Entwicklung der Atmosphäre

Entwicklung der Atmosphäre , Entwicklung der Erdatmosphäre über die geologische Zeit. Der Prozess, durch den die aktuelle Atmosphäre aus früheren Bedingungen entstand, ist komplex; Es gibt jedoch zahlreiche Hinweise auf die Entwicklung der Erdatmosphäre, obwohl indirekt. Alte Sedimente und Gesteine ​​zeichnen frühere Veränderungen der atmosphärischen Zusammensetzung aufgrund chemischer Reaktionen mit der Erdkruste und insbesondere aufgrund biochemischer Prozesse auf, die mit dem Leben verbunden sind.

Fülle von Sauerstoff

Die ursprüngliche Erdatmosphäre war reich an Methan, Ammoniak, Wasserdampf und dem Edelgas Neon, aber es fehlte an freiem Sauerstoff. Es ist wahrscheinlich, dass Hunderte von Millionen von Jahren die erste biologische Produktion von Sauerstoff durch einzellige Organismen und deren eventuelle Anreicherung in der Atmosphäre getrennt haben.

Die frühen und modernen Atmosphären der Erde

Die Zusammensetzung der Atmosphäre enthält viele Informationen, die sich auf ihre Herkunft beziehen. Darüber hinaus zeigen die Art und Variationen der Nebenkomponenten weitreichende Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre, terrestrischer Umgebung und Biota.

Die Entwicklung der Atmosphäre und solche Wechselwirkungen werden in diesem Artikel diskutiert, wobei dem Anstieg des biologisch erzeugten molekularen Sauerstoffs O 2 als Hauptbestandteil der Luft besondere Aufmerksamkeit gewidmet wird . Informationen zur modernen Chemie und Physik der Atmosphäre finden Sie unter Atmosphäre.

Konzepte zur atmosphärischen Entwicklung

Eine vollständige Rekonstruktion des Ursprungs und der Entwicklung der Atmosphäre würde zu jeder Zeit Details ihrer Größe und Zusammensetzung während der 4,5 Milliarden Jahre seit der Entstehung der Erde beinhalten. Dieses Ziel könnte nicht erreicht werden, ohne die Wege und Raten von Angebot und Verbrauch aller atmosphärischen Bestandteile jederzeit zu kennen. Informationen zu diesen besonderen Prozessen sind jedoch selbst für die gegenwärtige Atmosphäre unvollständig, und es gibt fast keine direkten Hinweise auf atmosphärische Bestandteile und deren Angebots- und Verbrauchsraten in der Vergangenheit.

Der Kontrast zu verwandten Bereichen der Erdgeschichte ist bemerkenswert. Fossilien und andere strukturelle und chemische Details antiker Gesteine ​​liefern Informationen, die für Evolutionsbiologen und historische Geologen nützlich sind, aber antike Atmosphären, „bloße Dämpfe“, haben keine so wesentlichen Überreste hinterlassen. Diese Dämpfe sind jedoch das Zeug der Sterne und die bewegende Kraft von Stürmen und Erosion.

Die Atmosphäre als Teil der Kruste

Für den Erdwissenschaftler umfasst die Kruste nicht nur die oberste Schicht aus festem Material (Boden und Gesteine ​​bis zu einer Tiefe von 6 bis 70 km), die durch Unterschiede in der Dichte und durch die Anfälligkeit für oberflächliche Geologie vom darunter liegenden Mantel getrennt ist Prozesse), aber auch die Hydrosphäre (Ozeane, Oberflächengewässer an Land und Grundwasser unter der Landoberfläche) und die Atmosphäre. Wechselwirkungen zwischen diesen festen, flüssigen und gasförmigen Teilen der Kruste sind so häufig und gründlich, dass ihre getrennte Betrachtung mehr Komplexität mit sich bringt, als sie beseitigt. Eine Beschreibung der Geschichte der Atmosphäre muss sich daher mit allen flüchtigen Bestandteilen der Kruste befassen.

Materialien

Flüchtige Verbindungen sowie Elemente, die in gegenwärtigen und vergangenen Atmosphären oder bei Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre, Biosphäre und anderen Teilen der Kruste wichtig sind, umfassen Folgendes:

  1. Gegenwärtige Hauptkomponenten: molekularer Stickstoff (N 2 ) und molekularer Sauerstoff (O 2 )
  2. Edelgase: Helium (He), Neon (Ne), Argon (Ar), Krypton (Kr) und Xenon (Xe)
  3. Reichlich vorhandene variable Komponenten: Wasserdampf (H 2 O) und Kohlendioxid (CO 2 )
  4. Andere Komponenten: molekularer Wasserstoff (H 2 ), Methan (CH 4 ), Kohlenmonoxid (CO), Ammoniak (NH 3 ), Lachgas (N 2 O), Stickstoffdioxid (NO 2 ), Schwefelwasserstoff (H 2 S) Dimethylsulfid [(CH 3 ) 2 S], Schwefeldioxid (SO 2 ) und Chlorwasserstoff (HCl).

Einige Elemente treten in mehrfacher Form auf, beispielsweise Kohlenstoff als Kohlendioxid, Methan oder Dimethylsulfid. Es ist nützlich, das Auftreten der Elemente zu berücksichtigen, bevor man sich auf die spezifischeren Aspekte der atmosphärischen Chemie (die Formen, in denen die Elemente vorliegen) konzentriert. Man kann vom „Inventar der flüchtigen Stoffe“ der Erde sprechen, wenn man erkennt, dass die Bestandteile des Inventars von Zeit zu Zeit neu organisiert werden können, aber auch, dass es immer hauptsächlich aus den Verbindungen von Wasserstoff, Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff zusammen mit dem besteht Edelgase.

Prozesse

Ein Prozess, der ein Gas an die Atmosphäre abgibt, wird als Gasquelle bezeichnet. Abhängig von der betrachteten Frage kann es sinnvoll sein, entweder von einer endgültigen Quelle zu sprechen - dem Prozess, der eine Komponente des flüchtigen Inventars an die Erde geliefert hat - oder von einer unmittelbaren Quelle - dem Prozess, der die Fülle einer Komponente der Erde aufrechterhält gegenwärtige Atmosphäre. Jeder Prozess, bei dem Gas entweder chemisch wie beim Verbrauch von Sauerstoff während des Verbrennungsprozesses oder physikalisch wie beim Verlust von Wasserstoff in den Weltraum oben in der Atmosphäre entfernt wird, wird als Senke bezeichnet.

Während der gesamten Geschichte der Atmosphäre waren Quellen und Senken oft gleichzeitig vorhanden. Während ein Prozess eine bestimmte Komponente verbraucht, produziert ein anderer sie und die Konzentration dieser Komponente in der Atmosphäre steigt oder fällt in Abhängigkeit von den relativen Stärken der Quellen und Senken. Wenn diese Stärken ausgeglichen sind (oder fast), ändert sich die Zusammensetzung der Atmosphäre nicht (oder nur sehr langsam, möglicherweise unmerklich). Die Moleküle des betreffenden Gases passieren jedoch die Atmosphäre und sind nicht dauerhaft ansässig. Die Geschwindigkeit des resultierenden Umsatzes von Molekülen in der Atmosphäre wird ausgedrückt als Verweilzeit, die durchschnittliche Zeit, die ein Molekül in der Atmosphäre verbringt, nachdem es eine Quelle verlassen hat und bevor es auf eine Senke trifft.