Atmoszféra és hidroszféra

Atmoszféra és hidroszféra

Atmoszféra Composition of Nebula Faure 1998

A Föld atmoszférájának kialakulása és összetétele: Föld csillagászati adottságai (Naptól való távolság, méret), geológiai folyamatok (elsődleges, másodlagos differenciáció - szilárd és likvid), és bioszféra aktivitása alapvető szerepet játszottak. Nyomás a Földhöz képest a Vénuszon ~100x-os, a Marson pedig ~1/200-a. oka: a bolygók hőmérséklete és tömege. Összetételi különbség (ma): Föld légkörében ~21% O 2, alig 0.04% CO 2, Vénuszon és Marson oxigén csak nyomokban, Vénusz: 96% CO 2, 3% N 2, 1% (SO 2, Ar, H 2 O, O 2, CO, H 2 S, H 2 SO 4, HCl, HF, ózon) Mars: 95% CO 2, 3% N 2, 1.5% Ar, 0,5% (O 2, CO, H 2 O, NO x, ózon), A földi légkör sajátossága: CO 2 nyomás 1000x kisebb, míg az O 2 nyomás ~1000x nagyobb, mint a Föld Naprendszeren belül elfoglalt helyzete és tömege alapján a szomszédos bolygók értékeiből interpolálva az várható lenne. További földi jellegzetesség: nagy N tartalom. A Föld fizikai és geokémiai adottságai alapján (T, oxigénnyomás, tengervíz ph) stabil állapotú N csak az óceánvízben oldott nitrát-ion formájában fordulhatna elő. A földi légkör vegyi összetétele így ellentmond a kémiai egyensúlyi szabályoknak.

First Atmosphere (Hadaikum) Composition - H 2, He relatively rare on Earth compared to other places in the universe probably lost to space early in Earth's history due to Earth's gravity is not strong enough to hold lighter gases Earth still did not have a differentiated core (solid inner/liquid outer core) which creates Earth's magnetic field (magnetosphere=van Allen Belt) which deflects solar winds. Once the core differentiated the heavier gases could be retained.

Második atmoszféra (archaikum, proterozoikum) The Earth melted and formed magma ocean, and it degassed volatiles from its interior through the hot and molten surface. CO 2, N 2, NH 3, CH 4 CO, H 2 S and H 2 O vapor were the principal gases that accumulated above the hot surface. H 2 O vapor could have condensed to liquid but did not build up into an extensive early ocean, being more likely to revaporize as impacts continued. A dominant outlet was by volcanic vents, some being released into any H 2 O bodies, similar to the modern "black smokers" in today's oceans. This atmosphere was very different from what we breathe today; reducing atmosphere of methane, ammonia, and other gases which would be toxic to most life on our planet today. Produced by outgassing of the initial atmosphere and formation of the oceans - partial melting and differentiation of the Earth would have also allowed the release of gaseous compounds formed and trapped in the interior. (A mai atmoszféra <1% kéreg (köpeny) kigázosodást tartalmaz.) The Earth's atmosphere for at least the first two billion years was very oxygen-poor and hence reducing. In time, N 2 became the dominant constituent of the atmospheric envelope that extended as a thick shell around the solid Earth. Methane, ammonia and carbon dioxide persisted for some time. The carbon dioxide was utilized in part by organisms that developed photosynthesis capability.

H 2, He

Perhaps the Earth acquired some of its H 2 O from comets colliding with the Earth and melting in the upper atmosphere some astronomers have argued that as many as 15 million small comets (house-sized and smaller) might be adding water to the atmosphere every year controversial and concrete evidence for the existence of these comets has not yet been found. The Earth s ancient atmosphere was probably highly enriched in CO 2 - perhaps as much as 100 times the present amount. This may have been an important way the early Earth surface was warmed since astronomers theorize that the young Sun was only 80 % as bright as it is today, which would cause glacial conditions across the globe under our present atmosphere. Very little oxygen in the early atmosphere. Atmospheric oxygen appears to be primarily a product of photodissitiation od H 2 O vapor and photosynthesis produced by later evolving cyanobacteria and eventually plants.

