Розвиток клімату на планетах земної групи
ВЕНЕРА, ЗЕМЛЯ І МАРС на ранніх етапах своєї історії могли мати досить помірний клімат, щоб на їх поверхні протягом довгого часу існувала «життєдайного» вода в рідкому стані. Особливості обміну вуглекислим газом між атмосферою і сушею - а не тільки відстань від планети до Сонця - пояснюють, чому Венера втратила своєї води, Марс замерз, а Земля залишилася придатною для життя.
Зміст
Земля з її придатною для життя середньою температурою +15 ° С утворилася на відповідній відстані від Сонця, а Марс (-60 ° С) і Венера (+460 ° С) - ні-в результаті тільки на поверхні Землі є необхідна для життя вода в рідкому стані.
Однак особливості походження «земних» планет не пояснюють повністю їх клімату. Ми припускаємо, що три «сусідки» були колись у багатьох відношеннях схожі. Вони складалися з однакових порід, мали атмосфери з приблизно однаковим газовим складом (містять вуглекислий газ і водяну пару) і були досить масивними, щоб утримувати воду. Принципово різний клімат виник на них в основному через відмінності в круговороті діоксиду вуглецю, або вуглекислого газу (СО2), - обміні їм між корою планети і атмосферою. Вуглекислий газ пропускає сонячне світло, але поглинає інфрачервоне випромінювання (тепло) планети і перевипромінює частина цього тепла назад до її поверхні.
Коли поверхня планети остигає, кількість вуглекислого газу в атмосфері збільшується, коли ж температура поверхні зростає, його кількість зменшується. Марс зараз «заморожений», оскільки він втратив здатність повертати газ в атмосферу, а на Венері - пекло, оскільки там, навпаки, відсутній механізм виведення вуглекислого газу з атмосфери. (Меркурій не має атмосфери- температура його поверхні повністю залежить від випромінювання Сонця.)
Парадокс тьмяного молодого Сонця. Під час утворення Сонячної системи (близько 4,6 млрд. Років тому) випромінювання Сонця було на 25-30% слабкіше, ніж зараз. Однак потім інтенсивність його випромінювання стала приблизно лінійно збільшуватися з часом.
Парадокс виникає, як встановили в 1970-і рр. К. Саган та Дж. Муллен з Корнельського університету, в силу того, що, якщо первинна атмосфера Землі була такою ж, як і зараз, Земля, «обігрівається» слабким випромінюванням Сонця, повинна була знаходитися в «замороженому» стані до 2 млрд. років назад. Однак насправді планета була обмерзлій. Дані, отримані при вивченні осадових порід, показують, що 3,8 млрд. Років тому - в епоху, якої датуються найдавніші геологічні дані, - на Землі вже були океани. Крім того, існування на Землі протягом останніх 3,5 млрд років життя доводить, що земна поверхня ніколи не замерзала цілком. Саган та Муллен зрозуміли, що парадокс зникає, якщо припустити, що земна атмосфера з часом змінювалася. Наприклад, якби на юної планеті хмар було менше, ніж зараз, то менше сонячного світла, що падає на Землю, відбивалося б тому в космос і планета була б відносно тепліше.
Вуглекислого газу на Землі в надлишку: його запасів, зосереджених в карбонатних осадових породах, досить для створення атмосферного тиску в 60 бар: (В сучасній атмосфері вуглекислий газ створює тиск 0,0003 бар.). Припущення про те, що підвищений рівень вмісту СО2 міг би захистити ранню Землю від замерзання, незабаром привів до наступної ідеї: зниження вмісту СO2 зі швидкістю, в точності компенсує зростання світності Сонця, пояснило б той факт, що температура на Землі змінювалася незначно. Якщо вміст СО2 зменшувалося занадто повільно, Земля перетворювалася в пекло, якщо занадто швидко - океани замерзали.
Відео: Це цікаво 695: Що таке планети земної групи
Тільки перебуваючи у відносно вузькому поясі орбіт - між 0,95 і 1,01 а. е., - Земля може уникнути і тієї й іншої кліматичної катастрофи (1 астрономічна одиниця дорівнює середній відстані між Сонцем і Землею - 149,6 млн км). Харт назвав цю вузьку смугу орбіт «безперервно населеної зоною» (НСЗ).
