|
|
A légkör a bolygó arca.
(James Lovelock)
A levegő számunkra a legfontosabb környezeti anyag. Nélküle csak
néhány percet élhetnénk. Ennek ellenére, talán azért, mert
bőségesen rendelkezésünkre áll, nem nagyon veszünk róla
tudomást. Sőt a köznyelv időnként a semmivel azonosítja, a semmi
szót a levegővel helyettesíti. Pedig már a régi görögök is
tudták, hogy a levegő anyag, mint ezt Empedoklész az i. e. V.
században bizonyította. Szintén ő volt az a gondolkodó, aki
javasolta, hogy a bennünket körülvevő világ négy alapelemből,
levegőből, vízből, tűzből és földből áll. Véleményét
Arisztotelész is elfogadta, akinek a tanait a keresztény világ
évszázadokon át követte. Csak a felvilágosodás idején, Joseph
Priestley és Carl Wilhelm Scheele kísérletei után derült ki
(Mészáros, 2008), hogy a levegő nem elem, hanem különböző gázok
elegye, és jelentős mértékben egy égést tápláló anyagból,
oxigénből áll.
A levegő különleges gázkeverék. Összetétele
alapvetően eltér a szomszéd bolygók légkörének összetételétől: a
Vénuszt nagynyomású, a Marsot kisnyomású szén-dioxidból álló
gázburok övezi. Légkörünk, a levegő önmagában is különleges:
fizikai-kémiai szempontból nincs egyensúlyban, entrópiája nem
maximális. Az oxigénnek a nitrogént lassan oxidálnia kellene:
egyensúlyban a nitrogén az óceánvízben nitrát formában fordulna
elő (Lovelock, 1979).1
Végül: légkörünk nem mindig volt olyan, mint
a jelenlegi levegő. Nemcsak az összetétele különleges, hanem a
története is, mely összefügg az élet keletkezésével és
fejlődésével. A Föld története során a bioszféra határozta meg a
légkör jellegét, ugyanakkor a légkör tette lehetővé az élőlények
létrejöttét és evolúcióját. Jelen tanulmánynak az a célja, hogy
légkörünk keletkezését és fejlődését az 1%-nál nagyobb
részarányban előforduló fő összetevők (oxigén, nitrogén, argon)
történetén keresztül felvázolja. Ezen belül különös figyelmet
szentelünk a bolygó arculatát meghatározó oxigénnek: a Föld
légkörének fejlődése lényegében az oxigén feldúsulásának
története. Ugyanakkor foglalkozni fogunk az éghajlat alakítása
szempontjából oly fontos szén-dioxiddal is, amely ma már
nyomanyagnak számít, de a Föld keletkezése után légkörünk egyik
legfontosabb összetevője volt.
Őslégkör: oxigén nélkül
A Föld kb. 4,5 milliárd évvel ezelőtt egymással ütköző
kisebb-nagyobb szilárd darabokból, részecskékből tevődött össze.
A szilárd részecskék magja feltehetően szilíciumból, elemi
vasból és szénből állt, amelyet hidrogén, szén, nitrogén és
oxigén elemekből álló burok vett körül. A burokban az elemek
fagyott vizet, hidratált ammóniát, metánt és más szerves
szénvegyületeket alkottak. A keletkező bolygót a könnyű gázok,
így a hidrogén és hélium hamar elhagyták. A szilíciumra
vonatkozó arányukból következik, hogy elszökött a nemesgázok
nagy többsége is, valószínűleg még a jelenlegi bolygóméret
(gravitáció) elérése előtt. A kozmoszból érkező részecskék
minden bizonnyal alacsony hőmérsékletűek voltak. Az ütközések
miatt keletkező hő azonban felmelegítette az előbolygót, amit az
intenzív radioaktív bomlás is fokozott. A magas hőmérséklet
következtében az elemek molekulatömegük szerint elkülönültek,
így a vas (és a nikkel) lesüllyedt, és létrehozta a bolygó
magját. Ez a forró, növekedési (akkréciós) időszak kb. 10–100
millió évig tartott. Rövidebb ideig, mint azt régebben
gondolták.
A kezdeti légkör azokból az illékony
anyagokból állt, amelyek az ütközésekkor a gázburokba kerültek.