Conditions on Early Earth Oldest existing earth materials: 4.1 billion years old Oldest rocks: 3.9 billion years old Oxygen-poor atmosphere (present oxygen is created by life) Faint Early Sun: perhaps 30 per cent less bright Evidence for liquid water from very early on Atmosphere and sun must have evolved in tandem Carbonate-Silicate Cycle: life not essential but liquid water is.

Az oxigén megjelenése Oxigén két forrása: - UV sugárzás hatására a víz fotodisszociációjából a H a világűrbe szökik, az O egy részéből ózon lesz - a növényzet kialakulása után a fotoszintézis során Urey-szint = 0,1% PAL; az ózonréteg miatt a fotodisszociáció leáll; 2,7 3 Md éve, 10-13 m magas vízoszlop alatt kialakul az élet (cianobaktérium); fotoszintézis O keletkezés; szárazföldi üledékek oxidációja (1,8 2 Md éves vörös üledékek); óceánban Fe 2+ oxidációja (sávos Fe-érc) Pasteur-szint = 1% PAL; a primitív szervezetek áttérnek a fermentációról a légzésre (távlat a biológiai evolúcióban: energia, keringés, emésztés, idegrendszer); 0,6 0,7 Md év (proterozoikum vége); már 30 cm vízréteg elegendő a pusztító UV sugárzás ellen; a tengerekben kialakul a gazdag lágytestű fauna (Ediacara) O-tartalom nő ózonoszféra a szárazföldek fölé is védő ernyőként terül Szárazulati szint = 10% PAL; a szilur végén (420 M év) a halálos UV sugarak elnyelése olyan mértékű, hogy az élővilág kiléphet a szárazföldre; első ismert szárazföldi növénymaradványok Mai szint = 100% PAL; a karbon végére (300 M év); kialakul a Földön a CO 2 O 2 önszabályzó rendszer

Föld kora CO 2 beépülés kezdete üledékbe legősibb sztromatolit sávos Fe formáció (Fe 2+ ) legidősebb vörös sáv sok vörös sáv sok karbonát első jégkorszak globális jégkorszak sok sztromatolit első baktérium, prokarióták első eukarióta?első biogén karbonát? fotoszintézis első fotoszintetizáló baktérium Hadaikum Archaikum Proterozoikum Kémiai evolúció Biológiai evolúció Lemez tektonika első csontvázas első metazoa SZÉN-DIOXID NITROGÉN Geológiai időben a légkör fokozatosan telítődött O-val a CO 2 rovására HIDROGÉN OXIGÉN Millió év Although some information is redundant in this chart which concentrates on Precambrian history, there are other new entries which may add to your understanding of this time span which covers nearly 90% of Earth history.

fermentáció légzés H 2 He N 2 NH 3 CH 4 CO 2 H 2 O N 2 NH 3 CH 4 CO 2 N 2 O 2 CO 2 H 2 O Ar (eltelt idő!!!) 2.8. ábra. Az atmoszféra és a hidroszféra evolúciójának főbb fázisai Papp Kümmel 1992 Papp Kümmel, 1992

Modern atmoszféra: részecske koncentráció kicsi, gerjesztett állapot (Nap), oxidatív Troposzféra: agyagcsere közvetítő (lito-, hidroszféra) +CO, S- és N- vegyületek, CO2 növekedés (természetes és antropogén) lebegő szilárd és folyékony részecskék + nyomelemek: Ne, He, Kr (0,002 tf%) 5. 1. ábra. A modern atmoszféra szerkezete és kémiai összetétele Papp Kümmel, 1992

Modern atmoszféra: N és O számára rezervoár, oxigén (prekamb.-tól) konstans az elmúlt 1 milliárd évben, CO 2, CH 4 növekedés metán-klatrát Ősatmoszférában: NH 3, H 2, H 2 O, CH 4, CO + vulkáni gázok Brownlow, 1996

