородом, мертвый растительный материал быстро не разлагался и слой за слоем укладывался в толстые слои, которые со временем превращались в уголь.
Подсчитано, что каждая 1-метровая толща угля образуется в результате сжатия 10-20-метрового слоя мертвого органического вещества (14), так что сегодняшний 10-метровый толстый угольный пласт представляет собой исходное 100-метровое распадающееся вещество. Такого толстого слоя разлагающейся материи мы сегодня нигде не видим. Тропические леса сегодня поддерживают только очень тонкий слой разлагающегося вещества из-за быстрого окисления. Таким образом, слои толщиной 100 м могут возникать только в том случае, если атмосфера препятствует окислению. Это еще одно веское доказательство того, что атмосфера в те далекие времена была богата СО2, но бедна кислородом.
Со временем концентрация СО2 неуклонно снижалась, в первую очередь из-за образования и осаждения известняка и других углеродистых материалов. CO2 также терялся в процессе фотосинтеза с последующим осаждением углеродистых веществ, таких как уголь, нефть, торф, горючие сланцы и дегтярные пески; однако эти потери были весьма незначительными. Расчеты показывают, что залежи того, что сейчас считается запасами топлива, снизили атмосферный CO2 на < 1 бар.
В то же время концентрация кислорода медленно росла. Эти два изменения, уменьшение содержания CO2 и увеличение содержания кислорода, привели к истончению лесов, и мертвый материал стал окисляться быстрее, так что плотные слои мертвой органики больше не осаждались. Свидетельством такого изменения атмосферных условий является то, что мы не можем найти никаких массивных угольных месторождений моложе 65 миллионов лет.
Рис.7. предполагаемая история атмосферы Земли.
Животная жизнь нашла эту измененную атмосферу по своему вкусу, поэтому млекопитающие и динозавры процветали, сначала как очень маленькие существа, но затем увеличились в размерах в результате эволюционной конкуренции. Это привело к появлению гигантских летающих существ ближе к концу эпохи динозавров. Вполне возможно, что эти существа вымерли, поскольку общее давление атмосферы упало ниже их устойчивого уровня (Рисунок 7).
Известняковые пещеры.
Во всем мире есть много известняковых пещер, некоторые из которых имеют длину в несколько километров. Большинство этих пешер относительно молоды. Это также говорит нам кое-что о нашей атмосфере.
Из-за своей высокой концентрации в атмосфере CO2 растворяется в дождевой и подземной воде, а реакция
уходит вправо. Когда атмосфера становится скудной по CO2, реакция смещается влево. Тот факт, что известняковые пещеры были образованы относительно недавно, указывает на то, что концентрация CO2 в атмосфере была очень высокой давным-давно, что привело к отложениям известняка, но в последнее время стала очень низкой, позволяя известняку растворяться.
Экспериментальная проверка.
Помимо общих выводов, подтверждающих теорию движения плит, возможно, наиболее ощутимым и недвусмысленным доказательством рециркуляции материала Земли из коры в глубокую мантию и обратно является недавний доклад Дэниелса и соавторов (15).
В атмосфере с высоким содержанием CO2 и в других агрессивных средах жизненные формы могут использовать преимущества свободной энергии в удивительном диапазоне: выше точки кипения и ниже точки замерзания воды, при давлении до 300 бар, в богатых кислородом и бедных кислородом средах, а также при наличии и отсутствии солнечного света (16, 17). На более привычном уровне микроб, который производит пузырьки шампанского, работает при давлении до 7 бар CO2.
Другие оценки концентраций CO2.
Исследователи предположили, что концентрация CO2, возможно, была несколько выше в прошлом, чем сегодня. Изучая углеродный обмен между мантией и корой, де Марэ предполагает, что 3000 млн.лет назад, атмосфера содержала по крайней мере в 100 раз больше CO2 (или 0,03 бар), чем сегодня (18).
Холланд (7) считает, что самая ранняя атмосфера Земли содержала до 20 бар CO2 и что ~10 бар предположительно могли сохраняться в течение нескольких сотен миллионов лет (19). Было выдвинуто много других подобных предложений.
Рост растений при высоких концентрациях CO2.