Így vízből, ammóniából és metánból, valamint hidrogénből, amely
a becsapódó elemi (nullaoxidációs szintű) vas és a vízgőz
kölcsönhatásával keletkezett. Ez az átmeneti, ún. „gőzlégkör” a
bolygó korához képest nagyon rövid ideig létezett. Az elemi vas
lesüllyedése után ugyanis (Holland, 1984) a víz az elemi szénnel
kölcsönhatásba lépett, és szén-monoxid, illetve szén-dioxid
képződött. Ebben a forró környezetben továbbá az ammónia
elbomlott, a metán szén-dioxiddá alakult. Az ammónia bomlása
molekuláris nitrogént hozott létre. Így a felszabaduló gázok
összetétele jelentősen megváltozott: a szén-dioxid és a nitrogén
vált uralkodóvá. Ennek megfelelően négymilliárd évvel ezelőtt az
őslégkör elsősorban nitrogénből és szén-dioxidból állt, és a
nitrogén nyomása közelítette a mai értéket. Kisebb részarányban
a gázburok szén-monoxidot, hidrogént és vizet, nyomokban metánt
tartalmazott (Kasting, 1993).
Az ütközések számának csökkenése miatt a
hőmérséklet mérséklődött, így a vízgőz nem maradt a légkörben,
hanem kondenzálódott, létrehozva az óceánokat. Másrészt a
hidrogén jelentős része elszökött a bolygóközi térbe. A
légnyomás növekedésével azonban a szökés lelassult, mivel a
többi molekula akadályozta a hidrogén függőleges diffúzióját.
Megjegyezzük, hogy nagyon kis mennyiségben szabad oxigén az
őslégkörben is keletkezett a víz, illetve szén-dioxid fotokémiai
bomlása útján. Az akkori viszonyokat figyelembe vevő
modellszámítások szerint azonban mennyisége elhanyagolható volt,
a mai érték billiomod része (Kasting, 1993; Warneck, 1999).
A Föld nem volt egyensúlyban. A földköpenyben
intenzív fel- és leáramlások mozgatták az anyagot. A feláramló
magma időnként a felszínre tört, és a vízben kis megszilárdult
egységeket, kratonokat hozott létre, amelyek a szárazföldek
embrionális ősei voltak. Geológiai leletek szerint a
nyugat-ausztráliai kraton 4,4 milliárd éves. Valószínű, hogy a
szárazföldek kialakulása már valamikor több mint 4 milliárd
évvel ezelőtt megkezdődött, és az élet keletkezése idején,
mintegy 3,8 milliárd évvel ezelőtt, vastag szárazföldi tömbök
léteztek.
Az élet keletkezésének megmagyarázására több
elképzelés látott napvilágot. Az egyik, talán legelfogadhatóbb
nézet szerint az első élőlények a sekélyebb tengeröblökben
jöttek létre. Elképzelhető, hogy először saját magukat
reprodukáló RNS-molekulák, majd egyszerű sejtek formájában. A
sejtek a testüket a sekély vízben feldúsult szerves anyagokból
építették föl a napenergia segítségével. A részletek
természetesen nem ismertek.2
Mindenesetre az amerikai Stanley L. Millernek laboratóriumban
sikerült aminosavakat létrehozni redukált gázok, víz és
elektromos kisülések segítségével (Miller, 1953). Később azonban
nyilvánvalóvá vált, hogy az őslégkör kevésbé volt reduktív, mint
az ő kísérleteiben: a szén elsősorban szén-dioxid és nem metán,
a nitrogén molekulárisan és nem ammónia formájában volt jelen.
Ezért a kísérleteket megismételték ilyen gázelegyekkel.
Aminosavak ugyan nem keletkeztek, de számos komplex szerves
molekula, így az aminosavak felépítéséhez szükséges
hidrogén-cianid jött létre, mutatva, hogy az egyszerűbb szerves
molekulákból ilyen körülmények között bonyolultabb vegyületek
állnak össze (Holland, 1984).
Az aminosavaktól a baktériumokig vezető, nem
túl jól ismert utat3
átugorva induljunk ki a mintegy 3,8 milliárd évvel ezelőtti
időszakból, amikor a tengerekben már léteztek egysejtű, sejtmag
nélküli baktériumok, prokarióták. Az anyagcseréjükhöz szénre,
oxigénre és hidrogénre volt szükségük. A szén és oxigén
szén-dioxid formában az őslégkörben adva volt. Valószínű, hogy
az akkori légkörben fotokémiai úton keletkeztek a cukrok
szintéziséhez szükséges formaldehid molekulák, amelyeket a
csapadékvíz az óceánokba juttatott. Meghatározó jelentőségű,
hogy a fotoszintetizáló egysejtűek honnan vették a szénhidrátok
felépítéséhez szükséges hidrogént. Hidrogénforrásként kézenfekvő
lehetőség volt maga a hidrogén és a kénhidrogén. A forradalmi
lépés akkor következett be, amikor egyes egysejtűek
(cianobaktériumok: kékeszöld algák) hidrogéndonorként elkezdték
a vizet használni: kialakult a fotoszintézis mai formája. Ehhez
több energiára volt szükség, de az energiát a Nap szolgáltatta.
