دراسة وتصفية الغلاف الجوي من الغازات خلال الزمن الجيولوجي

ما هي أهمية المواد المتطايرة في الغلاف الجوي المبكر؟

العديد من الدراسات الجيولوجية للغلاف الجوي تقترح بوضع حل وسط بين طرفي الالتقاط المباشر وإطلاق الغازات في الغلاف الجوي؛ لأن مخزون الأرض من المواد المتطايرة قد تم تسليمه إلى الكوكب في وقت متأخر من تاريخه التراكمي (ربما بعد اكتمال التمايز تقريباً) من خلال تأثير محصول اللحظة الأخيرة من الأجسام الصلبة التي كانت شديدة جداً، ومن صفات الغلاف الجوي والمواد المتطايرة خلاله:

• كان الغلاف الجوي المبكر غني بالمواد المتطايرة (كانت هذه آخر المواد التي تتكثف مع تبريد السديم الشمسي).

• قد يكون لمثل هذه الأجسام تركيبات مشابهة لتلك الموجودة في المذنبات والتي لا يزال من الممكن ملاحظتها في النظام الشمسي.

• قد تكون مكثفات اللحظة الأخيرة قد غطت الكوكب كقشرة سطحية تنتج غازات فقط عند تسخينها أثناء التمايز أو ربما أطلقت مواد متطايرة عند الاصطدام.

نظراً لأن مثل هذه الأجسام كانت صغيرة نسبياً فلن تكون قادرة على الاحتفاظ بالغازات البدائية عن طريق مجال جاذبية كبي، ومن المتوقع أن تتشابه تكملة المواد المتطايرة الخاصة بها، والتي يتم الاحتفاظ بها عن طريق الاحتباس البارد في الجليد وعلى أسطح الجسيمات في الغازات اللزجة (أي القطبية والمتفاعلة) التي تحجبها جزيئات صلبة في مراحل مبكرة من تبريد سحابة الغاز، ولكن من المحتمل أن تفقدها خلال مراحل درجات الحرارة المرتفعة السابقة لتراكم الأرض.

أهم الأحواض التي تعمل على إزالة الغازات من الغلاف الجوي:

تتم مناقشة المسارات السائدة التي يتم من خلالها إزالة الغازات من الغلاف الجوي الحالي في القسم الخاص بالدورات البيوجيوكيميائية، لكن الجيولوجيين قاموا بدراسة هذه المسارات بشكل دقيق، وبصرف النظر عن تلك العمليات هناك ثلاثة أحواض أخرى تستحق الاهتمام وفيما يلي أهم المعلومات عنها:

التفاعلات الضوئية الكيميائية:

يمكن أن يوفر ضوء الشمس الطاقة اللازمة لتحريك التفاعلات الكيميائية التي تستهلك بعض الغازات، ونظراً للاستهلاك الكيميائي الضوئي السريع والفعال للميثان (CH4) والأمونيا (NH3) فإن الغلاف الجوي للميثان والأمونيا على سبيل المثال سيكون له أقصى عمر يبلغ حوالي مليون سنة، إن هذا الاكتشاف مهم لأنه تم اقتراح أن الحياة نشأت من خليط من المركبات العضوية التي تم تصنيعها من خلال تفاعلات غير بيولوجية تبدأ من الميثان والأمونيا.

هروب الغازات:

تميل جزيئات الهيدروجين (H2) والهيليوم أو منتجات مثل ذرات الهيدروجين إلى أن تكون لها سرعات عالية بما يكفي؛ بحيث لا ترتبط بحقل الجاذبية الأرضية وتضيع في الفضاء من أعلى الغلاف الجوي، وتمتد أهمية هذه العملية إلى ما بعد المراحل الأولى من تاريخ الأرض نظراً لوجود مصادر مستمرة لهذه الغازات الخفيفة، كما يُفقد الهيليوم باستمرار لأنه ينتج عن تحلل العناصر المشعة في القشرة.

تجريد الرياح الشمسية:

لا تبعث الشمس الضوء المرئي فحسب بل تبعث أيضاً تدفقاً مستمراً للجسيمات المعروفة باسم الرياح الشمسية، ومعظم هذه الجسيمات مشحونة كهربائياً وتتفاعل بشكل ضعيف مع الغلاف الجوي فقط؛ لأن المجال المغناطيسي للأرض يميل إلى توجيهها حول الكوكب، وقبل تكوين اللب الحديدي للأرض والتطور اللاحق للمجال المغنطيسي الأرضي يجب أن تكون الرياح الشمسية قد ضربت الطبقات العليا من الغلاف الجوي بقوة كاملة.