Уместно спросить, проводились ли какие-либо эксперименты, чтобы предположить, может ли жизнь процветать при более высоких концентрациях CO2. Было обнаружено, что сосновые и осиновые деревья, выращенные на биологической станции Мичиганского университета в Пеллстоуне, резко реагируют на повышенные уровни CO2. Они росли на 30% быстрее, чем обычные деревья, при количестве CO2 примерно в два раза выше нормального уровня (700 ppm) (20).
Однако, чтобы проверить наши предположения, мы должны увидеть, могут ли растения выжить, не в двойной сегодняшней концентрации CO2, а в тысячи раз выше. Мы проверили это предложение, выращивая растения в 32 герметичных контейнерах (1 - и 2-литровые пластиковые бутылки из-под соды, содержащие взвешенные количества CO2) при давлении от 2 до 10 бар. Эти условия давали парциальное давление СО2 в 3000-27000 раз больше нормального, или 50-90% СО2.
Из испытанных видов Taxodium, Metasequoia, Araucaria, Equisetumи Sphagnum росли лучше всего при этих более высоких давлениях; один экземпляр Taxodium вырос на 7 см в течение 2 лет при давлении 2 бар (50%CO2). Однако в целом рост растений был значительно медленнее, чем при давлении 1 бар. Мхи, папоротники и цветущие растения погибали в течение месяца при таком высоком содержании СО2.
Слабый рост, наблюдаемый в этих экспериментах, скорее всего, связан с накоплением газового выхлопа жизнедеятельности в герметичных контейнерах, а не с высоким давлением CO2, и поэтому эти результаты могут быть ошибочными. Можно было бы ожидать, что энергичный рост будет наблюдаться в постоянно обновляющейся атмосфере. Хотя современная растительная жизнь, вероятно, не приспособлена к жизни в очень разных атмосферах и давлениях прошлого, наши предварительные эксперименты показывают, что плотная атмосфера CO2 могла существовать на ранней Земле, не нарушая никаких известных ограничений на эволюцию планеты.
Придавая всему этому смысл.
Если мы предположим, что ранняя атмосфера Земли была очень разной, как по составу (в основном CO2), так и по общему давлению, это ответит на некоторые загадочные вопросы из различных дисциплин.
- Каким образом летающие существа из эпохи динозавров имели достаточно энергии, чтобы летать, когда физиология, биология и аэронавтика говорят, что это было невозможно?
- Как могла развиться жизнь на Земле, если астрономия говорит, что Земля была слишком холодной, чтобы поддерживать жизнь?
- Если атмосфера Земли оставалась на уровне ~1 бар на протяжении всей ее истории, то откуда взялся эквивалент 50-70 бар CO2 в известняке и других карбонатах на поверхности земли?
Эта картина высокой концентрации CO2 и высокого давления в прошлом также объясняет, почему большинство массивных угольных пластов старше 65 миллионов лет и почему большинство известняковых пещер моложе 100 миллионов лет.
Хотя мы не знаем значений атмосферного давления в те ранние времена и хотя каждый из аргументов в этой статье приводит только к предположениям, взятые вместе данные из этих различных источников приводят к одному и тому же выводу: атмосферное давление было выше в прошлом, и состояло в основном из CO2. Эта гипотеза представляет картину эволюции нашей планеты, которую следует изучить и которая может иметь интересные последствия.
Источник.
На статью указал ab_uno_disce.
Р=ρgh=1000*9,8*13=127400 Па.
Это 13 ньютонов на квадратный сантиметр, что соответствует давлению которое будет оказано на мою ладонь грузом массой в 190 кг. Вряд ли моя ладонь останется неповреждённой, и уж точно под этим весом пошевелить пальцами мне не удастся - рука будет скована, обездвижена, раздавлена. Может ли сердце динозавра прокачать кровь на высоту более 13 метров. Каким должно быть такое сердце?
Впечатляет? - Если да, то переходим к чтению статьи профессора О.Левеншпилля, "Атмосферное давление во времена динозавров. Могло оно быть иным?"
Если мы посетим Dinosaur Land, мы столкнемся с некоторыми из самых удивительных и загадочных явлений. Например: как может летающее существо размером с гигантского Кецалькоатля (размах крыльев 12-15 м) на самом деле летать, когда аэродинамическая теория и биология говорят, что такое невозможно.
