تسلسل الأحداث في تطور الغلاف الجوي عبر الزمن الجيولوجي

ما هي ردود فعل التجوية في الغلاف الجوي منذ الزمن الجيولوجي؟

بغض النظر عن مصدر التفاعلات في الغلاف الجوي فإنه من المرجح أن تتفاعل الغازات التفاعلية في الغلاف الجوي مع أجزاء أخرى من القشرة من خلال ما يسمى تفاعلات التجوية، وليس فقط حمض الكربونيك المرتبط بدورة الكربون ولكن أي حمض يتدخل في الانحلال الحمضي للصخور الحساسة، أثناء القيام بذلك ينخفض ​​تركيزه في الغلاف الجوي ويصل في النهاية إلى الصفر ما لم تستمر بعض العمليات في تجديد الإمداد.

حتى لو توقف التنفس فجأة فإن الأكسجين الناتج عن عملية التمثيل الضوئي أو أي مادة مؤكسدة في الغلاف الجوي سيتم استهلاكها في حالة وجود مواد قابلة للأكسدة، وتآكل المعادن هو المثال الأكثر شيوعاً لهذه العملية في العالم الحديث، ولكن هناك أمثلة أخرى تتضمن الأشكال الطبيعية للحديد والكبريت والكربون أيضاً، كما يوجد الكثير من الحديد المرتبط بالمعادن في صورة حديدية (Fe2 +).

نظراً لانكشاف هذه المادة عن طريق الرفع والتآكل فإنها تستهلك مواد مؤكسدة في الغلاف الجوي لتكوين الحديد، وهو الشكل الأحمر المؤكسد بالكامل من الحديد المعروف باسم الصدأ (Fe2O3)، وتستهلك معادن الكبريتيد (البيريت أو الذهب الأحمق وهو المثال الأكثر شيوعاً) أيضاً المواد المؤكسدة، حيث يتأكسد الكبريت لإنتاج الكبريتات، وأخيراً يؤدي التعرض الطبيعي للمواد العضوية الرسوبية بما في ذلك طبقات الفحم أو تسرب الزيت إلى استهلاك المواد المؤكسدة في الغلاف الجوي حيث يتأكسد الكربون العضوي لإنتاج ثاني أكسيد الكربون.

تسلسل الأحداث في تطور الغلاف الجوي:

• عدم وجود جو بدائي مأسور: إذا نما الكوكب (وبالتالي كان لديه مجال جاذبية كبير) قبل أن تتشتت جميع الغازات من مداره، فيجب أن يكون قد التقط جواً من الغازات السديم، ويعتمد حجم وتكوين مثل هذا الغلاف الجوي على درجة الحرارة بالإضافة إلى كتلة الكواكب، لكن إذا وصل الكوكب الصلب إلى الحجم الكامل وإذا كانت درجات الحرارة أعلى من 2000 كلفن فقد يكون الحد الأدنى للوزن الجزيئي الذي يمكن الاحتفاظ به مرتفعاً بدرجة كافية بحيث تكون الغازات الوفيرة جدًا ذات الأوزان الجزيئية بين 10 و20 (الميثان والأمونيا والماء و النيون) بطريقة غير فعالة على كل حال.

ومع ذلك فإن الغلاف الجوي البدائي الرقيق الذي يتكون من غازات سديمية ذات أوزان جزيئية أعلى (مثل الأرجون والكريبتون) لا يزال يتعين التقاطه، على الرغم من ذلك تُظهر خصائص الغلاف الجوي الحالي بوضوح أن الغلاف الجوي البدائي لم يكن موجوداً مطلقاً أو فقد تماماً، والتفسيرات المقدمة لكلا هذين الاحتمالين مرتبطة بتطور الشمس نفسها، كما أظهرت الملاحظات الفلكية للنجوم النامية (أي الأجسام المشابهة للشمس المبكرة) أن تواريخها المبكرة تتميز بمراحل يتم خلالها تفجير الغاز في السدم المحيطة بها حرفياً بضغط الضوء والجسيمات المنبعثة من النجوم، وبعد هذا النشاط المكثف الأولي تبدأ النجوم الفتية الحياة بإنتاج طاقة أقل بكثير من الحد الأقصى لمنتصف عمرها.

إذا حدثت إزالة الغازات في النظام الشمسي بعد تكثف المواد الصلبة غير المتطايرة ولكن قبل الكواكب الداخلية (كوكب عطارد والزهرة والأرض والمريخ) كان من المستحيل على الأرض التقاط الغلاف الجوي البدائي، وبدلاً من ذلك إذا كان تراكم الكواكب قد سبق طرد الغازات وتراكمت الأرض غلافاً جوياً بدائياً فربما كان الإشعاع الشمسي المبكر وخاصة الرياح الشمسية شديداً لدرجة أنه كان قادراً على تجريد جميع الغازات من الكواكب الداخلية.

• جو ثانوي: يُطلق على الغلاف الجوي الذي نشأ بعد فقد الغازات البدائية أو فشلها في التراكم اسم ثانوي، وعلى الرغم من أن التركيب الكيميائي للغلاف الجوي قد تغير بشكل كبير في مليارات السنين منذ نشأته، إلا أن جرد العناصر المتطايرة التي يعتمد عليها لم يتغير.