Ennek a bolygó további sorsa szempontjából forradalmi
jelentősége volt: a végtermékek között megjelent a szabad
oxigén. Az ilyen típusú fotoszintézis minden bizonnyal már 3,5
milliárd évvel ezelőtt megkezdődött, hiszen találtak ilyen korú
egyedi képződményeket, ún. sztromatolitokat, amelyeket az elhalt
cianobaktériumok mészkővel alkottak.
Ha az élet a sekély tengervízben keletkezett,
akkor a Föld hőmérséklete nem különbözhetett alapvetően a
jelenlegi értékektől (Möller, 2014). A víz szélső esetben nem
forrhatott, és nem fagyhatott meg. A problémát az jelenti, hogy
a Nap teljes energiája (az erős UV sugárzás ellenére) ebben az
időszakban mintegy 25%-kal kisebb lehetett, mint a jelenlegi
érték. Ezt a csillagászok a jelenleg születő, Naphoz hasonló
csillagok fényessége alapján állapították meg. Ez az ún. hideg
Nap paradoxon csak úgy oldható fel, ha a fentiek alapján
elfogadjuk, hogy közel négymilliárd évvel ezelőtt az őslégkör
jóval több üvegházhatású gázt, elsősorban szén-dioxidot
tartalmazott, mint napjainkban.4
Számítások szerint az élet keletkezésének idején a szén-dioxid
parciális nyomása mintegy hatszázszor nagyobb lehetett, mint
manapság, míg a felszíni hőmérséklet 85 °C
körül mozoghatott (Kasting, 1993). Minden jel arra mutat, hogy a
Föld története során a hőmérséklet sohasem volt olyan
szélsőséges, hogy veszélyeztette volna az életet. Ebből
következik, hogy a szén-dioxid pont olyan ütemben került a
karbonátos kőzetekbe, hogy az üvegházhatás csökkenése
kiegyenlítette a napsugárzás energiájának növekedését. A légköri
szén-dioxid és a szilikátos kőzetek reakciója következtében a
szén-dioxid a légkörünkben lassan nyomanyaggá vált, így kb. 600
millió éve mennyisége már közel lehetett a jelenlegi értékhez.
Ez a folyamat a szomszédos Vénusz bolygón a kisebb naptávolság
miatti magas (300 °C fölötti)
hőmérsékleten nem következett be.
Az oxigénszint emelkedése
Az oxigén kezdetben a gyengén reduktív környezetben élő
egysejtűek számára nyilvánvalóan méreg volt: környezeti
katasztrófát okozott. Aztán egyes egysejtűek „rájöttek” arra,
hogy az oxigén felhasználása, a légzés nagyszerű energiaforrás,
sokkal hatékonyabb, mint a fotoszintézis. Az első légző
szervezetek feltehetően prokarióták voltak, amelyek később
beépültek a megjelenő, sejtmaggal rendelkező eukariótákba,
azokkal szimbiózisban éltek (Margulis, 2000).
Az oxigén felhalmozódása a környezetben
azonban hosszú ideig nem kezdődött meg. Az oxigén a redukált
anyagok oxidációjára használódott el. Különösen jelentős volt
egyes kőzetek, illetve a bennük lévő redukált állapotban lévő
vegyületek, így a vas(II)-oxid oxidációja. Ez a helyzet kb.
kétmilliárd évvel ezelőtt változott meg. Becslések szerint a
2,0–2,5 milliárd évnél régebbi időszakban a fotoszintézis
tizedannyi oxigént produkált, mint napjainkban. Ám a termelt
oxigénnek csak 10%-a került a bioszférába (Lovelock, 1979).
Mintegy kétmilliárd éve az oxigéntermelés hirtelen megugrott:
már a jelenlegi harmada volt, s ezt már csaknem eljes egészében
a légzés használta el. Az óceánvizek oxigéntartalmának
növekedése kiváltotta a többsejtűek megjelenését, majd azt a
forradalmi változást, amely 600 millió évvel ezelőtt végbement,
amikor már szilárdvázas élőlények uralták e tengereket, mint ezt
a Burgess-palában talált fosszíliák bizonyítják (magyarul lásd
Géczy, 1984). Ekkor a légkörben az oxigénkoncentráció már
elhagyta a jelenlegi érték 1%-át. A tengereket rövidesen a halak
uralták, amelyek mintegy 500–400 millió éve jelentek meg.