من المفترض أن الرياح الشمسية كانت أكثر شدة في ذلك الوقت مما هي عليه اليوم، علاوة على ذلك فإن الشمس الفتية أصدرت تدفقات قوية من الأشعة فوق البنفسجية الشديدة، وفي مثل هذه الظروف قد يكون قد تم نقل الكثير من الغاز بعيداً عن طريق نوع من السفع الرملي الذري الذي قد يكون له تأثير ملحوظ على المراحل الأولى من تطور الغلاف الجوي.

ما هي الدورات البيوجيوكيميائية في الغلاف الجوي خلال الزمن الجيولوجي؟

إن التفاعلات مع القشرة وخاصة مع الكائنات الحية (أي في المحيط الحيوي) يمكن أن تؤثر بشدة على تكوين الغلاف الجوي، ويُنظر إلى هذه التفاعلات التي تشكل أهم المصادر والمصارف لمكونات الغلاف الجوي من منظور الدورات الكيميائية الجيولوجية الحيوية وأبرزها دورة الكربون، وقد تتضمن دورة الكربون مجموعتين رئيسيتين من العمليات، وهما:

• دورة الكربون البيولوجية: تتوسط العمليات البيولوجية لعملية التمثيل الضوئي والتنفس في تبادل الكربون بين الغلاف الجوي أو الغلاف المائي والمحيط الحيوي، وفي هذه التفاعلات يمثل (CH2O) المواد العضوية أو الكتلة الحيوية للبكتيريا أو النباتات أو الحيوانات، كما ويمثل (A) شريك الأكسدة والاختزال للكربون وهو العنصر الذي تؤخذ منه الإلكترونات أثناء التخليق الحيوي للمواد العضوية والذي يقبل الإلكترونات أثناء عمليات التنفس.

• دورة الكربون الجيولوجية: يمكن وصف الأجزاء الجيولوجية لدورة الكربون بسهولة أكبر باتباع ذرة كربون منذ لحظة حقنها في الغلاف الجوي على شكل ثاني أكسيد الكربون المنطلق من البركان، وسوف يتلامس ثاني أكسيد الكربون (أي ثاني أكسيد الكربون الموجود في الغلاف الجوي) مع الماء في البيئة، ومن المرجح أن يذوب ليشكل حمض الكربونيك.

هذا الحمض الضعيف هو مشارك مهم في تفاعلات التجوية التي تميل ببطء شديد إلى إذابة الصخور المعرضة لهطول الأمطار والمياه الجوفية على سطح الأرض، وسيكون التفاعل النموذجي الذي يظهر تحويل المعدن الصلب إلى منتجات قابلة للذوبان.

تفاعل الدورات البيولوجية والجيولوجية في الغلاف الجوي:

تقاس وتيرة دورة الكربون البيولوجية في عمر الكائنات الحية، بينما تقاس وتيرة الدورة الجيولوجية في عمر الصخور الرسوبية (التي يبلغ متوسطها حوالي 600 مليون سنة)، ويتفاعل كل منها بقوة مع الغلاف الجوي والدورة البيولوجية التي تتبادل ثاني أكسيد الكربون وشركاء الأكسدة والاختزال والدورة الجيولوجية، والتي تزود ثاني أكسيد الكربون وتزيل معادن الكربونات والمواد العضوية (المصدر النهائي للوقود الأحفوري مثل الفحم والنفط والغاز الطبيعي) في الرواسب.

يتيح فهم الميزانيات والمسارات لهذه الدورات في البيئة العالمية الحالية للباحثين تقدير آثارها في الماضي، وعندما تكون الظروف (مدى تطور الكائنات الحية وتكوين الغلاف الجوي وما إلى ذلك) قد تكون مختلفة تماماً، ويمكن تلخيص الأهمية الكمية لهذه العمليات الآن وعبر الزمن الجيولوجي عن طريق خبرات الجيولوجيين، ويعتبر الكربون الموجود في الغلاف الجوي كثاني أكسيد الكربون تقريباً أصغر خزان، ولكنه يمثل النقطة المركزية التي من خلالها قامت عمليات الدورة الكيميائية الجيولوجية بتوزيع الكربون على مدار تاريخ الأرض.

يجب أن تدرك عمليات إعادة بناء تطور الغلاف الجوي أن الكميات الكبيرة جداً من الكربون الموجودة الآن في الكربونات الرسوبية والكربون العضوي قد تدفقت عبر الغلاف الجوي، وأن الكربون العضوي (الذي يشمل جميع أنواع الوقود الأحفوري بالإضافة إلى الحطام العضوي الأكثر وفرة وغير المحدد) يمثل المواد التي تنتجها عملية التمثيل الضوئي، ولكن لا يتم إعادة تدويرها عن طريق التنفس.