2. KAKO SE NAŠA ATMOSFERA MENJALA?
2.2. Tragom promena u atmosferi
|
U prethodnom poglavlju opisali smo promene u atmosferi od samog njenog pojavljivanja na Zemlji. Ali, kako znamo da se atmosfera Zemlje menjala? Slede kratki opisi dokaza. |
|
Zašto naučnici misle da je primarna atmosfera Zemlje bila od vodonika i helijuma? |
||||||||||||||||||||
|
Vodonik i helijum su najzastupljeniji elementi u Svemiru. Količina vodonika i helijuma u sadašnjoj atmosferi Zemlje je mala u poređenju sa drugim mestima u kosmosu (pogledajte tabelu). |
|
|||||||||||||||||||
|
Da li postoje dokazi za postojanje primarne atmosfere? |
|
|
Ima veoma malo dokaza o primarnoj atmosferi Zemlje, te o tome da je bila sastavljena od vodonika i helijuma. Jedan od dokaza su informacije koje dobijamo iz svemira, iz analize atmosfera najudaljenijih planeta. Naime, sastav atmosfere planete može dati dragocene podatke o tome kako se planeta formirala. |
 Hubble ESA/Wikimedia Commons (CC BY 2.0) |
Podaci iz analize atmosfere daleke planete HAT-P-26b* (2017. godine), dobijeni uz pomoć dva moćna svemirska teleskopa (Habble i Spitzer), pokazuju da je ona bogata vodonikom i helijumom. Naučnici su sigurni da prvobitna atmosfera nije sadržavala kiseonik (O2). Stoga nije bilo uslova da se formira ozon (O3), pa ni ozonski sloj. *Planeta HAT-P-26b udaljena je oko 437 svetlosnih godina od Zemlje i kruži oko zvezde koja je otprilike dvostruko starija od Sunca. Njena atmosfera se gotovo u potpunosti sastoji od vodonika i helijuma. |
|
Informacije sa neba! Kako? Svemirski teleskopi poput Habla (Hubble) mogu da otkriju čitav niz elekromagnetnog zračenja kao što je infracrveno, UV, vidljivo i dr. Koje su neke koristi od toga? Ovo omogućava da odredimo temperaturu, hemijski sastav, geologiju i atmosferske gasove drugih planeta i zvezda. Sem toga mogu da se lociraju supernove, pulsari, neutronske zvezda i crne rupe, a i omogućava nam nova saznanja i bolje razumevanje istorije Zemlje. Zašto baš svemirski teleskop? Svemirski teleskopi su lansirani visoko u nebo da bi se izbegla apsorcija elektromagnetnog zračenja od strane molekula u atmosferi Zemlje. |
 NASA/JPL-Caltech/Wikimedia Commons (Public Domain) |
Svemirski teleskop Spicer, lansiran 2003. godine, prestao je da se koristi krajem januara 2020. godine. Interesanto je da je Spicer nastavio da prikuplja podatke, čak i kada mu je nestalo tečnog helijuma potrebnog za rad intrumenata. |
|
Da li postoje dokazi za sekundarnu atmosferu? |
|
|
Da, postoje. Ugljen-dioksid i vodenu paru vulkani oslobađaju i danas. To znači da su ovi gasovi verovatno ulazili u sastav sekundarne atmosfere, zajedno sa drugim vulkanskim gasovima. Pored toga, u stenama je „zapisan“ i sastav atmosfere! Iz analize starih stena može da se utvrditi prisustvo slobodnog kiseonika u atmosferi. Kako? Poznato je da je gvožđe ekstremno reaktivno sa kiseonikom. Primer takvih promena je rđanje (spora oksidacija). Otud gvožđe sulfid (FeS) može da postoji samo u stenama koje su se formirale pre pojave kiseonika u njenoj atmosferi. Stene koje sadrže kiseonik mogle su se formirati samo kada je bilo kiseonika u atmosferi. Određivanjem sastava i starosti stena datiranjem i može se saznati o promenama atmosfere. |
 Geomartin/Wikimedia Commons (CC BY-SA 3.0) |
U sedimentnim stenama starijim od 2 milijarde godina pronađeni su dobro očuvani minerali (uraninit* i pirit) u svom izvornom neoksidovanom stanju. Ovo ukazuje na činjenicu da nema kiseonika u atmosferi da ih oksiduje. Za ove minerale je poznato da se lako oksiduju u prisustvu kiseonika. *Mineral uranita (UQ2) obično se nalazi u magmatskim stenama, nastalim duboko u Zemlji. Može postojati samo u odsustvu kiseonika. Kada se nađe u atmosferi bogatoj kiseonikom menja svoju hemijsku formulu (U3O8), a i način ponašanja tako da postaje rastvorljiv u vodi. **Kada nije bilo slobodnog kiseonika u vodi i atmosferi, gvožđe je bilo stabilno (FeS2 ) i to u obliku koji nije bio rastvorljiv u vodi. |
|
O0+2e–→O2- Fe0→Fe2++2e– Jon Fe2+ može da se rastvori u morskoj vodi. Fe2+→Fe3++e– Jon Fe2+ kada dođe u kontakt sa kiseonikom odmah reaguje i oksiduje se.