Említettük, hogy éghajlati szélsőségek
sohasem veszélyeztették a bioszféra egészét. A kérdés a
prekambriumi időszak (a kambrium 600 millió évvel ezelőtt
kezdődött) tárgyalásakor azért aktuális, mert sok kutató
véleménye szerint olyan hideg éghajlat uralkodott, amikor
csaknem az egész Földet jégtakaró borította („hógolyó Föld”). Ez
azonban az akkori óceáni bioszférát nem veszélyeztette: a földi
életet megvédte bölcsője, a víz. A hógolyó Föld kialakulását az
elmélet támogatói a szárazföldek elhelyezkedésével, és a légköri
szén-dioxid-szint változásaival hozzák összefüggésbe. A hógolyó
Föld léte nem általánosan elfogadott. Az viszont igen, hogy 600
millió évvel ezelőtt egyetlen hatalmas kontinens létezett
(Pangea I). A lemeztektonikai mozgások ugyanis hol egyesítik,
hol széttagolják a szárazföldeket, ami az éghajlatot is
befolyásolja. Ha a szárazföldek egyesülnek, akkor hűvösebb az
éghajlat, mivel kevésbé érvényesül az óceánok mérséklő hatása.
A légkör alapvetően 500 millió évvel ezelőtt
változott meg, amikor az oxigén relatív mennyisége elhagyta a
10%-ot. Ez azért volt lényeges, mert az oxigénből keletkezett
ózonréteg megemelkedett, és megvédte a felszínt a halálos UV
sugárzástól (Gradel – Crutzen, 1993). A háromatomos
oxigénmolekula, az ózon (O3) képződését a kétatomos
(O2) és az atomos (O) oxigén egyesülése váltja ki. Az
atomos oxigén a napsugarakat a 180–210 nm-es hullámhosszsávban
elnyelő kétatomos oxigén fotokémiai bomlása útján jön létre. Az
ózon a 280 nm alatt teljesen, a 280–320 nm-es sávban részben
elnyeli az UV sugárzást. Az ózon mennyisége és keletkezési
magassága a felszín fölött egyenesen arányos az oxigén
koncentrációjával. Az elnyelés következtében a bonyolultabb
szerves molekulákat szétroncsoló nagyenergiájú fotonok nem érik
el a felszínt. Az oxigén feldúsulásának köszönhetően a
szárazföldek készen álltak az élet befogadására. Ehhez persze
olyan élőlények kellettek, amelyek erre képesek voltak.
A szárazföldre először a növények,
pontosabban különböző mohák települtek. Ezt a korabeli
kőzetekben található megkövesedett spórák, illetve magvak
tanúsítják. A vizsgálatok szerint a legrégebbi talált
szárazföldi spórakövület 450 millió éves. A növényeket rövidesen
az állatok követték, nevezetesen a bojtosúszójú halak, amelyek
mellső uszonyaikkal képesek voltak a tengerfenéken mozogni,
mintegy lépkedni. Ezek az állatok hagyták el először a vizet,
nyilvánvalóan valamilyen mocsaras területen. Tőlük származnak a
kétéltűek, majd más szárazföldi állatok. Közben a növények a
szárazföldeket gyorsan meghódították, ami elősegítette az oxigén
feldúsulását. Kialakultak a termékeny talajok, a folyókba,
tavakba nagymennyiségű tápanyag jutott.
Az oxigén jelenlegi térfogati aránya (kereken
21%) mintegy 300 millió évvel ezelőtt alakult ki. Ez az az
időpont, amióta légkörünk összetétele, legalábbis ami a fő
összetevőket (nitrogén, oxigén, argon) illeti, állandó. Más
szavakkal ez az időpont, amikor az oxigén forrásai és nyelői a
jelenlegi egyensúlyba kerültek. Érdekes kérdés, hogy vajon miért
pont 21%-os értéken állt be az egyensúly. Nem a véletlen műve.
Alacsonyabb értéken nem lenne a légzés számára elegendő oxigén.
Magasabb értéken viszont elpusztulnának a fotoszintetizáló
szervezetek. Arról nem is beszélve, hogy a tűzveszély sokkal
nagyobb lenne (Lovelock, 1979).
