L; gk; r; k; s; ce; femei

Compoziția chimică a atmosferei Pământului este specială. Când analizăm schimbările climatice, în principal oxigenul și dioxidul de carbon merită atenție. Cum s-au schimbat concentrațiile acestor două gaze de-a lungul a miliarde de ani și ce procese au cauzat aceste schimbări? - întreabă Toby Tyrrell de la Centrul Oceanografic Southampton.

O comparație a atmosferei Pământului și a altor planete arată că atmosfera Pământului este unică în sistemul nostru solar. Cele mai apropiate două planete, Marte și Venus, sunt bogate în dioxid de carbon, dar sărace în oxigen. Pe Pământ vedem opusul, chiar dacă atmosfera celor trei planete a fost probabil similară în compoziție la început. (Tabelul I). Sedimentele dintr-un stadiu incipient din istoria Pământului sugerează că a existat puțin sau deloc oxigen în atmosfera Pământului și în mări în perioada inițială. Se deduce, de asemenea, din sedimente că a existat întotdeauna apă lichidă pe Pământ, în ciuda Soarelui inițial mai rece, datorită atmosferei extrem de izolatoare, cu conținut ridicat de carbon. Altfel, temperatura ar fi fost atât de scăzută încât toate mările ar îngheța. Cum și-a pierdut Pământul pătura izolatoare de carbon și cum a câștigat oxigen?

Tabelul I. Comparând atmosfera planetelor

Gaz	Venus	Pământul (viața înainte de formarea sa)	Marte	Pământul (viața după formarea sa)
CO2 (%)	96,5	98	95	0,003
O2 (%)	0,0	0,0	0,13	21
N2 (%)	3.5	1.9	2.7	79
Presiunea totală (bar)	90	60	0,0064	1.0
Temperatura suprafeței (o C)	460	240–340	–53	13

Cifra de sus: ciclul carbonului organic; figura de mijloc: calciu-
ciclul carbonatului; figura de jos: ciclul silicatului de calciu

Atmosfera perioadei inițiale

Oceanele dizolvă cantități mari de dioxid de carbon. Viața pe Pământ, în special fotosinteza, a extras, de asemenea, cantități uriașe de dioxid de carbon din atmosferă într-o perioadă de timp aproape inimaginabil de lungă și a returnat o mulțime de oxigen.

Majoritatea materiei organice formate în timpul fotosintezei a fost inhalată, „mâncată” sau atacată de bacterii în perioada inițială. Compușii au fost descompuși, dioxidul de carbon a fost eliberat și oxigenul a fost reluat. Pentru ca oxigenul să fie îmbogățit în atmosferă și dioxidul de carbon să înceapă să se epuizeze, o parte din biomasa produsă prin fotosinteză a trebuit să dispară de pe suprafața Pământului.

O mică porțiune din biomasa formată în oceane (inițial fără viață terestră) a fost depusă continuu pe fundul mării și transformată în roci sedimentare marine. (figura de sus). Prin acest proces, cantități uriașe de carbon organic au fost comprimate încet în roci, în timp ce dioxidul de carbon din atmosferă a scăzut încet și concentrațiile de oxigen au crescut. Substanțele organice bogate din biomasă acumulată în roci includ, de exemplu, țiței și cărbune.

Alți doi factori au contribuit la faptul că Pământul își pierde o mare parte din amprenta sa de carbon (răcindu-se) și creând o atmosferă bogată în oxigen. Pe de o parte, rocile din scoarța terestră conțin o cantitate mare de carbon organic (aproximativ 12 · 10 20 moli de C), ceea ce înseamnă că cantitatea de dioxid de carbon este de cca. A scăzut cu 7 bari în timpul erelor geologice și cantități uriașe de oxigen au pătruns în atmosferă. Carbonatul de calciu de origine biologică (cum ar fi calcarul) conține și mai mult carbon (aproximativ 50 · 10 20 moli, adică echivalentul a 28 bari). Cea mai mare parte a acestui carbonat de calciu provine din cojile comprimate ale micilor organisme marine. Cojile care s-au scufundat pe fundul mării de-a lungul mileniilor au extras carbonul din apa de mare printr-un proces numit calcificare. (cifra de mijloc):

Deși ecuația prezice că concentrația de dioxid de carbon în apa de mare - și, de asemenea, în atmosferă prin difuzie - crește datorită precipitării carbonatului de calciu, procesul duce de fapt la o scădere a dioxidului de carbon atmosferic dacă face parte dintr-un ciclu mai mare (figura de jos). Dacă, în timp, cantități mari de roci de tip silicat de calciu au fost transformate în tip de carbonat de calciu, cantități semnificative de dioxid de carbon atmosferic trebuiau să intre în roci.

Pe de altă parte, oxigenul din fotosinteză a oxidat materialele oceanului și pământului (de exemplu, sulf în sulfat și fier în oxid de fier) înainte ca acesta să poată fi îmbogățit în atmosferă. S-a calculat că conținutul actual de oxigen din atmosferă este de numai aprox. patru la sută din oxigenul produs de materialul fotosintetic îngropat în timpul vârstelor geologice.

Cu aproximativ 2,2 miliarde de ani în urmă, rezervele de substanțe oxidabile au fost de fapt epuizate din cauza producției continue de oxigen de către organismele fotosintetice și pentru că o parte din biomasă a pătruns în sedimentul marin fără a fi devorată sau descompusă de bacterii. În acel moment, a început îmbogățirea oxigenului atmosferic și, de-a lungul a milioane de ani, concentrația actuală s-a dezvoltat mai mult sau mai puțin constantă. Deși viața a fost creată inițial fără oxigen liber, dezvoltarea organismelor complexe este legată de oxigenul liber.