|
Spomenuli smo oksidaciju, ali šta je to? Većina atoma teži da u najudaljenijoj ljusci ima osam valentnih elektrona. Zbog toga gube (oksidacija) ili dobijaju elektrone (redukcija). Hemijski procesi oksidacije i redukcije nisu vezani samo za atome, već i za molekule i jone. Oksidacija je gubitak elektrona tokom reakcije atoma, molekula ili jona. Suprotan proces oksidaciji je redukcija. Ona se javlja kada atom, molekul ili jon dobijaju jedan ili više elektrona. Atom kiseonika koji ima 6 valetnih elektrona u svom neutralnom stanju teži da dobije još dva elektona i postaje naelektrisan (redukovan). Ono što nas ovde zanima je oksidacija atoma gvožđa. Neutralni atom gvožđa može postati stabilniji gubljenjem elektrona, čime postaje naelektrisan (pozitivno). |
 Woudloper/Wikimedia Commons (CC BY-SA 1.0) |
U ranim okeanima se nalazi visok nivo rastvorenog gvožđa, a u atmosferi nema kiseonika. Odakle potiče rastvoreno gvožđe? Gvožđe postoji u zemljinoj kori u obliku različitih minerala, te erozijom i drugim procesima dospeva u okean, kao jon Fe2+. U atmosferi nije bilo kiseonika da ga oksidiše. Rastvoreno gvožđe u vodi i u odsustvu kiseonika ostaje u okeanima. Izvor gvožđa su i hidrotermalni izvori. |
| Šta se dogodilo sa pojavom kiseonika?
Kada su prvi organizmi počeli da oslobađaju kiseonik u vodu (produkt fotosinteze), rastvoreno gvožđe je reagovalo sa kiseonikom (oksidovalo se) i tako je došlo do formiranja oksida gvožđa. Oksidi gvožđa se talože na morskom dnu, čime nastaju BIF stene („Banded Iron Formations“). |
|
 Jarek Tuszyński/ Wikipedia Commons (CC BY-SA 3.0 & GDLF) |
Posle 2 milijarde godina udeo kiseonika u okeanima raste, dostiže stalni nivo kada morska voda ne može više da zadrži rastvoreno gvožđe i tada prestaje formiranje naslaga vezanog gvožđa. U atmosferi udeo kiseonika raste i počinje oksidacija gvozdenih minerala na kontinentu – stvaraju se crvene stene na Zemlji („red beds“). Crvenu boju ovim stenama daje mineral hematit, koji nastaje potpunom oksidacijom gvozdenih minerala. Zašto su značajne crvene stene? One su geološki zapis i predstavljaju dokaz o prvom značajnijem prisustvu kiseonika u atmosferi Zemlje. |
 Magnetit (Fe3O4) — siva boja James St. John/Wikimedia Commons (CC BY 2.0) |
To su trakaste gvozdene formacije, sastavljene od silikata (SiO2) i oksida gvožđa: magnetita (Fe3O4, sive boje) ili hematita (Fe2O3, crvene boje). One su se formirale u delovima okeana sa visokim sadržajem rastvorenog gvožđa, kada je ono došlo u kontakt sa vodom, koja je sadržavala veću količinu kiseonika. Procenjuje se da je ukupan iznos kiseonika, „zarobljenog“ u ovim stenama, oko dvadeset puta veći od zapremine kiseonika koji se danas nalazi u atmosferi. |
|
Da li se BIF stene formiraju i danas? Ovakve stene su nastajale u periodu 1.8—2.8 milijardi godina i danas se više ne formiraju. One su prestale da se formiraju kada su se sve zalihe gvožđa u okeanima potrošile. To pokazuje da su uslovi u drevnim okeanima, gde su se formirale BIF stene, bili sasvim drugačiji nego danas. Razlog zbog koga se BIF stene danas ne formiraju je to što gvožđe koje ulazi u okeane odmah nailazi na kiseonik i taloži se kao oksid gvožđa. Rezultat toga je da su koncentracije gvožđa u današnjim okeanima izuzetno niske. |
|
Zašto su BIF stene tako značajne? BIF stene su odličan pokazatelj rane istorije Zemljine životne sredine! Sem toga, one su i glavni izvor gvožđa na Zemlji! |
|
Više o tome kako su se formirale BIF stene: |
|
Šta možemo saznati iz gornje slike? Krenimo redom. |
|
 |