Láttuk, hogy a légkör a bioszférával szoros
összefüggésben fejlődött. 300 millió év óta azonban sem az
oxigén mennyisége, sem a fő összetevők aránya nem változott: a
fejlődés befejeződött. Hiba jelentek meg a zárvatermő növények,
hiába haltak ki a dinoszauruszok, hiába alakultak ki az emlősök,
a |
|
|
levegő alapvető összetétele ugyanaz maradt
(ez természetesen nem vonatkozik az 1%-nál jóval kisebb
részarányú nyomanyagokra). Nem változott a levegő tömege, így a
nyomása sem.
Az oxigén teljes mérlege
A bioszféra a Föld története során hatalmas mennyiségű oxigént
termelt. Kézenfekvő annak felvetése, hogy vajon hová lett ez a
hatalmas tömeg, és hányad része tárolódik a jelenlegi légkörben.
Induljunk ki abból, hogy a fotoszintézis az élet megjelenése óta
1021 mol szerves szenet hozott létre. Ez az érték geokémiai
mérések alapján becsülhető meg. A fotoszintézis során 1 mol
szerves szén keletkezésekor 1 mol oxigén szabadul fel. Így a
teljes oxigénprodukció szintén 1021 mol, ami 32×1018 kg
oxigénnek felel meg. Ha a teljesség kedvéért ehhez hozzávesszük
a víz fotokémiai bomlásával (és a hidrogén elszökésével)
keletkezett kis mennyiségű oxigént, akkor 33,9×1018 kg-ot kapunk
eredményül.
A termelt oxigén oxidálta a redukált
állapotban lévő anyagokat, így a gáznemű hidrogént,
szén-monoxidot és kénhidrogént. Miután az oxigén feldúsulása a
légkörben megkezdődött (kb. kétmilliárd évvel ezelőtt) molekulái
kivonták a légkörből a Föld belsejéből felszabaduló
hidrogénmolekulákat. A jelenlegi hidrogénkibocsátást, illetve
magaslégköri hidrogénszökést feltételezve kiszámítható, hogy a
folyamat 2,4×1018 kg oxigént fogyasztott. Ha ehhez hozzávesszük
a víz disszociációjával keletkezett hidrogén oxidációját, akkor
végeredményül 3,6×1018 oxigénveszteséget kapunk
(1. táblázat).
A vulkanikus gázok szén-dioxidot, és kisebb
mennyiségben szén-monoxidot tartalmaznak. A két gáz közötti
arányt, valamint a kőzetek szénmennyiségét (szén mint kémiai
elem) figyelembe véve adódik, hogy a szén-monoxid teljes
oxidációja 2,2×1018 kg oxigént vont ki a légkörből.
Vulkánkitörések alkalmával továbbá mind kén-dioxid, mind
kénhidrogén kerül a légkörbe. A kibocsátott két gáz arányának
megbecslése nem könnyű feladat, mivel értéke a környezet
oxidációs képességének a függvénye. Ha feltételezzük, hogy a
Föld története során a kénhidrogén volt a meghatározó vegyület,
akkor kiszámítható, hogy a kéngázokat 15×1018 kg O2
oxidálta. Az oxidációs termékek minden bizonnyal végül is
szulfáttartalmú vegyületekbe kerültek.
További oxidációs folyamatot jelent a
légkörrel érintkező vulkanikus kőzetekben a vas(II)-oxid (FeO)
vas(III)-oxiddá (Fe2O3), hematittá
alakulása (a zárójeles római számok az oxidációs fokra utalnak).
A folyamat a két vegyület kőzetekben előforduló aránya alapján
becsülhető meg. Az arány egyes kőzetekben különböző (1,6% és
3,5% között változik). Megbízható középértékének meghatározása
ezért nem könnyű feladat. A legelfogadottabb számítások alapján
a folyamat a Föld története során közel 10×1018kg oxigént
fogyasztott.
Az 1. táblázatot áttekintve láthatjuk,
hogy a források és nyelők erőssége, a becslések bizonytalansága
ellenére, hibahatáron belül megegyezik. Meglepő, hogy az oxigén
többsége jelenleg szulfátok formájában tárolódik, nagy részben a
tengervízben oldva, ionok formájában. Másik része az
agyagpalában vas-szulfidként fordul elő. Ugyanakkor jelentős az
az oxigénmennyiség is, amely a vas oxidációjára fordítódott. A
táblázatból az is kitűnik, hogy a fotoszintézissel keletkezett
oxigénnek milyen kis része van jelenleg szabad formában. Ez a
rész azonban döntően meghatározza a földi környezetet. A szabad
oxigén zömmel a levegőben mutatható ki, és csak kis része
található az óceánvízben (a légkör hetvenszer annyi oxigént
tartalmaz, mint az óceánok).
