Хімічний склад атмосфери Землі особливий. Дивлячись на зміну клімату, переважно заслуговують на увагу кисень та вуглекислий газ. Як змінювалися концентрації цих двох газів протягом мільярдів років і які процеси спричинили ці зміни? - запитує Тобі Тиррелл з Океанографічного центру Саутгемптона.

Порівняння атмосфери Землі та інших планет показує, що атмосфера Землі унікальна в нашій Сонячній системі. Дві найближчі планети, Марс і Венера, мають багато вуглекислого газу, але мало кисню. На Землі ми бачимо протилежне, хоча спочатку атмосфера трьох планет, ймовірно, була подібною за складом. (Таблиця I). Осади з раннього етапу історії Землі дозволяють припустити, що в початковий період в атмосфері та морях Землі було мало або зовсім не було кисню. З осадів також випливає, що на Землі завжди була рідка вода, незважаючи на спочатку холодніше Сонце, завдяки високоізоляційній атмосфері з високим вмістом вуглецю. Інакше температура була б настільки низькою, що всі моря замерзли. Як Земля втратила свою ізоляційну вуглецеву ковдру і як вона здобула кисень?

Таблиця I. Порівняння атмосфери планет

Газ Венера Земля (життя
до його формування)		 Марс Земля (життя
після його формування)
CO2 (%) 96,5 98 95 0,003
O2 (%) 0,0 0,0 0,13 21
N2 (%) 3.5 1.9 2.7 79
Загальний тиск (бар) 90 60 0,0064 1.0
Температура поверхні (o C) 460 240–340 –53 13

вуглекислого газу атмосфері
Верхня фігура: кругообіг органічного вуглецю; середня фігура: кальцій-
карбонатний цикл; нижня фігура: цикл силікату кальцію
Атмосфера початкового періоду

Світовий океан розчиняє велику кількість вуглекислого газу. Життя на Землі, особливо фотосинтез, також витягувало величезну кількість вуглекислого газу з атмосфери протягом майже немислимо довгого періоду і повертало багато кисню.

Більша частина органічної речовини, що утворилася під час фотосинтезу, була вдихана, «з’їдена» або атакована бактеріями в початковий період. Сполуки розкладалися, виділявся вуглекислий газ і знову поглинався кисень. Щоб кисень збагачувався в атмосфері, а вуглекислий газ починав виснажуватися, частина біомаси, що утворюється в результаті фотосинтезу, повинна була зникнути з поверхні Землі.

Невелика частина біомаси, що утворюється в океанах (спочатку не існувало земного життя), постійно осідала на морському дні і перетворювалася в морську осадову породу. (верхня фігура). У процесі цього величезна кількість органічного вуглецю повільно стискалася в гірських породах, тоді як вуглекислий газ в атмосфері повільно зменшувався, а концентрація кисню зростала. Багаті органікою матеріали з біомаси, накопичені в гірських породах, включають, наприклад, сиру нафту та вугілля.

Ще два фактори сприяли тому, що Земля втратила значну частину вуглецевого сліду (охолоджуючись) і створила багату киснем атмосферу. З одного боку, породи в земній корі містять велику кількість органічного вуглецю (близько 12 · 10 20 молей С), що означає, що кількість вуглекислого газу становить приблизно. Він зменшився на 7 бар під час геологічних епох і величезна кількість кисню потрапила в атмосферу. Біологічний карбонат кальцію (наприклад, вапняк) містить ще більше вуглецю (приблизно 50 · 10 20 молей, тобто еквівалентно 28 бар). Більша частина цього карбонату кальцію надходить із стиснених оболонок дрібних морських організмів. Шкаралупи, що опускалися на морське дно протягом тисячоліть, видобувають вуглець з морської води за допомогою процесу, званого кальцифікацією. (середня фігура):

Хоча рівняння передбачає, що концентрація вуглекислого газу в морській воді - а також в атмосфері через дифузію - зростає внаслідок осадження карбонату кальцію, процес насправді призводить до зменшення атмосферного вуглекислого газу, якщо це частина більшого циклу (нижня фігура). Якщо з часом велику кількість породи типу силікатного кальцію перетворили на карбонатний кальцій, значні кількості атмосферного вуглекислого газу повинні були потрапити в гірські породи.

З іншого боку, кисень від фотосинтезу окислює океанічні та земні матеріали (наприклад, сірку до сульфату та залізо до оксиду заліза), перш ніж він може збагачуватися в атмосфері. Було підраховано, що поточний вміст кисню в атмосфері становить лише приблизно. чотири відсотки кисню, виробленого захороненим фотосинтетичним матеріалом протягом геологічних віків.

Близько 2,2 мільярда років тому запаси окислюваних речовин фактично вичерпалися завдяки постійному виробленню кисню фотосинтезуючими організмами і тому, що частина біомаси потрапила в морський осад, не поглинаючись і не розкладаючись бактеріями. Приблизно в цей час почалося збагачення атмосфери киснем, і протягом мільйонів років поточна концентрація зросла до більш-менш постійної. Хоча життя спочатку створювалось без вільного кисню, розвиток складних організмів пов’язаний із вільним киснем.