Degassing A mai atmoszféra <1% kéreg (köpeny) kigázosodást tartalmaz (He) During accretion, large bodies are efficiently degassed on impact (left), yet noble gas measurements suggest that reservoirs within Earth s mantle remain volatile-rich today (left). Possible causes include equilibration between a magma ocean and an early massive atmosphere, or incorporation of undegassed material into the mantle, perhaps from an early stage of accretion. Any model describing the evolution of the mantle must account for why different regions in the mantle preserve distinct geochemical signatures in a dynamic convecting regime. (Ballentine, Science 296, 2002)

Az ősi óceán Water vapor in the secondary atmosphere condensed into clouds. After millions of years, the clouds cooled enough for water droplets to form when T < 100 C. Hot rain fell and boiled back into the clouds. Eventually, the surface cooled enough for water to collect in basins. The early ocean also contained the anions HCO 3-, Cl - and SO 4 2- from the dissolution of atmospheric gases. These acids were neutralized by interactions with crustal material in weathering reactions, leading to the release of Na +,Ca 2+, Mg 2+ and other cations. N 2 has low solubility in water, so it was likely the dominant atmospheric component.

Conditions on Early Earth Oldest existing earth materials: 4.4 billion years old Oldest rocks: 4.0 billion years old Oxygen-poor atmosphere (present oxygen is created by life) Faint Early Sun: perhaps 20-30 per cent less bright Evidence for liquid water from very early on Atmosphere and sun must have evolved in tandem Carbonate-Silicate Cycle: life not essential but liquid water is.

Hidroszféra Faure, 1998

Mivel a folyók alap vízhozamát a felszín alatti vizek adják, ezért fontos megemlíteni a felszín alatti vizek minőségét meghatározó kőzet-víz kölcsönhatás során lejátszódó elsődleges és másodlagos folyamatokat. Az elsődleges folyamatok - úgy mint az oldódás, hidratáció, hidrolízis, savak hatása, redox folyamatok - megváltoztatják a víz kémiai arculatát, oldott anyagban gazdagítják a vizet. A másodlagos folyamatok (kémiai kiválás, ioncsere, szulfát redukció, membránfiltráció, töményedés) pedig módosítják a víz karakterét.

Global water distribution: Water source Water volume, in cubic miles Water volume, in cubic kilometers Percent of freshwater Percent of total water Oceans, Seas, & Bays 321,000,000 1,338,000,000 -- 96.5 Ice caps, Glaciers, & Permanent Snow 5,773,000 24,064,000 68.7 1.74 Groundwater 5,614,000 23,400,000 -- 1.7 Fresh 2,526,000 10,530,000 30.1 0.76 Saline 3,088,000 12,870,000 -- 0.94 Soil Moisture 3,959 16,500 0.05 0.001 Ground Ice & Permafrost 71,970 300,000 0.86 0.022 Lakes 42,320 176,400 -- 0.013 Fresh 21,830 91,000 0.26 0.007 Saline 20,490 85,400 -- 0.006 Atmosphere 3,095 12,900 0.04 0.001 Swamp Water 2,752 11,470 0.03 0.0008 Rivers 509 2,120 0.006 0.0002 Biological Water 269 1,120 0.003 0.0001 Total 332,500,000 1,386,000,000-100 Source: Gleick, P. H., 1996: Water resources. In Encyclopedia of Climate and Weather, ed. by S. H. Schneider, Oxford University Press, New York, vol. 2, pp.817-823.