Epoci glaciare

Concentrația „normală” (pre-industrială) de dioxid de carbon în atmosfera Pământului este cuprinsă între 200 și 280 părți pe milion (ppm); aproape nesemnificativ la o concentrație de 210.000 ppm oxigen. Bulele de aer prinse în gheață în eșantioane din straturile de gheață din Groenlanda și Antarctica sugerează că fluctuațiile temperaturii solului între perioadele glaciare și perioadele interglaciare și modificările concentrațiilor de dioxid de carbon atmosferic nu sunt independente una de alta. Aceste fluctuații de temperatură sunt cel mai probabil determinate de radiația cosmică care vine pe Pământ, dar magnitudinea schimbării radiației primite nu este suficientă pentru a explica fluctuațiile de temperatură.

Pentru a studia efectele temperaturilor ridicate, trebuie monitorizate și modificările gazelor cu efect de seră, în special dioxidul de carbon. Din păcate, în ciuda deceniilor de cercetări, știm puțin despre aceste gaze, alți factori climatici și cauzele epocii glaciare. Există multe idei, dar nu există un răspuns acceptat în unanimitate. Unii cred că modificările cantității de carbon organic stocat în roci determină cicluri glaciare-interglaciare; adică fotosinteza este crescută în timpul epocii glaciare, eliberând mai mult carbon organic în roci sedimentare, permițând circulației mai puțin carbon în atmosferă și mări. Cu toate acestea, raporturile izotopice 13 C/12 C măsurate în descoperirile sedimentare contrazic această ipoteză.

Cea mai larg acceptată ipoteză, bazată pe calcificare, este că modificările alcalinității mării pot determina concentrațiile atmosferice de dioxid de carbon să fluctueze între 200 ppm (era glaciară) și 280 ppm (perioada interglaciară). Conform ecuației de calcificare, CaCO3 elimină ionii HCO3 - din apă și returnează CO2. Formarea și extracția CaCO3 reduce alcalinitatea („cu două unități”) mai mult decât cantitatea de carbon extrasă din apa de mare („cu o unitate”). Dioxidul de carbon din apă se poate difuza în suprafața mării și de acolo în atmosferă. Dacă alcalinitatea scade, a

CO2 HCO4 2– CO4 2– echilibrul se deplasează spre stânga.

Au existat, de asemenea, o serie de idei despre alcalinitatea oceanului în timpul erei glaciare și reducerea concentrației atmosferice de dioxid de carbon care însoțește procesul, precum și răcirea climatului. Potrivit unuia, „productivitatea” speciilor de Coccolithophorida, care secretă plăci de carbonat de calciu în corpul lor în timpul erei glaciare, a scăzut. Susținătorii ipotezei spun că acest fitoplancton preferă apele mai calde și se înmulțește doar în zone mai mici în timpul epocii glaciare. Astfel, mai puține coji de carbonat de calciu au căzut pe fundul mării, iar mările au devenit mai alcaline. Aceeași linie de raționament poate fi repetată cu recifele de corali iubitoare de apă fierbinte care alcătuiesc carbonatul de calciu. În orice caz, sedimentele marine susțin fluctuațiile de alcalinitate glaciare/interglaciare și formarea de apă de mare mai alcalină în epocile glaciare.

Cu toate acestea, o consecință a ipotezelor duce la o contradicție. Căci dacă mările erau mai alcaline în epoca de gheață, ele erau mai puțin atacate de scufundarea carbonatului de calciu. Deci, mai puțin carbonat de calciu a trebuit să se dizolve și mai mulți au trebuit să depună mai mult, mai ales în apele adânci. Probele prelevate din roci sedimentare nu sugerează acest lucru.

Potrivit unei alte idei, în timpul erei glaciare, mai multe substanțe de origine biologică (carbon organic) s-ar putea așeza și oxida. Pe măsură ce dioxidul de carbon se dezvoltă în timpul oxidării materiei organice, apa acumulată în găurile rocilor sedimentare a ajutat la dizolvarea carbonatului de calciu.

Astăzi, una dintre cele mai mari probleme de mediu este încălzirea globală. Accentul a fost pus pe creșterea concentrației atmosferice de dioxid de carbon, care este probabil cauzată de arderea combustibililor fosili și defrișări. Concentrațiile de dioxid de carbon între 200 și 280 ppm înainte de intervenția umană au crescut rapid din anii 1700 datorită exploatării (extracției cărbunelui, petrolului și gazelor naturale) și arderii rocilor care conțin carbon organic. Astăzi, concentrația de dioxid de carbon atmosferic ajunge la 360 ppm și, în ciuda cooperării internaționale, nu se așteaptă ca creșterea să se oprească în curând.

Fizica, chimia și biologia schimbărilor climatice sunt studiate de mii de cercetători. Unele dintre studii analizează ce s-a întâmplat cu dioxidul de carbon care a fost eliberat în aer încă din anii 1700. Dioxidul de carbon emis este de aprox. doar 45% au rămas în atmosferă. Dacă putem afla unde se îndreaptă carbonul, vom ști și unde va fi emis excesul de carbon în viitor. Se estimează că 30% din dioxidul de carbon provenit din activitatea umană a fost dizolvat în mări și 25% s-au dus într-o locație necunoscută. Cea mai bună idee actuală este „fertilizarea” vegetației terestre. Excesul de dioxid de carbon eliberat în atmosferă și, probabil, o combinație de îngrășăminte și creșteri de temperatură, a făcut copacii mai spațioși, plantele tind să crească și să stocheze mai mult dioxid de carbon - cel puțin acolo unde plantele nu sunt recoltate.

Experimentul Biosphere II este o mare demonstrație a importanței unei distribuții adecvate a carbonului între materia organică, carbonatul de calciu și atmosferă pentru viață.

Educație în chimie
În urma unui articol publicat în mai 1998