Как может сердце гигантского апатозавра прокачивать кровь до своего мозга, более чем на 13 м вверх, когда животная энергетика и физика говорят, что он никоим образом не может этого сделать?
Могли ли быть в ту пору другими законы физики и биологии? - Мы так не думаем. Но мы должны признать, что атмосферное давление на древней Земле серьёзно отличалось от современных значений. Попробуем рассмотреть картины прошлого нашей Земли.
Атмосфера Земли до эпохи динозавров.
Если вы считаете, что биология от мыши до слона касается и летающих, в прошлом, существ, и если вы доверяете аэродинамической теории (которая в равной степени распространяется как на летающих насекомых и птиц, так и на самолеты), то вы согласитесь с тем утверждением, что гигантские летающие существа эпохи динозавров могли летать только в случае, если атмосферное давление той поры было гораздо выше, чем сейчас: как минимум 3,7-5,0 бар (атм.).
Если это так, то возникает несколько интересных вопросов. Например, как атмосфера достигла такого давления 100-65 миллионов лет назад? Какое давление было до этого? И как оно опустилось до современного значения атмосферного давления? Хотя у нас нет определенных ответов на эти вопросы, давайте представим разумные возможные объяснения.
Рисунок 1. Три возможных варианта атмосферного давления в начале жизни на Земле, расчитывая на то, что оно составляло ~5 бар.
1. Давление могло быть на уровне 1 бар на протяжении всей ранней жизни на Земле, подняться до 4-5 бар (как раз в то время, когда гигантские летчики нуждались в нем), а затем вновь вернуться к прежнему значению (кривая а).
2. Давление могло быть ~4-5 бар от начала жизни на Земле, и после снизилось до актуальных значений (кривая в).
Атмосфера могла иметь более высокое давление, которое непрерывно уменьшалось в течение жизни Земли до ~4-5 бар. при ~100 млн.лет назад и до 1 бар. сегодня (кривая с).
3. Третий вариант кажется наиболее разумным, поэтому давайте продолжим его. Мы также рассмотрим состав земной атмосферы, но сначала обсудим земную поверхность и посмотрим, как она влияет на атмосферу.
Поверхность Земли.
Поскольку атмосфера в значительной степени зависит от характеристик земной поверхности, давайте рассмотрим ее историю. Факты говорят о том, что свежий материал мантии поднимается вверх по трещинам в среднем океане, распространяется на континенты, а затем опускается обратно вглубь. Недавние измерения (2) показывают поверхностные перемещения со скоростью 2-30 см/год и более. Хотя это может показаться нам очень медленным в человеческом масштабе времени, это не так медленно в масштабе времени Земли. Например, измерения показывают, что Южная Америка и Африка разделены всего лишь 125 млн лет назад (3): вы смогли бы пройти прямо на восток от Нью-Йорка до пустыни Сахара 155 млн.лет назад (4). Дно Атлантического и Тихого океанов очищается и заменяется свежим поднявшимся материалом примерно каждые 200-300 миллионов лет (4). Учитывая, что возраст Земли составляет 4600 миллионов лет, прошло достаточно времени для >15 обновлений коры океана.
В течение этого периода кора, плавающая на мантии, блуждала. Современное мышление состоит в том что все современные континенты были частью СверхЗемли. А как насчет предыдущих 4400 миллионов лет? Сколько раз корка раскалывалась и снова соединялась? Ключ к разгадке лежит в распределении различных форм жизни. Например, поскольку останки скелетов динозавров были найдены на всех континентах, это говорит о том, что массивы суши были объединены 135-65 млн лет назад.
Все это указывает на то, что поверхность Земли пластична, деформируема и подвижна, с большим перемешиванием внутреннего пространства. Мы считаем, что это движение сильно влияло на атмосферу.
Первоначальная атмосфера Земли.
Геологи считают, что большая часть углерода на молодой, горячей земле, >4000 млн лет назад, была в виде газообразного углекислого газа, окиси углерода и метана. Со временем CO и CH4 вступали в реакцию с оксидными минералами и превращались в CO2. Эти реакции не изменили общего количества углерода в атмосфере.
