Razvoj Zemljine atmosfere

Razvoj Zemljine atmosfere dio je teorije hemijske evolucije (abiogeneze) Zemlje te važan element historije klime na Zemlji. Danas se razlikuju četiri perioda razvoja.

Praatmosfera

Crtež protoplanetarnih diskova (NASA)

Smatra se da je Zemlja nastala prije otprilike 4,58 milijardi godina. Pri tome je već vrlo rano po nastanku imala gasoviti omotač sastavljen od vodika (H₂) i helija (He) te u manjoj mjeri metana (CH₄), amonijaka (NH₃) i nekih plemenitih gasova, te se zbog slabe gravitacije i brze rotacije vrlo sporo vezao uz čvrstu planetu. Međutim, za nekoliko miliona godina taj omotač je gotovo u potpunosti izgubila. Uzrok tome su bila zagrijavanja zbog kontrakcija, raspadi radioaktivnih nuklida zbog otpuštanja toplote i česti udari drugih svemirskih objekata, koji su zbog velike brzine dovodili do djelimičnog topljenja zemlje. Zbog vrlo visokih temperatura koje su vladale u tom periodu, što je i samo bilo dovoljno da čestice u atmosferi dobiju vrlo visoke brzine dovoljne na napuste ranu atmosferu Zemlje. Osim toga česte erupcije na Suncu i snažan solarni vjetar onemogućavali su opstanak praatmosfere, naročito jer se sastojala iz lakših elemenata. Iz spektralnih analiza planeta Jupitera i Saturna, danas možemo naslutiti iz čega se rana Zemljina atmosfera sastojala.

Prva atmosfera

Vulkanizam je značajan faktor koji utiče na razvoj atmosfere

Vremenom su udari na površinu Zemlje postali rjeđi a njihov intenzitet je polahko opadao. Time se Zemlja mogla početi hladiti, tako što je isijavala svoju toplotu nazad u svemir. Pošto se snizila temperatura kao i brzina čestica gasa koje su se difuzno raspršavale u svemir, omogućilo je lakšu izgradnju atmosfere. U narednom periodu pojačani vulkanizam doveo je do snažnog izbacivanja gasova i na taj način oblikovao prvu Zemljinu atmosferu. Dramatični uticaj na sastav tih vulkanskih gasova imalo je gravitaciono diferenciranje Zemlje naročito formiranje Zemljine jezgre od nikla i željeza. Zemljina kora i plašt su zbog toga ispoljavale značajno viši stepen oksidacije čime su se uglavnom ispuštali gasovi ugljik dioksid, dušik i sumpor dioksid, a u mnogo manjoj mjeri metan, amonijak i sumporovodik.

Pretpostavlja se da se prije oko četiri milijarde godina tadašnja atmosfera Zemlje sastojala iz oko 80% vodene pare (H₂O), 10% ugljik dioksida (CO₂), 5 - 7% suporovodika (H₂S) i u tragovima molekularnih dušika (N₂) i vodika (H₂), ugljik (II) oksida (CO), helija, metana i amonijaka. Radilo se o približno istim proizvodima vulkanskog djelovanja kao i što se može primijetiti i kod današnjeg vulkanizma na Zemlji. Osim toga, ovi podaci do danas nisu direktno dokazani. Visoki udio vodene pare se objašnjava time što je atmosfera u tom vremenu još bila isuviše vruća da bi se mogle obrazovati padavine. Također nisu postojale tekuće vode na Zemlji niti okeani. Porijeklo vode na Zemlji i danas je predmet naučnih rasprava.

Druga atmosfera

Nakon što se Zemlja dovoljno ohladila, došlo je do pojave ekstremno dugih i obilnih kišnih padavina, koje su trajale oko 40.000 godina, nakon kojih je došlo do stvaranja okeana pa je u skladu s tim došlo do povećanja koncentracije drugih atmosferskih gasova u odnosu na vodenu paru. Snažno ultraljubičasto zračenje omogućilo je fotohemijsko razlaganje molekula vode, metana i amonijaka, zbog čega se počeli nakupljati ugljik dioksid i dušik, a kasnije i tolin (određeni heteropolimer). Prvobitni oblici razmjene materija od strane hemolitotrofnih bakterija i bakterija koje uzrokuju vrenje te archaea dodatno su povećali udio dušika i metana. Vrlo lahki gasovi poput vodika i helija vrlo brzo su napustili atmosferu i rasplinuli se u svemir, a velike količine ugljik dioksida i sumpor dioksida je rastvoreno u novonastalim okeanima. U rastvoru sa vodom, ugljik dioksid stvara ugljičnu kiselinu (H₂CO₃), a koja disocijacijom gradi hidrogenkarbonatne ione (HCO₃^-), karbonatne ione (CO₃^2-) i vodikove ione (H⁺) (preciznije oksonij-ione H₃O⁺). Iz ovih razloga koncentracija iona vodika je bila visoka, pa je pH vrijednost također bila vrlo niska.

Karbonatni ioni sa određenim kationima, naročito sa ionima kalcija grade teško rastvorljive karbonate, koji se talože. Zbog niske pH vrijednosti koncentracija karbonatnih iona je bila vrlo niska, te se kalcij karbonat nije taložio. Postepeno je pH vrijednost rasla kako se povećavala potrošnja ugljik dioksida za izgradnju biomase kao i za rast živih bića, te se stoga rasla i koncentracija karbonatnih iona koja je postepeno uzrokovala i taloženje karbonata. Sve ovo je vodilo do nastajanja znatnih naslaga na dnu okeana. Jedini gas na koji ove promjene nisu uticale bio je inertni dušik. On se vremenom nakupljao te je prije oko 3,4 milijarde godina završio razvoj druge Zemljine atmosfere. Pretpostavlja se da je ona kao osnovni sastojak imala dušik a sadržavala je i neznatne količine vodene pare, ugljik dioksida i argona.