Льодовикові періоди

"Нормальна" (доіндустріальна) концентрація вуглекислого газу в атмосфері Землі становить від 200 до 280 частин на мільйон (ppm); майже незначний при концентрації 210 000 ppm кисню. У зразках, взятих з льодовикових покривів Гренландії та Антарктики, бульбашки повітря, що потрапили в лід, дозволяють припустити, що коливання температури ґрунту між льодовиковим періодом та міжльодовиковим періодом та зміни концентрації вуглекислого газу в атмосфері не залежать один від одного. Ці коливання температури, швидше за все, визначаються космічним випромінюванням, що надходить на Землю, але величина зміни отриманого випромінювання недостатня для пояснення коливань температури.

Для вивчення впливу високих температур необхідно також контролювати зміни парникових газів, особливо вуглекислого газу. На жаль, незважаючи на десятиліття досліджень, мало відомо про ці гази, інші кліматичні фактори та причини льодовикових періодів. Ідей багато, але одностайно прийнятої відповіді немає. Деякі вважають, що зміни кількості органічного вуглецю, що зберігається в гірських породах, викликають льодовиково-міжльодовикові цикли; тобто фотосинтез збільшується під час льодовикових періодів, виділяючи більше органічного вуглецю в осадові породи, дозволяючи меншій кількості вуглецю циркулювати в атмосфері та морях. Однак співвідношення ізотопів 13 C/12 C, виміряні в осадових знахідках, суперечать цьому припущенню.

Найбільш загальноприйнята гіпотеза, заснована на кальцифікації, полягає в тому, що зміни лужності морів можуть спричинити коливання концентрації вуглекислого газу в атмосфері від 200 ppm (льодовиковий період) до 280 ppm (міжльодовиковий період). Відповідно до рівняння кальцифікації, CaCO3 видаляє з води іони HCO3 - і повертає CO2. Утворення та вилучення CaCO3 зменшує лужність ("на дві одиниці") більше, ніж кількість вуглецю, що витягується з морської води ("на одну одиницю"). Вуглекислий газ у воді може дифундувати в поверхню моря, а звідти - в атмосферу. Якщо лужність зменшується, a

CO2 HCO4 2– CO4 2– рівновага зміщується вліво.

Існує також низка ідей щодо лужності океану під час льодовикового періоду та зменшення атмосферної концентрації вуглекислого газу та охолодження клімату, що супроводжує процес. Згідно з одним, "продуктивність" видів Coccolithophorida, які виділяють на свої тіла тромбоцити карбонату кальцію, знизилася протягом льодовикового періоду. Прихильники гіпотези кажуть, що цей фітопланктон віддає перевагу тепліші води і розмножувався лише на менших територіях під час льодовикових періодів. Менше оболонок карбонату кальцію впало, таким чином, на морське дно, і моря стали більш лужними. Цю ж міркування можна повторити з гарячою водою люблячими кораловими рифами, що складають карбонат кальцію. У будь-якому випадку, морські відкладення підтримують коливання лужності льодовикового/міжльодовикового періоду та утворення більш лужної морської води в льодовикові періоди.

Однак один наслідок припущень призводить до суперечності. Бо якщо в льодовикові періоди моря були більш лужними, на них менше нападав потопаючий карбонат кальцію. Отже, менше карбонату кальцію довелося розчинятись, а більше доводилось відкладати більше, особливо у глибоких водах. Зразки, взяті з осадових порід, цього не дозволяють припустити.

Згідно з іншою ідеєю, в льодовиковий період кілька речовин біологічного походження (органічний вуглець) могли осідати і окислюватися. Оскільки вуглекислий газ виділяється під час окислення органічних речовин, вода, накопичена в отворах осадових порід, сприяла розчиненню карбонату кальцію.

Сьогодні однією з найбільших екологічних проблем є глобальне потепління. Основна увага зосереджена на підвищеній атмосферній концентрації вуглекислого газу, яка, імовірно, спричинена спаленням викопного палива та вирубкою лісів. Концентрації вуглекислого газу між 200 і 280 ppm до втручання людини швидко зростали з 1700-х років через експлуатацію (видобуток вугілля, нафти та природного газу) та згоряння гірських порід, що містять органічний вуглець. Сьогодні концентрація вуглекислого газу в атмосфері досягає 360 ppm, і, незважаючи на міжнародну співпрацю, не очікується, що зростання скоро зупиниться.

Фізика, хімія та біологія зміни клімату вивчаються багатьма тисячами дослідників. Деякі дослідження аналізують, що сталося з вуглекислим газом, який виділявся в повітря з 1700-х років. Викид вуглекислого газу становить приблизно лише 45% залишилося в атмосфері. Якщо ми зможемо з’ясувати, куди йде вуглець, ми також знатимемо, куди надмірно вуглець буде викидатися в майбутньому. Підраховано, що 30% вуглекислого газу від людської діяльності було розчинено в морях, а 25% пішло в невідоме місце. На сьогоднішній день найкраща ідея - "удобрити" наземну рослинність. Надлишок вуглекислого газу, що викидається в атмосферу, і, можливо, поєднання добрив та підвищення температури роблять дерева просторішими, рослини, як правило, збільшуються і зберігають більше вуглекислого газу - принаймні там, де рослини не збирають.

Експеримент "Біосфера II" є чудовою демонстрацією важливості правильного розподілу вуглецю між органічними речовинами, карбонатом кальцію та атмосферою для життя.

Освіта з хімії
Після статті, опублікованої в травні 1998 року