Карбонатних-СИЛІКАТНИЙ геохімічний цикл має тривалість близько 500 тис. Років. В ході цього циклу СО2 вимивається з атмосфери, накопичується в карбонатних породах, а потім знову повертається в повітря. Освіта карбонатів пов`язано з тим, що СО2 розчиняється в дощовій воді і вступає в реакцію з породами, що складаються з кальцієво-силікатних мінералів (з`єднань кальцію, кремнію і кисню). В результаті таких реакцій утворюються іони кальцію і бікарбонату (Са2+ і НСО3-) - вони змиваються в струмки і ріки і в кінці кінців потрапляють в океани. В океанах планктон і інші організми поглинають ці іони, що йдуть на будівництво раковин, що складаються з карбонату кальцію (СаСО3) - залишки організмів падають на дно океану і формують осадові породи. Дно океану повільно розширюється і підсувається під континенти (цей процес називається субдукцией). Осадові породи опускаються в надра планети, де під впливом високих температур і тиску виділяють вуглекислий газ, який повертається в атмосферу переважно в ході вулканічної діяльності.
Якщо все океани замерзнуть, дощі практично припиняться і вміст вуглекислого газу в атмосфері почне рости. При сучасній швидкості виділення газу тиск атмосферного СО2 в 1 бар створюється за 20 млн років - геологічно невеликий відрізок часу. Такої кількості вуглекислого газу в атмосфері вистачить на те, щоб підняти температуру поверхні Землі приблизно до + 50 ° С, а це більш ніж достатньо, для того щоб розтанули льодовики і відновилися нормальні кліматичні умови.Роль біоти. Біота несе головну відповідальність за зміни клімату Землі. Дж. Лавлок і Л. Маргуліс-прихильники концепції, гіпотези Геї. Зменшення вмісту СО2 в атмосфері протягом всієї геологічної історії Землі було прямим наслідком біологічної «втручання».
Вуглекислий газ, який не бере участі в карбонатно-силикатном циклі (близько 20%), поглинається фотосінтезіруюшімі рослинами. Коли рослини вмирають, що входить до їх складу вуглець відкладається в осадових породах. В процесі горотворення осадові породи піднімаються і вуглець, що міститься в них, отримує можливість вступати в реакцію з атмосферним киснем в дощовій воді з утворенням вуглекислого газу. Ознайомитися з програмою , ви зможете на сайті pattaya24.ru. На даному ресурсі ви знайдете безліч корисної інформації для проживання в Паттайя, різні відгуки з фотографіями, огляди і найсвіжіші новини в Паттаї.
Живі організми впливають також і на карбонатно-силікатний цикл. При гнитті рослин (окисленні) в грунті накопичується СО2. В результаті в наш час концентрація СО2 в типових грунтах, можливо, більше, ніж вона була до появи судинних рослин близько 400 млн. років тому. Таке підвищення концентрації СО2 прискорює перетворення силікатних мінералів в карбонатні осадові породи.
На рівень вмісту СО2 в атмосфері більший вплив надають фізичні, а не біологічні процеси.
Зміна кількості вологи в атмосфері не компенсує зміна поверхневої температури, а скоріше підсилює його: вміст вологи в атмосфері збільшується, коли температура поверхні зростає, і зменшується, коли температура поверхні падає. Отже, якщо ми хочемо пояснити той факт, що, незважаючи на збільшення світності Сонця, температура земної поверхні в минулому не росла неухильно, а залишалася в допустимих для існування життя межах, ми повинні спиратися на припущення, що основну роль в цьому відігравало зміна вмісту вуглекислого газу в атмосфері.
Недоліки буферного механізму на Марсі. У сучасній атмосфері Марса вуглекислий газ створює тиск лише в 0006 бар і забезпечує парниковий ефект з величиною всього 6 ° С. Поверхня Марса порізана безліччю каналів, більшість з яких, можливо, було створено потоками води. Швидкість ерозії на планеті протягом першого мільярда років її історії була також вище, ніж зараз. Цей факт зайвий раз свідчить на користь припущення, що колись Марс був досить теплим для того, щоб на його поверхні вода залишалася рідкою.
Геологи не знають, наскільки гарячим був Марс, але його поверхня могла б нагріватися завдяки парниковому ефекту щільної атмосфери, що складається з вуглекислого газу.
Ми вважаємо, що Марс мав достатні запаси СО2, але охолов, оскільки там ослаб круговорот СО2. Система кругообігу, можливо, виводила СО2 з атмосфери завдяки тим же процесам ерозії, що і на Землі. Однак механізм, який повертав газ в навколишнє середовище, міг бути суттєво іншим, оскільки на такій маленькій планеті, як Марс, ймовірно, була відсутня яскраво виражена тектоніка плит.
