العمليات التي تؤثر على تكوين الغلاف الجوي المبكر عبر الزمن الجيولوجي

ما هي المصادر النهائية للذرات في الغلاف الجوي؟

غالباً ما توصف المادة التي تشكل منها النظام الشمسي على أنها سحابة غازية أو في مرحلة لاحقة تسمى سديم شمسي، وقد كانت السحابة غنية بالمواد المتطايرة (تسمى بالغازات البدائية) ولا بد أنها كانت المصدر النهائي للذرات في الغلاف الجوي الحالي، ومع ذلك فإن الشاغل الرئيسي هو تسلسل الأحداث والعمليات التي تم من خلالها نقل المواد المتطايرة الموجودة في سحابة الغاز الأولية إلى مخزون الأرض والكفاءة التي تم بها تحقيق ذلك.

بدأ تكوين النظام الشمسي عندما أصبح جزء واحد من سحابة الغاز كثيفاً بدرجة كافية بسبب الضغط من قبل بعض القوة الخارجية (ربما موجة صدمة من انفجار سوبر نوفا قريب) لجذب المواد من حوله بالجاذبية، وهذه المادة سقطت في المنطقة ذات الكثافة العالية، مما يجعلها أكثر كثافة وتجذب المواد الأخرى من أماكن أبعد، ومع استمرار انهيار الجاذبية أصبح مركز السحابة كثيفاً وساخناً للغاية؛ لأن الطاقة الحركية للمادة القادمة تنطلق كحرارة، ثم بدأت التفاعلات الحرارية النووية في قلب الجسم المركزي ألا وهو الشمس.

التقاط الغازات البدائية في الغلاف الجوي القديم:

بعيداً عن النقطة المركزية تميل المادة الموجودة في سحابة الغاز إلى الاستقرار في مستوى استوائي واسع حول الشمس، وعندما بردت المادة الموجودة في هذا القرص نمت قطع من الصخور وتراكمت لتشكل الكواكب، إن الكواكب أقل كتلة بكثير من الشمس، ولكن إذا نمت بشكل كافٍ وإذا كانت الغازات من حولها باردة بدرجة كافية فقد تتراكم الغلاف الجوي من المكونات المتطايرة في سحابة الغاز، كما أن هذا الالتقاط المباشر هو الأول من ثلاث آليات مصدر يمكن وصفها.

يتكون الغلاف الجوي الكوكبي المتراكم بهذه الطريقة من غازات بدائية، لكن الوفرة النسبية للمكونات الفردية ستختلف عن تلك الموجودة في سحابة الغاز، وذلك إذا كان مجال الجاذبية للكوكب الجديد قوياً بما يكفي لاحتواء بعض، ولكن ليس كل الغازات من حوله، ومن المناسب التعبير عن قوة مجال الجاذبية من حيث سرعة الإفلات والسرعة التي يجب أن يتحرك بها أي جسيم (جزيء أو مركبة فضائية) للتغلب على قوة الجاذبية، وبالنسبة للأرض تبلغ هذه السرعة 11.3 كم (7.0 أميال) في الثانية، ويترتب على ذلك أنه بمجرد أن تتراكم المادة الصلبة فإن جزيئات الغاز التي تمر على الأرض بسرعات منخفضة يتم التقاطها وتجميعها لتكوين غلاف جوي.

أهم المعلومات عن الغلاف الجوي المبكر:

• السرعة التي يتحرك بها جزيء الغاز في الغلاف الجوي المبكر تتناسب مع (T / M) 1/2، حيث T هي درجة الحرارة المطلقة وهي عبارة عن الكتلة الجزيئية.

• لا تزال الطبقات العلوية من الغلاف الجوي الحالي شديدة الحرارة، وقد تكون أكثر سخونة في وقت مبكر من تاريخ الأرض.

• من المهم معرفة أنه عند درجات حرارة أقل من 2000 كلفن فإن جزيئات أي مركب بوزن جزيئي أكبر من حوالي 10 سيكون لها متوسط ​​سرعة أقل من 11.3 كم في الثانية (7.0 ميل في الثانية).

• على هذا الأساس ساد الاعتقاد منذ فترة طويلة أن الغلاف الجوي المبكر للأرض يجب أن يكون خليطاً من الغازات البدائية ذات الأوزان الجزيئية الأكبر من 10.

• الهيدروجين والهيليوم مع أوزان جزيئية 2 و4 كان يجب أن يكونا قادرين على الهروب من الغلاف الجوي المبكر؛ لأن الهيدروجين هو العنصر الأكثر وفرة في النظام الشمسي، فمن المعتقد أن أكثر أشكال العناصر المتطايرة الأخرى وفرة كانت مركباتها مع الهيدروجين.

