 | АЗОТ |
Азот относится к умеренно активным элементам, слабо вступающим в реакции с природными неорганическими соединениями, поэтому, вероятно, в первичной атмосфере содержалось заметное количество этого газа и значительная часть азота современной атмосферы является реликтовой, сохранившейся еще со времен формирования Земли около 4,6 млрд лет назад, хотя другая его часть могла дегазироваться из мантии уже на геологической стадии развития.
С появлением жизни на Земле около 4,0–3,8 млрд лет назад происходило связывание азота в органическом веществе и его захоронение в океанических осадках, а после выхода жизни на сушу (около 400 Ма) – и в континентальных отложениях. Поэтому жизнедеятельность организмов за длительное время развития земной жизни могла существенно снизить парциальное давление азота в земной атмосфере, тем самым меняя климаты Земли. Рассчитывая эффект поглощения азота, надо учитывать, что органический азот (Nорг) океанических осадков вместе с осадками через зоны скучиванья океанической коры в архее или через зоны субдукции в протерозое и фанерозое постоянно выводился из акваторий океанов и после этого он частично включался в гранит-метаморфические породы континентальной коры или уходил в мантию, но частично вновь дегазировался и снова поступал в атмосферу.
Помимо биогенного процесса связывания атмосферного азота, существует эффективный абиогенный механизм этой же направленности. Так, по расчетам Я. Юнга и М. МакЕлроя (Yung, McElroy, 1979), фиксация азота в почвах происходить во время гроз благодаря образованию при электрических разрядах во влажном воздухе азотной и азотистой кислот.
Оценить количество выведенного из атмосферы азота сложно, но возможно.
Содержание азота в осадочных породах прямо коррелируется с концентрацией захороненного в них органического углерода. Поэтому оценить количество захороненного в океанических осадках азота, можно по данным о массе погребенного в них органического углерода Сорг. Для этого следует только определить коэффициент пропорциональности между Nорг и Сорг. В донных осадках открытого океана Сорг : Nорг : Рорг = 106 : 20 : 0,91 (Лисицын, Виноградов, 1982), но при этом до 80% азота быстро уходит из органического вещества, поэтому отношение Сорг : Nорг в
осадках может повышаться до 1 : 0,04. По данным Г. Фора (1989), это отношение в осадках приблизительно равно 1 : 0,05. Примем, по данным А.Б. Ронова и А.А.Ярошевского (1978, 1993), что в осадках океанов (пелагиаль плюс шельфы) законсервировано около (2,7–2,86)*1021 г Сорг, а в осадках континентов – около (9,2–8,09)*1021 г Сорг. Пусть будут значения отношений Сорг : Nорг близкими к 20:1, тогда содержание Nорг в осадках океанического дна и шельфах примерно равно 1,36*1020 г, а в континентальных осадках – 5,0*1020г. Допустим, что развитие жизни в океане ограничивается содержанием в океанических водах растворенного фосфора, а его концентрация с течением времени менялась незначительно (Шопф, 1982). Отсюда следует, что биомасса океана всегда оставалась приблизительно пропорциональной массе воды в самом океане.
Эволюция массы воды в Мировом океане рассматривается отдельно и в этой задаче считается известной. Учитывая сделанное предположение о пропорциональности биомассы в океанах – массе самих океанических вод, можно приближенно учесть удаление Nорг вместе с океаническими осадками через зоны скучивания и субдукции литосферных плит за время геологического развития Земли.
Соответствующие расчеты (Сорохтин, Ушаков, 1998) показали, что за время геологического развития Земли (т.е. за последние 3,8–4 млрд лет) из атмосферы Земли удалено около 19,2*1020 г азота. К этому азоту надо добавить массу Nорг ≈ 5,0*1020 г, законсервированного в осадках континентов и накопившегося там за время порядка 400 Му. Таким образом за время жизни Земли из ее атмосферы удалено приблизительно 24,2*1020 г азота, что эквивалентно снижению давления атмосферы на 474 мбар (парциальное давление азота в современной атмосфере 765 мбар).
Рассмотрим два крайних случая. Сначала предположим, что дегазация азота из мантии не происходила вовсе, тогда можно определить начальное эффективное давление атмосферы Земли в катархее на интервале 4,6–4,0 млрд лет. Оно оказывается равным 1,23 бар (1,21 атм). Во втором случае будем считать, что почти весь азот атмосферы дегазирован из мантии за последние 4 млрд лет. Расчет производился с учетом того, что в настоящее время в атмосфере содержится 3,87•1021 г азота, в горных породах и осадках - 3,42•1020 г, а в мантии - 4,07•1021 г (Сорохтин, Ушаков, 1998). Показатель подвижности азота не меняется со временем и равен 0,934. После расчета накопления азота во внешних геосферах Земли в полученные результаты вносились поправки за поглощение этого газа в органическом веществе и его захоронения в горных породах и осадках. Оставшаяся часть характеризовала эволюцию массы азота в земной атмосфере при условии его полной дегазации из мантии.
Для обоих вариантов рассчитаны кривые эволюции парциального давления азота в земной атмосфере. Реальной картине изменения давления соответствует некая промежуточная кривая, определить положение которой можно только привлекая дополнительную информацию по климатам Земли, существовавшим в прошлые геологические эпохи. Такой реперной точкой может служить информация о развитии наиболее грандиозного оледенения континентов в раннем протерозое, около 2,5–2,3 млрд лет назад. Континенты тогда располагались в низких широтах и стояли над уровнем океана на высоте около 4−3 км, поэтому возникновение такого оледенения могло произойти только в случае, если средняя температура земной поверхности на уровне моря тогда не превышала +6…+7 °С (280 К).
В раннем протерозое атмосфера состояла из азота с небольшой добавкой аргона, тогда как парциальные давления кислорода и углекислого газа не превышали соответственно 10–6 и 10–2 атм, а солнечная постоянная равнялась 1,14*106 эрг/см2*с. Принимая для той холодной эпохи Ts= 280 К= 7 °С, по адиабатической теории парникового эффекта можно найти, что давление азотной атмосферы в это время было 1,09 атм, тогда как по гипотезе первичности азотной атмосферы в это время должно было бы быть1,19атм, а по гипотезе полностью дегазированного из мантии азота -0,99 атм. Отсюда видно, что азот современной атмосферы приблизительно на 54% состоит из реликтового газа и только на 46% дегазирован из мантии.