Jelen és jövő: oxigén
Vizsgáljuk meg ezek után az oxigén jelenlegi körforgalmát
(1. ábra) James C. G. Walker (1977)
elképzelései szerint. Mint az előzőekben láttuk, a szén és az
oxigén ciklusa szorosan kapcsolódik egymáshoz, ezért az ábrán a
szén földi áramlásának főbb jellegzetességeit is feltüntettük. A
két elem összehasonlíthatósága érdekében az értékek mólokban,
illetve mol/év egységekben vannak feltüntetve. Az ábrán a
négyzetek az egyes földi tartományokat (tározókat), míg a körök
a tartományok közötti anyagcserét, fluxusokat ábrázolják.
A fotoszintézis által termelt szerves szén,
illetve oxigén fluxusának meghatározása a növények tömegéből
kiindulva történik. A 2.
táblázatból látható, hogy az óceáni növények
(fotoszintetizálók) tömege jóval kisebb, mint a szárazföldi
növényeké. Ennek ellenére a szárazföldi és óceáni növények
biomassza-termelése összevethető egymással. A termelt, kereken
1016 mol szerves szén a „felületi szerves anyagok” elnevezésű
tározóba kerül. A fotoszintézis során természetesen ugyanannyi
mól oxigén keletkezik, mint szerves szén. Ebből következik, hogy
a szabad oxigén közel fele az óceánokból szabadul föl. A bomlás
és kisebb mértékben a légzés a levegőből a keletkezett szerves
anyagoknak megfelelő oxigént von ki: kiegyenlíti a fotoszintézis
hatását. Az oxigén szempontjából tehát a fotoszintézis és bomlás
zárt ciklust alkot.
Az 1. ábrából kitűnik, hogy az
üledékes kőzetekbe kerülő szerves szén és a mállás során a
levegőt elhagyó oxigén fluxusa nagyságrendekkel kisebb, mint a
fotoszintetizáló növények O2-termelése. Nem kell azonban
elfelejtenünk, hogy a légköri oxigén mennyiségét az
üledékképződés sebessége szabályozza. Ez az egyetlen folyamat a
körforgásban, amely függ az oxigén nyomásától. Minél kisebb az
oxigén nyomása, annál több szerves anyag temetődik el az
üledékben, következésképpen annál több oxigén kerül a levegőbe.
Végül némi oxigén a víz magaslégköri felbomlása miatt is
keletkezik. Ez a mennyiség azonban nagyságrendekkel kisebb, mint
a bioszférából felszabaduló O2 tömege.
A levegőben a különböző széntározókhoz képest
sok oxigén található. Ez alól az üledékes kőzetek jelentik a
kivételt. Az üledékes kőzetek lassítják a szén földi áramlását,
hiszen egy szénatom átlagosan egymillió évig tartózkodik ebben a
tározóban.5 Ezzel szemben
az oxigén tartózkodási ideje a légkörben 3800 év. A légkörben
jóval több oxigén van, mint ahány mol szén a felületi szerves
anyagok tározójában található, amely számunkra a táplálkozáshoz
szükséges szerves tápanyagokat biztosítja. Az ábrán feltüntetett
számadatokból következik, hogy benne a tartózkodási idő
mindössze húsz év. Más szavakkal, ha a fotoszintézis valamilyen
ok miatt megszűnne, akkor nem megfulladna, hanem húsz év múlva
éhen halna az emberiség. Oxigén viszont még hatalmas
mennyiségben maradna utánunk.
A következő feltételezés már nincs is olyan
messze a valóságtól. Az ember ugyanis kitermeli a fosszilis
tüzelőanyagokat; úgymond, mobilizálja azt a széntározót, amely
természetes körülmények között a ciklusban már nem vesz részt.