U atmosferi Zemlje, pre oko 3.5 milijardi godina, u životnoj sredini gotovo da nema slobodnog kiseonika. Kiseonik je „zarobljen“ sa vodonikom u vodi ili u stenama. U okeanima se nalaze velike količine rastvorenog dvovaletnog gvožđa. |
 |
Kako to da danas ipak postoji slobodan kiseonik u atmosferi Zemlje? Sve je počelo pre oko 3.5 milijardi godina. Za to su „krivi“ sićušni organizmi, fotosintetičke alge (cijanobakterije), koje su se pojavile u okeanima. One su započele fotosintezu, proces u kome dolazi do oslobađanja kiseonika (O2). Ali iako ga u okeanima ima dovoljno, kiseonik ne dospeva u atmosferu! Zašto kiseonik ne stiže do atmosfere? U tome ga sprečava rastvoreno gvožđe u okeanima. Oslobođen kiseonik se odmah vezuje sa rastvorenim gvožđem dajući nerastvorljiv oksid gvožđa (Fe2O3). Fe2O3 se taloži, formirajući tanak sloj na dnu okeana. Iz takvih slojeva tokom više miliona godina nastaju BIF stene. Kiseonik se takođe apsorbuje u okeanima, kao i u stenama na dnu okeana. Odakle potiču različiti slojevi u BIF stenama? Smatra se da su trake različitih boja rezultat cikličnih varijacija raspoloživog kiseonika u okeanima. |
 |
Šta je sa atmosferom, kada će ona početi da se „puni“ kiseonikom? Tek kada je svo gvožđe dospelo na dno okeana, okeani postaju zasićeni kiseonikom i kiseonik počinje da napušta okean i odlazi u atmosferu. Ovaj proces počinje pre oko 2.5 milijarde godina. |
|
Šta se događa sa kiseonikom u atmosferi? |
|
Većina kiseonika se apsorbuje na tlu i u stenama (crvene stene). Kada su rezervoari gvožđa u okeanima potrošeni (pre oko 1 milijarde godina), kiseonik počinje da „gradi“ atmosferu. Sa porastom broja fotosintetičkih bakterija i pojavom prvih biljaka na Zemlji povećava se akumulacija kiseonika u atmosferi da bi dostigla nivo kiseonika koji imamo danas, a to je oko 21%. |
|
Kada je udeo kiseonika u atmosferi sličan današnjem? |
|
Pre oko 500 miliona godina količina kiseonika u atmosferi dostiže današnji nivo. Poslednjih 200 miliona godina sastav atmosfere je bio sličan današnjem. Međutim, čovek svojim aktivnostima utiče na njenu promenu (krčenje šuma, sagorevanje fosilnih goriva). |
|
Evolucija i kiseonik: |
|
Da li se sastav atmosfere i danas menja? |
|
 Da li želite da živite u ovakvoj atmosferi? |
Nažalost, odgovor je pozitivan. Čovek svojim aktivnostima utiče na promenu sastava atmosfere. Sečenje šuma, sagorevanje fosilnih goriva, ispuštanje zagađivača u atmosferu samo su neke od ljudskih aktivnosti koje uzrokuju promene u sastavu atmosfere. Ljudski uticaj na Zemljinu atmosferu je veliki problem koji bi mogao da ugrozi planetu. |
|
Šta je sa ozonom? Kada se stvara ozonski omotač? |
|
 Prilagođeno od G. Fabbrocini at all. (CC BY-SA 3.0) |
Tek kada je atmosfera postala bogata kiseonikom, dolazi do stvaranja tankog ozonskog omotača. To je bilo pre oko 600 miliona godina. Formiran ozonski omotač je mogao da zaštiti život od štetnog UV zračenja (UVC i UVB zračenja). Kako nastaje ozon? Ultraljubičasto zračenje Sunca razbija molekule kiseonika (O2), pri čemu se dobijaju dva atoma kiseonika (O). Neki od ovih atoma se prilikom sudara vezuju sa molekulom kiseonika stvarajući ozon (O3). |
|
Kako se smanjivala količina ugljen-dioksida u Zemljinoj atmosferi? |
|
 Steven Earle after E. Nisbet, C. Fowler, (CC BY 4.0) |
Pogledajte grafik koji ilustruje smanjivanje udela ugljen-dioksida u atmosferi. Pre nego što je počela fotosinteza, u atmosferi je bilo čak dvadeset puta više ugljen-dioksida. |
 Prilagođeno od Wikipedia Commons (CC BY-SA 3.0) Šta je jedinica ppm na grafiku? Pogledajte u poglavlju 2.4. |