• إذا كان الأمر كذلك فإن الميثان والأمونيا وبخار الماء جنباً إلى جنب مع غاز النيون النبيل سيكونان أكثر المواد المتطايرة وفرة بأوزان جزيئية أكبر من 10، وبالتالي فهي المكونات الرئيسية للغلاف الجوي الأساسي للأرض.

• الأغلفة الجوية للكواكب الخارجية العملاقة الأربعة (كوكب المشتري وكوب زحل وكوكب أورانوس ونبتون) غنية بمثل هذه المكونات بالإضافة إلى الهيدروجين الجزيئي ويفترض الهيليوم، حيث كانت تلك الأجسام الأكثر برودة وكتلًا قادرة على الاحتفاظ بها على ما يبدو.

عملية إطلاق الغازات من الكوكب الصلب لاكتشاف الغلاف الجوي:

يعد إطلاق الغازات أثناء الانفجارات البركانية أحد أمثلة إطلاق الغازات (الإطلاقات في الفتحات الحرارية المائية البحرية هي شيء آخر)، وعلى الرغم من أن الغاز في الانبثاق البركاني الحديث ينشأ عادة من الصخور التي التقطت المواد المتطايرة على سطح الأرض ثم دفنت في أعماق تعيد فيها درجات الحرارة العالية تعبئة المادة المتطايرة، فإنه يجب أن يكون هناك وضع مختلف تماماً ساد في المراحل الأولى من تاريخ الأرض.

نشأ الكوكب من جزيئات صلبة تشكلت عندما بردت سحابة الغاز البدائية، وقبل وقت طويل من أن تبدأ المكونات المتطايرة للسحابة بالتكثف لتشكيل أطوار صلبة ضخمة؛ (أي قبل وقت طويل من تكثف بخار الماء لتكوين الجليد) كانت جزيئاتها قد غطت أسطح الجسيمات الصلبة للمواد الصخرية التي كانت تتشكل، ومع استمرار نمو هذه الجسيمات الصلبة فإن جزءاً من المواد المتطايرة التي تغلف أسطحها قد يكون محاصراً وتحمله الجسيمات بعد ذلك.

وإذا لم تتم إعادة صهر المواد الصلبة بالتأثير أثناء جمعها لتشكيل الكوكب، فإن المواد المتطايرة التي تحملها كانت ستندمج في الكوكب الصلب، وبهذه الطريقة حتى بدون جمع غلاف جوي غازي يمكن أن يشتمل الكوكب المتشكل حديثاً (كمادة محتجزة في حبيباته المكونة) على مخزون كبير من المواد المتطايرة.

في مرحلة ما من تاريخها المبكر أصبحت الأرض شديدة الحرارة لدرجة أن الكثير من الحديد المشتت بين الجسيمات الصلبة ذاب وأصبح متحركاً وتجمع ليشكل اللب، وقد أدت الأحداث ذات الصلة إلى تكوين طبقات صخرية كانت بمثابة السلائف لغطاء الأرض والقشرة الأرضية الحالية، كجزء من عملية التمايز هذه قد يتم إطلاق المواد المتطايرة الموجودة في الجسيمات من خلال إطلاق الغازات، لكن يجب أن يكون إطلاق الغازات قد حدث على نطاق هائل إذا كانت الجسيمات المتراكمة قد احتفظت بموادها المتطايرة حتى وقت التمايز.

إن الغلاف الجوي الناتج عن الاحتفاظ بهذه النواتج الغازية سينتج في النهاية من الغازات السدمية، ومع ذلك من المتوقع أن يختلف تركيبه الكيميائي في ناحيتين رئيسيتين عن الغلاف الجوي الذي يتكون من التقاط الغازات البدائية، وهذا الاختلاف يكون في:

• بينما يحتوي الغلاف الجوي الملتقط على جميع الغازات التي كانت تتحرك ببطء كاف؛ (أي بارد بدرجة كافية أو وزن جزيئي كافٍ) بحيث يمكن للكوكب الاحتفاظ بها بقوة الجاذبية، فإن الغلاف الجوي المنبعث من الغازات سيحتوي فقط على تلك الغازات اللزجة بدرجة كافية للاحتفاظ بها بشكل كبير في الجسيمات الصخرية التي تشكل منها الكوكب.

• غاز الميثان وغاز الأمونيا وهما مكونان مفترضان من الغلاف الجوي الذي تم التقاطه قد لا يكونان مستقرين في ظل الظروف التي ينطوي عليها إطلاق الغازات، وبالتالي فإن الغازات النبيلة التي قد تحتفظ بها الجسيمات بشكل سيئ ستكون ذات وفرة منخفضة بالنسبة للغازات المشتقة من العناصر النشطة كيميائياً، علاوة على ذلك فإن الأشكال الرئيسية للكربون والنيتروجين في الغلاف الجوي الغازي ستكون أول أكسيد الكربون أو ثاني أكسيد الكربون مع النيتروجين الجزيئي.