Ismeretes, hogy a fosszilis tüzelőanyagok (szén, olaj, földgáz)
a geológiai múltban eltemetődött növényekből keletkeztek, és
magukba zárták azt a napenergiát, amelyet életük során
felhasználtak. Az ember ezt az energiát szabadítja föl, amikor a
tüzelőanyagokat elégeti, oxidálja. A jelenlegi kitermelés 3×1014
mol szénegyenértékkel egyenlő.6
Ez hatalmas mennyiségnek tűnik, a levegőben lévő oxigén
tömegéhez képest azonban elhanyagolható. Így, ha feltételezzük,
hogy az összes tüzelőanyagot felhasználnánk, a légköri oxigénből
akkor is csak kb. 2%-ot fogyasztanánk. Ugyanakkor (ezt az ábra
nem mutatja) a levegő szén-dioxid-koncentrációja tízszeresére
növekedne. Tekintve, hogy a szén-dioxid üvegházhatású gáz, ennek
az éghajlatra drasztikus hatása lenne, a bolygó jelentősen
felmelegedne, ami veszélybe sodorná a jelenlegi bioszféra egy
részét, így az emberi fajt is. Bár itt még nem tartunk, az
emberi tevékenység miatti globális felmelegedés a
környezetvédelemnek máris fontos problémája.
Argon és nitrogén
A Föld légkörében 0,93 térfogatszázalékban előforduló argon nem
a kozmikus gázok maradványa. A kálium-40-ből elektronbefogással
keletkezik. A kálium-40-re vonatkozó geológiai adatokból,
valamint az izotóp felezési idejéből kiszámítható, hogy
napjainkig összesen 1,35×1017 kg argon-40 keletkezett (Warneck,
1999). Jelenleg a légkörben 0,675 × 1017 kg argon található.
Ebből az következik, hogy a nemesgáz fele a földköpenyben
tárolódik. A légköri argon keletkezési sebessége elvileg
kiszámítható, ha a légköri mennyiséget elosztjuk a Föld korával.
Az eredmény 3,3 × 1010 kg/év. Ez azonban egy fiktív érték,
hiszen a forrás erőssége a kálium-40 fogyásával egyre kisebb
lett. Ezért ma már az argont „állandó” összetevőnek tekintjük.
Az argonnak nincsenek a Földön nyelői. Így a Föld története
során mennyisége lassan emelkedett, hogy elérje a jelenlegi
kvázi állandó értéket.
A molekuláris nitrogén a földi légkör
legnagyobb térfogati arányban (kereken 78%) előforduló
összetevője, így jelentősen meghatározza (és a múltban
meghatározta) a légkör nyomását. Mint említettük a nitrogén a
korai gázfelszabadulás terméke, és már az őslégkörben a maihoz
hasonló mennyiségben volt jelen. A Föld történetének nagy
részében légköri tömege nem változott. Ez nem jelenti azt, hogy
a nitrogénmolekulák nagyon lassan ne cserélődnének a földi
tartományok között. Így a vulkanikus tevékenység során
felszabaduló mennyiségnek megfelelő N2 az óceánokban
a fenékre ülepedő elhalt szervezetekkel az üledékbe, majd az
üledékes kőzetekbe jut. Jelenleg a légköri nitrogén lassú
ciklusát elsősorban a bioszféra működteti. Így a szárazföldi és
óceáni fotoszintetizáló szervezetek (a kultúrnövényeket nem
tekintve) évi (150–250)×109 kg nitrogént kötnek meg (Jacobson et
al., 2000), amely denitrifikációval kerül vissza a levegőbe. Ez
a mennyiség azonban igen kicsi a légköri nitrogén tömegéhez
képest: 3,9×1018 kg. Az értékeket összevetve kiszámítható, hogy
a nitrogén természetes tartózkodási ideje mintegy 20 millió
évvel egyenlő. A nitrogén körforgalmát az emberi tevékenység is
befolyásolja. Ha a mezőgazdasági és ipari nitrogén megkötését
kivonjuk a műtrágyázás miatt denitrifikációval felszabaduló
nitrogén tömegéből, akkor azt kapjuk, hogy az emberi tevékenység
évente kb. 100×109 kg-mal csökkenti a légköri nitrogén
mennyiségét. Ez jelentős a fluxusok értékéhez képest, de
elhanyagolható a teljes légköri tömeghez viszonyítva.
Hangsúlyozzuk: ezek a megállapítások a molekuláris nitrogénre (N2)
vonatkoznak, és nem érintik a nyomanyagként kimutatható
nitrogénvegyületeket (ammónia, nitrogén-oxidok,
dinitrogén-oxid), amelyek mennyiségét az ember máris jelentősen
módosította.
Összefoglaló megjegyzések
A földi légkör történetéből a következő fontos események
emelhetők ki.
• A Föld életének első szakaszában a Föld
belsejéből nagy mennyiségű vízgőz, nitrogén és szén-dioxid
szabadul föl. A víz óceánokká kondenzálódik, a nitrogén a
légkörben marad, míg a szén-dioxid többsége fokozatosan a
karbonátos kőzetekbe kerül, a légkörben nyomanyaggá válik.