Наша планета-сестра и ближайший сосед, Венера, имеет атмосферу давления 90 бар., состоящую из 96% CO2 (5). Почему Земля должна быть такой другой? Ронов А.Б. измерил эквивалент CO2, связанного в виде карбонатов по всему миру, по меньшей мере в 55 бар (6), в то время как Холланд даёт большую оценку, по меньшей мере в 70 бар (7). Эти карбонаты должны были поступать из атмосферы через океаны, поэтому мы предполагаем, что после первоначального окисления CH4 и CO ранняя атмосфера Земли находилась под очень высоким давлением, до 90 бар, и что она состояла в основном из CO2.
Если мы правы, то возникает вопрос - почему атмосфера Венеры сохраняет давление на уровне 90 бар, в то время как атмосферное давление на Земле снизилось до нескольких бар в эпоху динозавров, а затем снизилось до 1 бар, уже в наше время? Что случилось с СО2 Земли и псредством какого процесса он фактически исчез? Мы сравним Венеру и Землю.
Рис.2. Сравнение Венеры с Землей: p = атмосферное давление, r = радиус, ρ = плотность.
Эти две планеты примерно одинакового размера; однако у Венеры нет Луны, тогда как у Земли есть один из самых больших спутников в Солнечной системе. Наша Луна имеет ту же плотность, что и земная кора, что говорит о том, что Луна образовалась в результате потери Землей части ее тогдашней жидкой коры. Если бы не эта потеря, толщина земной коры, которая сейчас составляет всего 5-30 км, могла бы составить 42 км. Следовательно, земная кора должна быть тоньше венерианской. Будучи более тонкой, земная кора была хрупкой и разрушалась под действием конвективных сил мантии. Напротив, более толстая кора Венеры оставалась жесткой и не позволяла выводить CO2 из связанного состояния.
Кроме того, поскольку Венера ближе к Солнцу и горячее Земли, вода не может существовать на ней в жидком состоянии, в то время как Земля имеет гигантские океаны, которые покрывают две трети планеты. Океаны играют важную вспомогательную роль в удалении CO2 из атмосферы.
Растворение CO2 в океанах Земли.
При атмосферном давлении ~90 бар значительное количество CO2 растворялось бы в океанах. СО2 растворяется в воде в соответствии с равновесным соотношением.
соотношение равновесия углекислого газа
где H-константа закона Генри. H зависит от температуры, но составляет ~876-1000 бар на единицумолярной доли CO2 (8, 9).
Если мы предположим, что глубина океанов Земли составляет 2 км, то приведенные выше значения означают, что в равновесии на каждый моль CO2 в атмосфере приходится один моль CO2, растворенный в океане. Таким образом, атмосфера, первоначально состоящая из 90 бар CO2, уменьшилась бы до 45 бар CO2 только за счет растворения; однако также действует другой фактор, еще больше снижающий концентрацию CO2 в атмосфере.
Реакция СО2 с апвеллинговыми минералами.
Рисунок 3. Апвеллинг материала земной мантии вызывает омоложение океанического дна.
Современные представления - это континенты, “плавающие” над циркулирующим слоем мантии, который поднимается на срединных океанических хребтах и опускается в других местах (Рис. 3). Апвеллинг приносит из недр земли свежие минералы, в том числе оксиды кальция, магния и других элементов. Оксиды растворяются в океанской воде, а затем соединяются с растворенным CO2, образуя карбонатные отложения.
Исходя из кинетики реакции, мы предполагаем, что стадией регулирования скорости этой реакции является апвеллинг щелочных оксидов на границах тектонических плит, а не растворение и перенос CO2 из атмосферы в морскую воду. Исходя из консервативного предположения о постоянной скорости растекания морского дна, можно заключить, что концентрация CO2 в атмосфере уменьшается примерно линейно со временем (кинетика нулевого порядка). Когда карбонаты погружаются обратно в мантию, они нагреваются и разлагаются, высвобождая захваченный CO2, который возвращается в атмосферу через вулканические извержения и в океан из жерл на дне океана (Рис.4).
Рисунок 4. Циркуляция и постепенное удаление CO2 из атмосферы.
