تطور الغلاف الجوي عبر الزمن الجيولوجي

ما المقصود بتطور الغلاف الجوي خلال تطور الأرض قديماً؟

إن تطور الغلاف الجوي المقصود به هنا هو تطور الغلاف الجوي للأرض عبر الزمن الجيولوجي، وإن العملية التي نشأ بها الغلاف الجوي الحالي عن ظروف سابقة معقدة، ومع ذلك فإن الأدلة المتعلقة بتطور الغلاف الجوي للأرض (وإن كانت غير مباشرة) وفيرة، وتسجل الرواسب والصخور القديمة التغيرات السابقة في تكوين الغلاف الجوي بسبب التفاعلات الكيميائية مع قشرة الأرض وعلى وجه الخصوص العمليات الكيميائية الحيوية المرتبطة بالحياة.

كان الغلاف الجوي الأصلي للأرض غنياً بغاز الميثان والأمونيا وبخار الماء وغاز النيون النبيل، لكنه كان يفتقر إلى الأكسجين الحر، ومن المحتمل أن مئات الملايين من السنين فصلت أول إنتاج بيولوجي للأكسجين بواسطة كائنات وحيدة الخلية وتراكمه النهائي في الغلاف الجوي.

إن تكوين الغلاف الجوي تسبب بمحو قدراً كبيراً من المعلومات التي تتعلق بأصله، علاوة على ذلك تكشف طبيعة وتنوعات المكونات الثانوية عن تفاعلات واسعة النطاق بين الغلاف الجوي والبيئة الأرضية والحيويات، وقد قام العلماء الجيولوجيين بدراسة تطور الغلاف الجوي وآلية حدوث التغيرات مع إيلاء اهتمام خاص لارتفاع الأكسجين الجزيئي المنتج بيولوجياً (O2) كمكون رئيسي للهواء.

آلية تطور الغلاف الجوي:

ستشمل إعادة البناء الكاملة لأصل الغلاف الجوي وتطوره تفاصيل عن حجمه وتكوينه في جميع الأوقات خلال 4.5 مليار سنة منذ تشكل الأرض، لكن لا يمكن تحقيق هذا الهدف دون معرفة مسارات ومعدلات العرض والاستهلاك لجميع مكونات الغلاف الجوي في جميع الأوقات، ومع ذلك فإن المعلومات المتعلقة بهذه العمليات المعينة غير كاملة حتى بالنسبة للغلاف الجوي الحالي، ولا يوجد دليل مباشر تقريباً بشأن مكونات الغلاف الجوي ومعدلات العرض والاستهلاك الخاصة بها في الماضي.

إن التناقض مع المجالات ذات الصلة من تاريخ الأرض ملحوظ جداً، وتوفر الحفريات والتفاصيل الهيكلية والكيميائية الأخرى للصخور القديمة معلومات مفيدة لعلماء الأحياء التطوريين والجيولوجيين التاريخيين، لكن الأجواء القديمة (كانت مجرد أبخرة) لم تترك مثل هذه البقايا الكبيرة، ومع ذلك فإن هذه الأبخرة هي مادة النجوم والقوة المتحركة للعواصف والتعرية.

المفاهيم المتعلقة بتطور الغلاف الجوي:

الغلاف الجوي كجزء من القشرة:

بالنسبة لعلم الأرض فإن القشرة لا تشمل فقط الطبقة العليا من المواد الصلبة (التربة والصخور على عمق 6 إلى 70 كيلومتر أي 4 إلى 44 ميل مفصولة عن الوشاح الأساسي، باختلافات في الكثافة وقابلية للتأثر بالجيولوجيا السطحية العمليات)، ولكن أيضاً الغلاف المائي (المحيطات والمياه السطحية على الأرض والمياه الجوفية تحت سطح الأرض) والغلاف الجوي.

إن التفاعلات بين هذه الأجزاء الصلبة والسائلة والغازية من القشرة متكررة وشاملة لدرجة أن النظر فيها بشكل منفصل يؤدي إلى تعقيدات أكثر مما يزيلها، ونتيجة لذلك يجب أن يهتم وصف تاريخ الغلاف الجوي بجميع المكونات المتطايرة للقشرة.

المواد:

تشتمل المركبات المتطايرة وكذلك العناصر المهمة في الغلاف الجوي الحالي والماضي أو في التفاعلات بين الغلاف الجوي والغلاف الحيوي وأجزاء أخرى من القشرة على ما يلي:

1. تقديم المكونات الرئيسية مثل النيتروجين الجزيئي (N2) والأكسجين الجزيئي (O2).

2. الغازات النبيلة مثل الهيليوم (He) والنيون (Ne) والأرجون (Ar) والكريبتون (Kr) والزينون (Xe).

3. مكونات متغيرة وفيرة مثل بخار الماء (H2O) وثاني أكسيد الكربون (CO2).

4. المكونات الأخرى مثل الهيدروجين الجزيئي (H2) والميثان وأول أكسيد الكربون (CO) والأمونيا (NH3) وأكسيد النيتروز (N2O) وثاني أكسيد النيتروجينوكبريتيد الهيدروجين (H2S) وكبريتيد ثنائي ميثيل وثاني أكسيد الكبريت وكلوريد الهيدروجين (HCl).

تظهر بعض العناصر في أشكال متعددة على سبيل المثال عنصر الكربون يظهر كثاني أكسيد الكربون أو الميثان أو ثنائي ميثيل كبريتيد، ومن المفيد النظر في حدوث العناصر قبل التركيز على الجوانب الأكثر تحديداً لكيمياء الغلاف الجوي (الأشكال التي توجد بها العناصر)، ويمكن للمرء أن يتحدث عن مخزون الأرض من المواد المتطايرة مع الاعتراف بأن مكونات المخزون يمكن إعادة تنظيمها من وقت لآخر، ولكن أيضاً تتكون دائماً بشكل أساسي من مركبات الهيدروجين والكربون والنيتروجين والأكسجين إلى جانب غازات نبيلة.

• العمليات: تسمى العملية التي توصل الغاز إلى الغلاف الجوي باسم مصدر الغاز، (وهي العملية التي سلمت أحد مكونات المخزون المتقلب إلى الأرض أو مصدراً فورياً) والعملية التي تحافظ على وفرة مكون من الجو الحالي، أي عملية تزيل الغاز إما كيميائياً كما هو الحال في استهلاك الأكسجين أثناء عملية الاحتراق، أو فيزيائياً كما هو الحال في فقدان الهيدروجين إلى الفضاء في الجزء العلوي من الغلاف الجوي تسمى بالوعة.

على مدار تاريخ الغلاف الجوي غالباً ما كانت المصادر والمصارف موجودة في وقت واحد، بينما تستهلك إحدى العمليات مكوناً معيناً فإن عملية أخرى تنتجها، وسيرتفع تركيز هذا المكون في الغلاف الجوي أو ينخفض ​​اعتماداً على القوة النسبية للمصادر والمصارف، وإذا كانت نقاط القوة هذه متوازنة (أو تقريباً) فلن يتغير تكوين الغلاف الجوي (أو سيتغير ببطء شديد وربما بشكل غير محسوس)، ومع ذلك فإن جزيئات الغاز المعني تمر عبر الغلاف الجوي وليست مقيمة بشكل دائم، ويتم التعبير عن معدل الدوران الناتج للجزيئات في الغلاف الجوي من حيث مدة الإقامة ومتوسط ​​الوقت الذي يقضيه الجزيء في الغلاف الجوي بعد مغادرته للمصدر وقبل أن يصادف حوضاً.