Накопление азота в атмосфере Земли
Азот относится к умеренно активным элементам, слабо вступающим в реакции с природными неорганическими соединениями. Поэтому существует большая вероятность того, что и в первичной атмосфере содержалось заметное количество этого газа. В этом случае значительная часть азота современной атмосферы является реликтовой, сохранившейся ещё со времён формирования Земли около 4,6 млрд лет назад, хотя другая его часть могла дегазироваться из мантии уже на геологической стадии развития нашей планеты. Необходимо учитывать, что с появлением жизни на Земле около 4,0-3,8 млрд лет назад постоянно происходило связывание этого газа в органическом веществе и его захоронение в океанических осадках, а после выхода жизни на сушу (около 400 млн лет назад) — и в континентальных отложениях. Поэтому жизнедеятельность организмов за длительное время развития земной жизни могла существенно снизить парциальное давление азота в земной атмосфере, тем самым меняя климаты Земли. Рассчитывая эффект поглощения азота, надо учитывать, что органический азот (Nорг) океанических осадков вместе с осадками через зоны скучивания океанической коры в архее или через зоны поддвига плит в протерозое и фанерозое постоянно выводился из акваторий океанов. После этого он частично включался в гранит-метаморфические породы континентальной коры или уходил в мантию, но частично вновь дегазировался и снова поступал в атмосферу.
Помимо биогенного процесса связывания атмосферного азота, по-видимому, существует достаточно эффективный абиогенный механизм этой же направленности. Так, по расчётам Я. Юнга и М. МакЕлроя (Yung, McElroy, 1979), фиксация азота в почвах может происходить во время гроз благодаря образованию при электрических разрядах во влажном воздухе азотной и азотистой кислот.
Оценить количество выведенного из атмосферы азота сложно, но возможно. Содержание азота в осадочных породах обычно прямо коррелируется с концентрацией захороненного в них органического углерода. Поэтому оценить количество захороненного в океанических осадках азота, по-видимому, можно по данным о массе погребённого в них органического углерода Cорг. Для этого следует только определить коэффициент пропорциональности между Hорг и Cорг. В донных осадках открытого океана Cорг : Nорг : Pорг приблизительно равно 106 : 20 : 0,91 (Лисицын, Виноградов, 1982), но при этом до 80 % азота быстро уходит из органического вещества, поэтому отношение Cорг : Nорг в осадках может повышаться до 1 : 0,04. По данным Г. Фора (1989), это отношение в осадках приблизительно равно 1 : 0,05. Примем, по данным А. Б. Ронова и А. А. Ярошевского (1978, 1993), что в осадках океанов (пелагиаль плюс шельфы) законсервировано около (2,7-2,86)×1021 г Cорг, а в осадках континентов — около (9,2-8,09)×1021 г Cорг. В след за Г. Фором мы приняли значения отношений Cорг : Nорг близкими к 20:1, тогда содержание Hорг в осадках океанического дна и шельфах примерно равно 1,36×1020 г, а в континентальных осадках — 5,0×1020 г.
В первом приближении будем считать, что развитие жизни в океане ограничивается содержанием в океанических водах растворенного фосфора, а его концентрация с течением времени менялась незначительно (Шопф, 1982). Отсюда следует, что биомасса океана всегда оставалась приблизительно пропорциональной массе воды в самом океане. Эволюция массы воды в Мировом океане была рассмотрена на рис. 112, кривая 2). Учитывая сделанное предположение о пропорциональности биомассы в океанах — массе самих океанических вод, можно приближённо учесть удаление Nорг вместе с океаническими осадками через зоны скучивания и субдукции литосферных плит за время геологического развития Земли. Соответствующие расчёты (Сорохтин, Ушаков, 1998) показали, что за время геологического развития Земли (т.е. за последние 3,8-4 млрд лет) благодаря рассматриваемому процессу из атмосферы Земли было удалено около 19,2×1020 г азота. К этому количеству азота надо добавить ещё массу Nорг ≈ 5,0×1020 г, законсервированного в осадках континентов и накопившегося там за время порядка 400 млн лет. Таким образом, всего за время жизни Земли из её атмосферы было удалено приблизительно 24,2×1020 г азота, что эквивалентно снижению давления атмосферы уже на 474 мбар (для сравнения, парциальное давление азота в современной атмосфере 765 мбар).
Рассмотрим два крайних случая. Сначала предположим, что дегазация азота из мантии не происходила вовсе, тогда можно определить начальное эффективное давление атмосферы Земли в катархее (т.е. на интервале 4,6-4,0 млрд лет). Оно оказывается приблизительно равным 1,23 бар (1,21 атм).