Марс, очевидно, охолоджувався не тому, що отримував менше сонячного світла, ніж Земля, а тому, що сам був менше. Зрештою, його надра стали настільки холодними, що втратили здатність вивільняти вуглекислий газ з карбонатних порід. весь СО2, вимиваються з атмосфери, залишався ув`язненим в грунті.
Зараз в корі Марса знаходиться досить велика маса карбонатних порід. Однак до сих пір ведуться з Землі спектроскопічні вимірювання не виявили такі породи. Дж. Гудінг з НАСА недавно знайшов малі кількості карбонату кальцію в метеоритах, що представляють собою фрагменти породи імовірно марсіанського походження.
Як висохла Венера. Дж. Льюїс припустив, що Венера ніколи не мала багато води, оскільки та частина туманності, де сформувалася Венера, була дуже гарячою для освіти гідратованих мінералів. Серйозний недолік цієї теорії полягає в тому, що в ній не враховується роль гравітації.
Альтернативна теорія еволюції венеріанського клімату свідчить, що спочатку Венера мала достатньо води, але втратила її, коли ця жизнетворного субстанція знайшла шлях до верхніх шарів атмосфери. Там під дією сонячного світла молекули води розпадаються і звільняються атоми водню випаровуються в космос.
Класичне пояснення - теорія розгониться парникового ефекту - припускає, що на поверхні Венери води ніколи не було. Концепція розгониться парникового ефекту була запропонована в 1955 р Ф. Хойл, але багато деталей були розроблені в кінці 1960-х років Е. Інгерсолл і Дж. Поллаком. На думку цих дослідників, вода на поверхні не може залишатися рідкою, якщо потік сонячного світла, що падає на планету, перевищує деяку критичну величину. Якщо на орбіті Венери цей потік мав закритичних величину з самого початку, то вся вода, яка вивільнялася з надр планети, повинна була відразу випаровуватися.
Відео: Марс - червона планета земної групи. Сусід Землі в Сонячній системі. Четверта планета від Сонця
У сучасній земній атмосфері холодна пастка знаходиться на набагато менших висотах (між 9 і 17 км) - поблизу кордону тропосфери і стратосфери. Коли водяна пара з нижніх шарів піднімається до холодної пастці, він майже весь встигає сконденсіроваться- в результаті наша стратосфера виявляється виключно сухий і в космос вислизає мало водню.
Вологий парник виникає тоді, коли потік сонячного випромінювання, що проходить крізь атмосферу, вільну від хмар, по крайней мере, в 1,1 рази більше кількості світла, що падає на Землю. На наш погляд, для пояснення того, чому сьогодні Венера практично не має рідкої води, теорія вологого парника підходить більше, ніж теорія розгониться парникового ефекту.
Після зникнення океанів припинилося формування карбонатів і вуглекислий газ почав накопичуватися в атмосфері. В результаті тиск в 93 бар в сучасній атмосфері планети забезпечується в основному вуглекислим газом. Газоподібні сполуки сірки, які спочатку були рідкісні, оскільки вони легко розчиняються у воді, також накопичувалися і утворювали хмари з крапельок сірчаної кислоти, які зараз є однією з відмінних рис Венери.
Саме вуглекислий газ, а не відстань від Венери до Сонця визначає сьогоднішню високу температуру її поверхні. До Венері приходить в 1,9 раз більше сонячної радіації, ніж до Землі, але її кислотні хмари відбивають близько 80% сонячного світла, так що поглинає сонячної енергії Венера значно менше, ніж Земля. За відсутності парникового ефекту Венера була б холодніше Землі і лише ненабагато тепліше Марса.
Відео: Лекція 1 Основи авіабудування. Частина 3 Атмосфера Землі і планет земної групи
Безперервно жила зона. Світність Сонця постійно зростає (на 1% кожні 100 млн років). Отже, приблизно через мільярд років на Землі можуть виникнути умови, що загрожують збереженню води на планеті. Ця небезпека може бути відстрочена на деякий час завдяки зменшенню кількості атмосферного вуглекислого газу, зумовленого карбонатно-силікатних циклом. Однак таке зменшення може стати згубним для біоти, оскільки багато рослин не в змозі здійснювати фотосинтез, якщо отримують значно менше вуглекислого газу, ніж зараз. зміст СО2 в атмосфері постійно зростає в результаті спалювання викопного палива. Після короткого періоду потепління вміст вуглекислого газу знову почне падати.
БЕЗУПИННО жила зона - область в космосі, де теоретично на планетах може підтримуватися клімат земного типу, причому досить довго для процвітання життя. Згідно з новітніми розрахунками, її зовнішній кордон може лежати за орбітою Марса на відстанях понад 1,5 а. е. від Сонця.