A Föld nagy folyóinak átlagos kémiai összetétele (mg/l) - domináns ionok: Ca 2+ és HCO 3 - (cc és plag kémiai mállása) -SO 4 2- miért és hol domináns? -Na + > K + ; Ca 2+ > Mg 2+ ; SO 4 2- > Cl - -SiO 2 : 2.4-30.4 mg/l - TDS (teljes oldott anyag total dissolved solid) (mg/l): 33 (Kongó) 881 Rio Grande Felszíni vizek: TDS, mg/l - édesvíz < 1 000 - félsósvíz (brakk) 1 000-10 000 - sósvíz (tenger) 10 000-100 000 - brine > 100 000 discharge Faure, 1998

Viselkedés: mobilitás (a mállás és szállítás során) + uralkodó kémiai kondició (ph) Mo st im mo bile Nonmobile <Na (10-100 times) Moderately mobile <Na (~10 times) Highly mobile >Na <Na (>100 times) crust? Gaillardet et al., 2003

Óceánvíz geokémiája: 70-es évektől, AAS Brownlow, 1996

Elem Csoport Folyóvíz Óceán Gazdagodás Faure, 1998 Folyó- és óceánvíz (mai) átlagos összetétele [mg/g] I. Konzervatív elem, mennyisége az óceánvíz szalinításával függ össze. II. Nem-konzervatív elem, mennyisége a mélységgel vagy az óceán régióival (vagy mindkettővel) változik a biológiai aktivitás következtében. III. Nem-konzervatív elem, mennyisége sem a szalinitástól, sem a mélységtől, sem geográfiai faktortól nem függ. IV. Nem-csoportosított elem, valószínűleg nemkonzervatív. MORT mean oceanic residence time in year Source: Taylor & McLennan (1985) Homogén, de mállás (K, Na, Cl, ), evaporizáció, vulkáni működés, biológiai aktivitás (C, O, N, P), oldott gáz tartózkodási idő: max. 10 8 év, input, output, többszörös körforgás -- ősóceán

Homogén, de mállás (K, Na, Cl, ), evaporizáció, vulkáni működés, biológiai aktivitás (C, O, N, P), oldott gáz tartózkodási idő: 10 2-10 8 év, input, output, többszörös körforgás -- ősóceán Faure, 1998

Nyomelemek: 80-90-es évek: ICP-MS (érzékenység, kimutatás, cc (mikro-femtomol/kg) nyomelemek kutató intézetek, hajók, on-line Antropogén hatás: közlekedés, kontinentális, vertikális nyomelem eloszlás, species: konzervatív (Mo, W, Sb, Re, Cs, Rb) Bruland & Lohan, 2003

Variation in the sea-surface salinity in parts per thousand TDS. From: Brown, J., Colling, A., Park, D., Phillips, J., Rothery, D,. and Wright, J. (1989) Ocean Chemistry and Deep-Sea Sediments. Pergamon Press, Oxford, 134 pp [ISBN 0-08-036374-1]

Ocean acidification is the name given to the ongoing decrease in the ph of the Earth s oceans, caused by their uptake of atmospheric carbon dioxide. Between 1751 and 1994 surface ocean ph is estimated to have decreased from approximately 8.18 to 8.1. PH is a measure of the acidity or basicity of a solution. It approximates but is not equal to concentration of hydrogen ions expressed on a logarithmic scale. A low ph indicates a high concentration of hydrogen ions, while a high ph indicates a low concentration. A strong acid would be less than 1 on this scale. A recent study indicates the relative impact on future ocean acidification of different aspects of global climate change mitigation policies such as the year that global emissions peak.

Using Henry's law and the equilibrium of dissolved CO 2 in water, we can calculate the ph of the water if we know the atmospheric concentration. The oceans are becoming more acidic at a surprisingly rapid rate

Coral Changes Corals are colonial organisms. They excrete calcium carbonate and build up reef structures. Coral reefs harbor 25% of the fish in the ocean and promote great biodiversity. However, since 1980 corals have been reduced by over 30% around the globe. This is due to both increasing ocean temperatures and increased ph. When the aragonite form of CaCO 3 is saturated, conditions are right for a build-up of coral. Increasing acid concentrations reduce the level of CO 3-2 and so lead to a loss of solid calcium carbonate. The figure above shows how the level of carbonate ion has been reduced over time due to increased H + concentration in the oceans.