Во втором случае будем считать, как это делалось в работе (Сорохтин, Ушаков, 1991), что почти весь азот атмосферы был дегазирован из мантии за последние 4 млрд лет. Расчёт процесса дегазации азота из мантии проводился по выражениям (29) и (30) с учётом того, что в настоящее время в атмосфере содержится 3,87×1021 г азота, в горных породах и осадках его содержание достигает 3,42×1020 г, а в мантии азота приблизительно 4,07×1021 г (Сорохтин, Ушаков, 1998). Показатель подвижности азота не должен был меняться со временем и приблизительно равнялся χ(N2) ≈ 0,934. После расчёта накопления азота во внешних геосферах Земли в полученные результаты вносились поправки за поглощение этого газа в органическом веществе и его захоронения в горных породах и осадках. Оставшаяся часть характеризовала эволюцию массы азота в земной атмосфере при условии его полной дегазации из мантии.
Для обоих вариантов затем были рассчитаны кривые эволюции парциального давления азота в земной атмосфере (рис. 117, кривые 1 и 3). Реальной картине изменения этого давления тогда должна была бы соответствовать некоторая промежуточная кривая, определить положение которой можно, только привлекая дополнительную информацию по климатам Земли, существовавшим в прошлые геологические эпохи. Такой реперной точкой, например, может служить информация о развитии наиболее грандиозного оледенения континентов в раннем протерозое, около 2,5-2,3 млрд лет назад. Как было показано в гл. 8, континентальные массивы тогда располагались в низких широтах (см. рис. 98), но одновременно с этим и высоко стояли над уровнем океана (со средними высотами около 4-3 км). Поэтому возникновение такого оледенения могло произойти только в том случае, если средняя температура земной поверхности на уровне моря тогда не превышала +6 ... +7 °С, т.е. приблизительно равнялась 280 К.
Ниже будет показано, что в раннем протерозое атмосфера практически состояла только из азота с небольшой добавкой аргона, тогда как парциальные давления кислорода и углекислого газа не превышали соответственно 10-6 и 10-2 атм, а солнечная постоянная равнялась S = 1,14×106 эрг/см2×с. Принимая для той холодной эпохи Ts ≈ 280 К ≈ 7 °С, мы по адиабатической теории парникового эффекта, изложенной ниже, нашли, что давление азотной атмосферы в это время приблизительно равнялось pN2 = 1,09 атм, тогда как по гипотезе первичности азотной атмосферы в это время должно было бы быть pN2 ≈ 1,19 атм, а по гипотезе полностью дегазированного из мантии азота pN2 ≈ 0,99 атм. Отсюда видно, что азот современной атмосферы приблизительно на 54 % состоит из реликтового газа и только на 46% дегазирован из мантии, а наиболее вероятная закономерность эволюции давления азота в земной атмосфере изображена на рис. 117, кривая 2.
Помимо биогенного процесса связывания атмосферного азота, по-видимому, существует достаточно эффективный абиогенный механизм этой же направленности. Так, по расчётам Я. Юнга и М. МакЕлроя (Yung, McElroy, 1979), фиксация азота в почвах может происходить во время гроз благодаря образованию при электрических разрядах во влажном воздухе азотной и азотистой кислот.
Оценить количество выведенного из атмосферы азота сложно, но возможно. Содержание азота в осадочных породах обычно прямо коррелируется с концентрацией захороненного в них органического углерода. Поэтому оценить количество захороненного в океанических осадках азота, по-видимому, можно по данным о массе погребённого в них органического углерода Cорг. Для этого следует только определить коэффициент пропорциональности между Hорг и Cорг. В донных осадках открытого океана Cорг : Nорг : Pорг приблизительно равно 106 : 20 : 0,91 (Лисицын, Виноградов, 1982), но при этом до 80 % азота быстро уходит из органического вещества, поэтому отношение Cорг : Nорг в осадках может повышаться до 1 : 0,04. По данным Г. Фора (1989), это отношение в осадках приблизительно равно 1 : 0,05. Примем, по данным А. Б. Ронова и А. А. Ярошевского (1978, 1993), что в осадках океанов (пелагиаль плюс шельфы) законсервировано около (2,7-2,86)×1021 г Cорг, а в осадках континентов — около (9,2-8,09)×1021 г Cорг. В след за Г. Фором мы приняли значения отношений Cорг : Nорг близкими к 20:1, тогда содержание Hорг в осадках океанического дна и шельфах примерно равно 1,36×1020 г, а в континентальных осадках — 5,0×1020 г.