• الأصل الثانوي للغلاف الجوي: حيث يكشف التكوين الأولي للمخزون المتقلب عن أصله الثانوي، مثل:

1.  المواد المتطايرة النشطة كيميائياً مثل الهيدروجين (H) والكربون (C) والنيتروجين (N) والأكسجين (O) والكبريت (S).

2. الغازات النبيلة البدائية مثل الهيليوم (4He) والنيون (20 نيوتن) والأرجون (36 AR) والكريبتون (84 كرون).

3. العناصر المكونة لمعادن غير متطايرة مثل الأكسجين (O) والمغنيسيوم (Mg) والكبريت (S) والحديد (Fe).

4. غاز نبيل مشتق من الانحلال الإشعاعي لعنصر غير متطاير مثل الأرجون المشتق من البوتاسيوم (40Ar).

تشير الأدلة بشكل حاسم إلى عملية تم فيها فصل العناصر التي سيتم الاحتفاظ بها في الجرد الأرضي عن العناصر التي سيتم فقدها بفصل المواد الصلبة عن الغازات، ويمكن دمج العناصر المتطايرة النشطة كيميائياً في المواد الصلبة عن طريق تكوين النيتريد والكربيدات وترطيب المعادن وإدراجها في الهياكل البلورية (مثل أيونات الأمونيوم NH4 وهيدروكسيد OH)، ويمكن أن تتشكل بعض المواد غير المتطايرة نسبياً بشكل مستقل (توجد مركبات عضوية ذات أوزان جزيئية عالية في النيازك وربما كانت وفيرة في السديم الشمسي المبرد)، ومع ذلك لم تكن أي من هذه الآليات متاحة للغازات النبيلة.

سيكون تكوين مجموعة من المواد الصلبة الغنية بالمواد المتطايرة النشطة كيميائياً، ولكنها ليست كبيرة بما يكفي للاحتفاظ بالغازات النبيلة يليها فقدان جميع المواد التي لا تزال في الطور الغازي ودمج المواد الصلبة الغنية بالتطاير في الكوكب.

التكوين المبكر للغلاف الجوي:

المعلمة الأكثر أهمية فيما يتعلق بالتركيب الكيميائي للغلاف الجوي هي مستوى الأكسدة أو الاختزال، وفي أحد طرفي المقياس يُعرف الغلاف الجوي الغني بالأكسجين الجزيئي (O2) (مثل الغلاف الجوي الحالي للأرض) بأنه شديد التأكسد، بينما يُطلق على الغلاف الجوي الذي يحتوي على الهيدروجين الجزيئي (H2) الاختزال، ولا يجب أن تكون هذه الغازات نفسها موجودة.

توجد الغازات البركانية الحديثة على سبيل المثال في اتجاه النهاية المؤكسدة للمقياس، ولا تحتوي على (O2)، ولكن توجد كل الهيدروجين والكربون والكبريت في أشكال مؤكسدة كبخار ماء وثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكبريت، بينما يوجد النيتروجين كنيتروجين جزيئي وليس أمونيا (NH3)، كما تسود علاقة بين أكسدة أو تقليل الغازات المتطايرة والمواد غير العضوية التي تتلامس معها، أي هيدروجين أو كربون أو كبريت يتلامس مع الصخور القشرية الحديثة عند درجات الحرارة البركانية سوف يتأكسد من خلال هذا الاتصال.

إن وفرة الهيدروجين في السديم الشمسي والتواجد الشائع للحديد المعدني في النيازك (ممثل المواد الصلبة البدائية) وخطوط أخرى من الأدلة الجيوكيميائية، تشير جميعها إلى أن قشرة الأرض المبكرة كانت أقل أكسدة بكثير من نظيرتها الحديثة، وعلى الرغم من أن كل الحديد الموجود في القشرة الحديثة يتأكسد جزئياً على الأقل، لكن فقد يكون الحديد المعدني موجوداً في القشرة عندما بدأ إطلاق الغازات، وإذا تمت موازنة منتجات إطلاق الغازات الأقدم بالحديد المعدني فسيتم إطلاق الهيدروجين كمزيج من الهيدروجين الجزيئي وبخار الماء والكربون كأول أكسيد الكربون والكبريت مثل كبريتيد الهيدروجين.

ومع ذلك فإن وجود الحديد المعدني خلال المراحل الأخيرة من إطلاق الغازات أمر غير محتمل، ولأن (H2) غير مرتبط بالجاذبية فقد بسرعة، وفي مرحلة مبكرة كان الهيدروجين تقريباً في شكل بخار ماء وكربون على شكل ثاني أكسيد الكربون، وكان من الممكن أن يتم التخلص من النيتروجين مع الكربون والهيدروجين، ونظراً لاستهلاك ثاني أكسيد الكربون عن طريق تفاعلات التجوية وتكثف بخار الماء لتكوين المحيطات، ويجب أن يكون النيتروجين الجزيئي هو الغاز الأكثر وفرة في الغلاف الجوي، ومن المؤكد أن الأكسجين الجزيئي لم يكن من بين منتجات إطلاق الغازات.