Сегодня огромные залежи осадочных карбонатных пород встречаются на суше и на дне океана, >1 000 000 км^3. Над континентами CO2 поглощала дождевая вода и грунтовые воды. Эта богатая СО2 вода вступала в реакцию с горными породами с образованием бикарбонатов, а затем переносилась в океан и осаждалась в виде карбонатов кальция и магния. В океане растворённый CO2 в сочетании с гидроксидом кальция образует отложения мела, или же он поглощается кораллами, моллюсками и другими живыми существами, образуя гигантские рифы. Изучение распределения этих отложений во времени дает нам ключ к истории CO2 в атмосфере.
Рис. 5. История осаждения CO2 в виде карбонатов.
Коричневая область представляет собой континентальные отложения, которые “плавают " на более плотном материале и не являются субдуктивными. Синяя область представляет собой океанические отложения. Они часто являются субдуктивными и поэтому относительно молодыми.
Подробный анализ Хэя (6) обширных измерений, проведенных со всего мира Роновым и Ярешевским (10), суммирован на рис.5. Анализ Хэя показывает, что сегодня континенты содержат по крайней мере 2,82 ×10^6 км3 известняка, который представляет собой остатки отложений за последние 570 миллионов лет, которые не были смыты в море или субдуцированы обратно в недра земли. Это эквивалентно атмосферному давлению CO2 в 38 бар. Если мы добавим карбонаты, найденные на дне океана, то эквивалентное атмосферное давление CO2 поднимется до 55 бар. Интегрирование значений, приведенных на рис.5, дает прогрессирующее истощение CO2 из атмосферы (рис.6). Таким образом, рециркуляция CO2 составляет: 55-70 бар и более приходится на поверхность земли (6, 7), а ~30 бар находится в процессе переработки в недрах планеты.
Рис. 6. прогрессирующее снижение давления CO2 в результате образования и осаждения карбонатов на поверхности земли.
Рисунок 5 подтверждает более раннее утверждение о том, что современные океаны относительно молоды, поскольку они содержат известняк не старше 200 миллионов лет. С другой стороны, континентальные массивы суши намного старше, потому что 100-65 млн лет назад океаны и атмосфера делили свободный CO2 поровну. Следовательно, давление СО2 в атмосфере в возрасте летающих существ составляло ~8-10 бар (рис. 6).
Геологические данные согласуются с физиологическими и аэродинамическими аргументами (1), что атмосферное давление в эпоху динозавров было определенно выше. Если вы отвергаете этот аргумент и предпочитаете верить, что атмосфера была на уровне 1 бар на протяжении всей истории Земли, как вы объясните, откуда взялись эквивалентные 55-70 бар CO2 в известняке и других карбонатах?
Астрономический аргумент.
С точки зрения современной теории звездной эволюции Саган и Маллен обсуждали парадокс “слабого раннего солнца”, который задается вопросом, почему поверхность земли не замерзла в первые дни своего существования, учитывая на 25-40% меньшую солнечную светимость в то время (11). Эти значения представляют собой диапазон из пяти оценок. При такой низкой светимости средняя температура Земли была бы где-то между -5 и -21 °C вместо нынешних 13-15 °C. С замерзшими океанами, покрывающими нашу планету, могла ли жизнь утверждаться и процветать в столь негостеприимных условиях?
Один из разумных ответов на этот вопрос заключается в том, что CO2, как эффективный парниковый газ атмосферы, в те ранние времена присутствовал в высокой концентрации. Кастинг и соавторы предполагают коэффициент в 100-800 раз выше, чем сегодня, всего на 1 бар (12, 13); однако он не рассматривал возможности более высокого давления атмосферы, как это делаем мы здесь.
История Земли.
Когда наша молодая планета остывала и конденсировалась в твердое тело, она была окружена густой атмосферной смесью. Водород и водородсодержащие соединения в сочетании с кислородом образуют воду, которая становится океанами, в то время как углеродсодержащие соединения , главным образом Со и СН4, в сочетании с кислородом образуют СО2 при высоком давлении. Все это заняло примерно половину времени существовании Земли, и в результате атмосфера была истощена кислородом.