• Az oxigénmentes őslégkörben 3,5 milliárd
évvel ezelőtt a cianobaktériumok fotoszintézisükhöz
hidrogéndonorként a vizet használják: megjelenik az oxigén.
• Mintegy kétmilliárd éve a légkör
oxigénkoncentrációja 0,1%. Ebben az időszakban hirtelen
felgyorsul az oxigéntermelés.
• 600 millió éve az oxigén légköri tömege a
jelenleginek 1–10%-a között van: az óceáni bioszféra látványos
fejlődésnek indul. A szén-dioxid mennyisége közelíti a jelenlegi
értéket.
• 500 millió éve az oxigén koncentrációja
meghaladja a mai érték 10%-át, kialakul a felszínt az UV
sugaraktól védő ózonréteg, a szárazföldek készen állnak az élet
befogadására.
• 300 millió évvel ezelőtt az oxigén aránya
eléri a jelenlegi értéket, kialakul az a légkör, a levegő, amit
mi is ismerünk.
• Jelen: az emberi tevékenység a fosszilis
tüzelőanyagok felhasználásával a szén-dioxid mennyiségét
jelentősen módosítja, de lényegében hatástalan az oxigén
tömegére. Hasonló módon az ipari és mezőgazdasági tevékenység
nem változtatja meg észrevehetően a levegő molekuláris
nitrogéntartalmát.
Kulcsszavak: Föld története, légkör története, oxigén,
nitrogén, szén-dioxid, argon
IRODALOM
Géczy Barnabás (1984): A
Burgess-pala különös állatvilága. Természet Világa. 115,
457–461.
Gradel, Thomas E. – Crutzen, Paul J.
(1993): Atmospheric Change. An Earth System Perspective. New
York: W. H. Freemen and Company
Holland, Heinrich D. (1984): The
Chemical Evolution of the Atmosphere and Oceans. Princeton, NJ,
Princeton University Press
Jacobson, Michael C. – Charlson,
Robert J. – Rodhe, Henning – Orians, Gordon H. (eds.) (2000):
Earth System Science. Volume 72. From Biogeochical Cycles to
Global Change. San Diego: Acedemic Press
Kasting, James F. (1993): Earth’s
Early Atmosphere. Science, 259, 920–926. •
WEBCÍM
Lovelock, James E. (1979): Gaia. A
New Look on Life on Earth. Oxford: Oxford University Press
Margulis, Lynn (2000): Az együttélés
bolygója. (ford. Schoket Zsófia) Budapest: Vince Kiadó
Mészáros Ernő (2008): A levegő
megismerésének története. (Természettörténelem 2) Budapest: MTA
Történettudományi Intézet
Miller, Stanley L. (1953):
Production of Amino Acid under Possible Primitive Earth
Conditions. Science. 117, 528–529. DOI:
10.1126/science.117.3046.528 •
WEBCÍM
Möller, Detlev (2014): Chemistry of
the Climate System. Berlin–Boston: De Gruyter
Walker, James C. G. (1977):
Evolution of the Atmosphere. New York: Macmillian Publishing
Warneck, Peter (1999): Chemistry of
the Natural Atmosphere. San Diego: Academic Press
LÁBJEGYZETEK
1 Lovelock ezért úgy
gondolja, egy adott bolygó légkörének összetétele elárulja, hogy
van-e rajta élet. Az egyensúly hiánya az élet jelenlétére utal.
<
2 3,8–4,5 milliárd
évvel ezelőtt, a növekedési időszak után is kisebb-nagyobb
szilárd égitestek bombázták a földet (így született a Hold is).
Egy 100 km nagyságú test becsapódása az összes cseppfolyós vizet
elpárologtathatta (Kasting, 1993). Lehet, hogy élet többször is
keletkezett?
<
3 Mindenesetre
aminosavakból már sikerült polipeptideket és egyszerű fehérjéket
előállítani.
<
4 Üvegházhatású
gázok: a legalább két különböző atomot tartalmazó molekulák a
Nap rövidhullámú (max. 500 nm) sugárzását átengedik, ám a Föld
hosszúhullámú (jelenleg 10 000 nm) sugárzását elnyelik.
<
5 A tartózkodási idő
úgy kapható meg, ha elosztjuk a tározóban lévő tömeget a fluxus
értékével.
<
6 Sajnos a magyar
nyelvben ugyanazt a szót használjuk a szénre mint kémiai elemre
és mint tüzelőanyagra.
< |
|