U kakvoj su atmosferi živeli dinosauri? Kada su Zemljom hodali dinosauri (pre 250 — 65 miliona godina), poznavali su svet sa pet puta više ugljen-dioksida (CO2) nego što ga ima danas u atmosferi (manje od 1%). Krajem ere dinosaura na Zemlji udeo ugljen-dioksida opada zbog smanjene aktivnosti vulkana. Okeani takođe apsorbuju ugljen-dioksid, koji se pretvara u karbonatne stene. |
|
Zbog čega se smanjivao udeo ugljen-dioksida u atmosferi tokom Zemljine istorije? Nekoliko je razloga zbog čega je došlo do smanjenja količine ugljen-dioksida u atmosferi: Okeani konstantno apsorbuju ugljen-dioksid, koji se kombinuje sa vodom u ugljenu kiselinu (H2CO3), a to dalje sa kalcijumom, nakon čega se u okeanima formiraju karbonatne stene. To je u velikoj meri doprinelo smanjivanju nivoa ugljen-dioksida u atmosferi. Skoro da je i nestao iz atmosfere pre oko 325 milona godina (pogledajte grafik). Nakon toga dolazi do značajnog povećanja ugljen-dioksida. Zašto, šta je uzrok? Verovatno su vulkanske aktivnosti „ubacile“ nove količine ugljen-dioksida u atmosferu. Pojava fotosintetičkih bakterija (cijanobakterija) pre oko 3.5 miliona godina (koje procesom fotosinteze pretvaraju ugljen-dioksid u biomasu, a oslobađaju kiseonik) doprinela je smanjenju ugljen-dioksida u atmosferi. Tokom vremena, na Zemlji se pojavljuje sve više biljaka, te se iz atmosfere Zemlje uklanja sve više i više ugljen-dioksida. Nakon uginuća biljaka prirodnim procesima tokom stotina miliona godina formirala su se fosilna goriva. Tako je ugljen-dioksid ostao zarobljen u njima. Sve ovo dovodi do smanjenja udela ugljen-dioksida u atmosferi. Smanjivanjem količine ugljen-dioksida smanjivao se i efekt staklene bašte. Ne treba zaboraviti činjenicu da je prisustvo ugljen-dioksida u atmosferi neophodno za odvijanje procesa fotosinteze. |
|
Da li postoje putevi kojima se „zarobljen“ ugljen-dioksid ponovo vraća u atmosferu? Nažalost takvi putevi postoje. Spaljivanjem fosilnih goriva (ugalj, nafta, gas) oslobađa se ugljen-dioksid u atmosferu. Dobro, znamo da okeani apsorbuju ugljen-dioksid, pa će taj višak oni i apsorbovati! Sve bi to bilo dobro da ti procesi ne traju više od stotinu godina da bi se iz atmosfere sklonila polovina ugljen-dioksida. Tako je rezultat svih ovih procesa neto povećanje udela ugljen-dioksida u atmosferi. |
|
Šta se dešavalo sa drugim vulkanskim gasovima iz sekundarne atmosfere? |
||
|
Sumpor dioksid (SO2) Količina sumpor dioksida u atmosferi smanjuje se padanjem na tlo u obliku kiselih kiša i deponuje se u tlo u obliku sulfata (jedinjenja koja u sebi sadrže jon SO42-). |
||
|
Vodena para (H2O) Kako se Zemlja hladila, vodena para u vazduhu se kondenzovala u tečnost i padajući na tlo (kiša) formirala okeane. |
||
|
Amonijak (NH3) Pod uticajem sunčevog zračenja amonijak (NH3) se raspadao na vodonik (H2) i azot (N2). Kako je vodonik lak, to je većina nastalog vodonika „nestala“ u svemiru, dok azot ostaje u atmosferi. |
|
Kako je azot postao glavna komponenta današnje atmosfere? |
||
|
Drevna atmosfera sadržavala je veoma malo azota, dominirali su ugljen-dioksid, vodena para, amonijak itd. U vulkanskim gasovima je azot slabo zastupljen (manje od 1%). Ali se azot „izborio“ da je danas dominantan u sastavu atmosfere, te ga ima čak 78%. Azot teži da ostane u obliku gasa u prisustvu drugih molekula, što znači da je hemijski slabo aktivan. Stabilan je gas i na delovanje sunčevog zračenja. Zahvaljujući ovim osobinama azot se akumulirao u atmosferi, sve dok nije postao najzastupljeniji gas. |
|
Atmosfera u budućnosti? |
||
|
Ako budemo činili napore da sačuvamo našu atmosferu, verovatno neće biti drastičnih promena u njenom sastavu. Barem ne onih promena koje su posledice uticaja čoveka. Mnogo toga zavisi od nas i našeg odnosa prema životnoj sredini. |