Жизнь, вероятно, закрепилась в океанах бесплодной планеты в виде сине-зеленых водорослей и цианобактерий-организмов, которые не нуждались в кислороде для жизни. Фотосинтез еще не был изобретен растениями. Итак, реакция, которая поддерживала эти формы жизни, была
Эти водоросли распространились по всему земному океану.
Примерно через миллиард лет дополнительных экспериментов жизнь изобрела свое самый важный процесс - фотосинтез, и научилась жить за счет избытка CO2 в атмосфере плюс солнечного света и таким образом вторгаться на сушу. Наземные растения эволюционировали и жили за счет этой реакции
В течение каменноугольного периода, 350-280 млн лет назад, эти растения широко размножались, покрывая поверхность суши пышными лесами гигантских папоротников, деревьев и растений всех типов. Поскольку атмосфера была богата СО2, но очень бедна кислородом, мертвый растительный материал быстро не разлагался и слой за слоем укладывался в толстые слои, которые со временем превращались в уголь.
Подсчитано, что каждая 1-метровая толща угля образуется в результате сжатия 10-20-метрового слоя мертвого органического вещества (14), так что сегодняшний 10-метровый толстый угольный пласт представляет собой исходное 100-метровое распадающееся вещество. Такого толстого слоя разлагающейся материи мы сегодня нигде не видим. Тропические леса сегодня поддерживают только очень тонкий слой разлагающегося вещества из-за быстрого окисления. Таким образом, слои толщиной 100 м могут возникать только в том случае, если атмосфера препятствует окислению. Это еще одно веское доказательство того, что атмосфера в те далекие времена была богата СО2, но бедна кислородом.
Со временем концентрация СО2 неуклонно снижалась, в первую очередь из-за образования и осаждения известняка и других углеродистых материалов. CO2 также терялся в процессе фотосинтеза с последующим осаждением углеродистых веществ, таких как уголь, нефть, торф, горючие сланцы и дегтярные пески; однако эти потери были весьма незначительными. Расчеты показывают, что залежи того, что сейчас считается запасами топлива, снизили атмосферный CO2 на < 1 бар.
В то же время концентрация кислорода медленно росла. Эти два изменения, уменьшение содержания CO2 и увеличение содержания кислорода, привели к истончению лесов, и мертвый материал стал окисляться быстрее, так что плотные слои мертвой органики больше не осаждались. Свидетельством такого изменения атмосферных условий является то, что мы не можем найти никаких массивных угольных месторождений моложе 65 миллионов лет.
Рис.7. предполагаемая история атмосферы Земли.
Животная жизнь нашла эту измененную атмосферу по своему вкусу, поэтому млекопитающие и динозавры процветали, сначала как очень маленькие существа, но затем увеличились в размерах в результате эволюционной конкуренции. Это привело к появлению гигантских летающих существ ближе к концу эпохи динозавров. Вполне возможно, что эти существа вымерли, поскольку общее давление атмосферы упало ниже их устойчивого уровня (Рисунок 7).
Известняковые пещеры.
Во всем мире есть много известняковых пещер, некоторые из которых имеют длину в несколько километров. Большинство этих пешер относительно молоды. Это также говорит нам кое-что о нашей атмосфере.
Из-за своей высокой концентрации в атмосфере CO2 растворяется в дождевой и подземной воде, а реакция
уходит вправо. Когда атмосфера становится скудной по CO2, реакция смещается влево. Тот факт, что известняковые пещеры были образованы относительно недавно, указывает на то, что концентрация CO2 в атмосфере была очень высокой давным-давно, что привело к отложениям известняка, но в последнее время стала очень низкой, позволяя известняку растворяться.
Экспериментальная проверка.
Помимо общих выводов, подтверждающих теорию движения плит, возможно, наиболее ощутимым и недвусмысленным доказательством рециркуляции материала Земли из коры в глубокую мантию и обратно является недавний доклад Дэниелса и соавторов (15).
В атмосфере с высоким содержанием CO2 и в других агрессивных средах жизненные формы могут использовать преимущества свободной энергии в удивительном диапазоне: выше точки кипения и ниже точки замерзания воды, при давлении до 300 бар, в богатых кислородом и бедных кислородом средах, а также при наличии и отсутствии солнечного света (16, 17). На более привычном уровне микроб, который производит пузырьки шампанского, работает при давлении до 7 бар CO2.