В первом приближении будем считать, что развитие жизни в океане ограничивается содержанием в океанических водах растворенного фосфора, а его концентрация с течением времени менялась незначительно (Шопф, 1982). Отсюда следует, что биомасса океана всегда оставалась приблизительно пропорциональной массе воды в самом океане. Эволюция массы воды в Мировом океане была рассмотрена на рис. 112, кривая 2). Учитывая сделанное предположение о пропорциональности биомассы в океанах — массе самих океанических вод, можно приближённо учесть удаление Nорг вместе с океаническими осадками через зоны скучивания и субдукции литосферных плит за время геологического развития Земли. Соответствующие расчёты (Сорохтин, Ушаков, 1998) показали, что за время геологического развития Земли (т.е. за последние 3,8-4 млрд лет) благодаря рассматриваемому процессу из атмосферы Земли было удалено около 19,2×1020 г азота. К этому количеству азота надо добавить ещё массу Nорг ≈ 5,0×1020 г, законсервированного в осадках континентов и накопившегося там за время порядка 400 млн лет. Таким образом, всего за время жизни Земли из её атмосферы было удалено приблизительно 24,2×1020 г азота, что эквивалентно снижению давления атмосферы уже на 474 мбар (для сравнения, парциальное давление азота в современной атмосфере 765 мбар).
Рассмотрим два крайних случая. Сначала предположим, что дегазация азота из мантии не происходила вовсе, тогда можно определить начальное эффективное давление атмосферы Земли в катархее (т.е. на интервале 4,6-4,0 млрд лет). Оно оказывается приблизительно равным 1,23 бар (1,21 атм).
Во втором случае будем считать, как это делалось в работе (Сорохтин, Ушаков, 1991), что почти весь азот атмосферы был дегазирован из мантии за последние 4 млрд лет. Расчёт процесса дегазации азота из мантии проводился по выражениям (29) и (30) с учётом того, что в настоящее время в атмосфере содержится 3,87×1021 г азота, в горных породах и осадках его содержание достигает 3,42×1020 г, а в мантии азота приблизительно 4,07×1021 г (Сорохтин, Ушаков, 1998). Показатель подвижности азота не должен был меняться со временем и приблизительно равнялся χ(N2) ≈ 0,934. После расчёта накопления азота во внешних геосферах Земли в полученные результаты вносились поправки за поглощение этого газа в органическом веществе и его захоронения в горных породах и осадках. Оставшаяся часть характеризовала эволюцию массы азота в земной атмосфере при условии его полной дегазации из мантии.
Для обоих вариантов затем были рассчитаны кривые эволюции парциального давления азота в земной атмосфере (рис. 117, кривые 1 и 3). Реальной картине изменения этого давления тогда должна была бы соответствовать некоторая промежуточная кривая, определить положение которой можно, только привлекая дополнительную информацию по климатам Земли, существовавшим в прошлые геологические эпохи. Такой реперной точкой, например, может служить информация о развитии наиболее грандиозного оледенения континентов в раннем протерозое, около 2,5-2,3 млрд лет назад. Как было показано в гл. 8, континентальные массивы тогда располагались в низких широтах (см. рис. 98), но одновременно с этим и высоко стояли над уровнем океана (со средними высотами около 4-3 км). Поэтому возникновение такого оледенения могло произойти только в том случае, если средняя температура земной поверхности на уровне моря тогда не превышала +6 ... +7 °С, т.е. приблизительно равнялась 280 К.
Рисунок 117. Эволюция парциального давления азота в земной атмосфере:
1 — по гипотезе первичности азотной атмосферы; 2 — принятый вариант; 3 — по гипотезе дегазации азотной атмосферы из мантии.
Рисунок 98. Реконструкция Моногеи на время около 2,5-2,4 млрд лет назад в проекции Ламберта:
1 — тиллиты и тиллоиды; 2 — консолидированная континентальная кора; стрелками на Канадском щите показаны выявленные направления ледниковой штриховки; белым цветом — область покровного оледенения. Ав — Австралия; САм и ЮАм — Северная и Южная Америка; Ан — Антарктида; ЗАф — Западная Африка; Аф — Африка; Ев — Европа; Ин — Индия; К — Северный и Южный Китай; Сб — Сибирь.
Ниже будет показано, что в раннем протерозое атмосфера практически состояла только из азота с небольшой добавкой аргона, тогда как парциальные давления кислорода и углекислого газа не превышали соответственно 10-6 и 10-2 атм, а солнечная постоянная равнялась S = 1,14×106 эрг/см2×с. Принимая для той холодной эпохи Ts ≈ 280 К ≈ 7 °С, мы по адиабатической теории парникового эффекта, изложенной ниже, нашли, что давление азотной атмосферы в это время приблизительно равнялось pN2 = 1,09 атм, тогда как по гипотезе первичности азотной атмосферы в это время должно было бы быть pN2 ≈ 1,19 атм, а по гипотезе полностью дегазированного из мантии азота pN2 ≈ 0,99 атм. Отсюда видно, что азот современной атмосферы приблизительно на 54 % состоит из реликтового газа и только на 46% дегазирован из мантии, а наиболее вероятная закономерность эволюции давления азота в земной атмосфере изображена на рис. 117, кривая 2.