Другие оценки концентраций CO2.
Исследователи предположили, что концентрация CO2, возможно, была несколько выше в прошлом, чем сегодня. Изучая углеродный обмен между мантией и корой, де Марэ предполагает, что 3000 млн.лет назад, атмосфера содержала по крайней мере в 100 раз больше CO2 (или 0,03 бар), чем сегодня (18).
Холланд (7) считает, что самая ранняя атмосфера Земли содержала до 20 бар CO2 и что ~10 бар предположительно могли сохраняться в течение нескольких сотен миллионов лет (19). Было выдвинуто много других подобных предложений.
Рост растений при высоких концентрациях CO2.
Уместно спросить, проводились ли какие-либо эксперименты, чтобы предположить, может ли жизнь процветать при более высоких концентрациях CO2. Было обнаружено, что сосновые и осиновые деревья, выращенные на биологической станции Мичиганского университета в Пеллстоуне, резко реагируют на повышенные уровни CO2. Они росли на 30% быстрее, чем обычные деревья, при количестве CO2 примерно в два раза выше нормального уровня (700 ppm) (20).
Однако, чтобы проверить наши предположения, мы должны увидеть, могут ли растения выжить, не в двойной сегодняшней концентрации CO2, а в тысячи раз выше. Мы проверили это предложение, выращивая растения в 32 герметичных контейнерах (1 - и 2-литровые пластиковые бутылки из-под соды, содержащие взвешенные количества CO2) при давлении от 2 до 10 бар. Эти условия давали парциальное давление СО2 в 3000-27000 раз больше нормального, или 50-90% СО2.
Из испытанных видов Taxodium, Metasequoia, Araucaria, Equisetumи Sphagnum росли лучше всего при этих более высоких давлениях; один экземпляр Taxodium вырос на 7 см в течение 2 лет при давлении 2 бар (50%CO2). Однако в целом рост растений был значительно медленнее, чем при давлении 1 бар. Мхи, папоротники и цветущие растения погибали в течение месяца при таком высоком содержании СО2.
Слабый рост, наблюдаемый в этих экспериментах, скорее всего, связан с накоплением газового выхлопа жизнедеятельности в герметичных контейнерах, а не с высоким давлением CO2, и поэтому эти результаты могут быть ошибочными. Можно было бы ожидать, что энергичный рост будет наблюдаться в постоянно обновляющейся атмосфере. Хотя современная растительная жизнь, вероятно, не приспособлена к жизни в очень разных атмосферах и давлениях прошлого, наши предварительные эксперименты показывают, что плотная атмосфера CO2 могла существовать на ранней Земле, не нарушая никаких известных ограничений на эволюцию планеты.
Придавая всему этому смысл.
Если мы предположим, что ранняя атмосфера Земли была очень разной, как по составу (в основном CO2), так и по общему давлению, это ответит на некоторые загадочные вопросы из различных дисциплин.
- Каким образом летающие существа из эпохи динозавров имели достаточно энергии, чтобы летать, когда физиология, биология и аэронавтика говорят, что это было невозможно?
- Как могла развиться жизнь на Земле, если астрономия говорит, что Земля была слишком холодной, чтобы поддерживать жизнь?
- Если атмосфера Земли оставалась на уровне ~1 бар на протяжении всей ее истории, то откуда взялся эквивалент 50-70 бар CO2 в известняке и других карбонатах на поверхности земли?
Эта картина высокой концентрации CO2 и высокого давления в прошлом также объясняет, почему большинство массивных угольных пластов старше 65 миллионов лет и почему большинство известняковых пещер моложе 100 миллионов лет.
Хотя мы не знаем значений атмосферного давления в те ранние времена и хотя каждый из аргументов в этой статье приводит только к предположениям, взятые вместе данные из этих различных источников приводят к одному и тому же выводу: атмосферное давление было выше в прошлом, и состояло в основном из CO2. Эта гипотеза представляет картину эволюции нашей планеты, которую следует изучить и которая может иметь интересные последствия.
Источник.
На статью указал ab_uno_disce.