Forrás: NASA
Miért van víz és levegõ a Földön? A Föld légköre, távolabb a Hold
Föld felszínének mintegy kétharmadát víz, óceán borítja, illetve a Naprendszerben különlegesnek számító gázburok, légkör övezi. A víz és a levegõ jelenléte teszi lehetõvé, hogy a bolygón növény- és állatvilág, sõt ember létezhet. Légkörünk alapvetõ összetevõje, az oxigén, szintén a vízbõl származik. Az oxigén elõállításához azonban a bioszféra közremûködése szükséges, hiszen számos egysejtû lény, baktérium, illetve a növényzet a számára elengedhetetlen szénhidrátokat a napenergia felhasználásával szén-dioxidból és vízbõl állítja elõ. Ennek a fotoszintézisnek nevezett folyamatnak a végterméke az oxigén. Az oxigén más élõlények számára biztosítja a légzést, amelynek során az elnyelt napenergia részben viszszanyerhetõ. Az oxigén nélkül az elhalt szerves anyagok bomlása, sõt a tûzzel történõ energiatermelés sem lenne lehetséges. A Föld élethosszának (4,55 milliárd év) mintegy 90%-ában a légkör összetétele más volt, mint korunkban. A jelenlegi levegõ hosszú fejlõdés során, a bioszférával szoros kapcsolatban ala-
A
Sztromatolit, a fotoszintetizáló kékeszöld moszatok megkövesedett váza
kult ki. A földtani múltban más volt a vizek elhelyezkedése is, ami a levegõvel együtt a legfontosabb környezeti elemegyüttes, az éghajlat alakításában játszott fontos szerepet. A kölcsönhatások ellenére a víz és a levegõ története különbözik egymástól. A víz egy hidrogén- és két oxigénatomból álló vegyület, és az atomoknak ez a kombinációja független a Föld korától.
I. A víz története A földi vízburok keletkezése Miért és mióta is van víz a Földön? A tudomány jelenlegi állása szerint e kérdésre nem tudunk egyértelmû feleletet adni. A számos válaszjavaslatból kettõ látszik elfogadhatónak. Az elsõ szerint a víz a kezdeti õsbolygót adó szilárd anyagokból származik. Ezekbõl az anyagokból a víz kipárolgott, majd késõbb vulkánkitörések gázaival együtt távozott. A keletkezõ bolygó nehézségi ereje a vízgõzt vagy legalábbis annak egy részét megtartotta, amely a hõmérséklet csökkenése következtében cseppfolyósodott. A másik elképzelés szerint a Naprendszer külsõ részein elõforduló hõmérsékleten a víz, pontosabban a jég elõfordulása sokkal valószínûbb. Ebbõl a térségbõl származnak az üstökösök, amelyek, a feltételezések szerint, vizet szállítottak a születõ bolygóra.* A földi víz eredete tehát vitatott, bár az elméletek abban nem térnek el, hogy a víz gõz formában a szilárd anyagokból szabadult fel. A szakemberek abban is egyetértenek, hogy a víz kipárolgása az elsõ mintegy félmilliárd évben (4,55 és 4 milliárd év között) igen intenzív volt. Ekkor ugyanis a meteoritok állandó be* Vö. Almár Iván és Illés Erzsébet cikkével.
csapódása megemelte a felszín hõmérsékletét. A következõ évszázmilliókban a meteoritbecsapódások gyakorisága csökkent, és ezzel együtt csökkent a hõmérséklet is. Így a jelenlegi óceánok tömegének megfelelõ víz már mintegy négymilliárd évvel ezelõtt felhalmozódott. A vízburok készen állt az élet befogadására.
Miért nem sósabb a tenger? A víz mintegy 3,5%-ban különbözõ sókat tartalmaz. Többségüket a konyhasó (nátrium-klorid) alkotja. A sók a szilárd tartományból, a litoszférából származnak. Négymilliárd évvel ezelõtt a szárazföldeknek még csak kezdeményei voltak meg. Valószínû ezért, hogy kevesebb só került a vizekbe, mint manapság. A kutatók becslései szerint az óceánok sótartalma körülbelül kétmilliárd évvel ezelõtt közelítette meg a mai mennyiséget. A folyók jelenlegi szállítását figyelembe véve a megfelelõ sótömeg körülbelül nyolcvanmillió év alatt kerülne (kerülhetett?) a tengerekbe (és még nem is vettük figyelembe a Föld mélyébõl a tengerfenéken át érkezõ anyagokat). Sokkal kevésbé ismertek azonban azok a folyamatok, amelyek a sót kivonják a tengerekbõl. Ebbõl következik, hogy történelmüket sem ismerjük pontosan. Nem az a kérdés tehát, hogy miért sós a tenger, hanem az, hogy miért nem sósabb. A bioszféra szempontjából ez nagyon fontos probléma, mivel már mintegy 5%-os sótartalom esetén is az élõvilágot felépítõ sejtek elpusztulnának.
Óceáni medencék, tengerszint Jelenleg három nagy óceáni medencét különböztetünk meg: az Atlanti-, a
19
II. A földi légkör története Az õslégkörtõl a mai gázkeverékig
Csendes- és az Indiai-óceán medencéjét. Ha az idõt emberöltõkben mérjük, akkor az óceánok és medencéik változatlannak tekinthetõk. Ha azonban az idõt millió-, esetleg milliárdéves léptékben adjuk meg, akkor azt tapasztaljuk, hogy az óceáni medencék kiterjedése és elhelyezkedése folyamatosan változott annak ellenére, hogy a víz mennyisége az utóbbi négymilliárd évben lényegében állandó volt. Az óceáni medencék középsõ részén a Föld belsejének meleg anyaga állandóan felfelé áramlik. A feláramló anyag áttöri az óceánok aljzatát és a vízbe hatol, majd ott lassan kihûl. Így az óceáni medencék középsõ részein hatalmas kitüremkedések, hátságok keletkeznek. Ennek jó példája a csaknem dél–észak irányú Atlanti-hátság, melynek egyes részei (például Izland szigete) a tengerfelszín fölé emelkednek. A feláramlás legfontosabb következménye, hogy a szétáramló anyag oldalirányban mozgatja a Föld felsõ részét alkotó, mintegy 100 km vastag hatalmas lemezeket. A mozgás következtében állandóan változik az óceáni medencék formája és a szárazföldek elhelyezkedése. Mintegy 225 millió évvel ezelõtt a Földön egyetlen kontinens volt (tudományos nevén Pangea). Következésképpen 225 millió éve az óceán vize is egyetlen medencében helyezkedett el. Ezt a gyakorlatilag minden földi vizet egyesítõ óceánt a tudomány Panthalassának nevezi. Pangea formája észak–dél irányban egy hatalmas félholdhoz hasonlított, amely a Tethys-
20
A Közép-Atlanti-hátság tengerszint feletti része: Izland szigete
tengert fogta közre. Az utóbbi mintegy 225 millió évben ez a hatalmas szárazföld darabjaira szakadt, és kialakította az általunk is jól ismert kontinenseket.* A kontinensek mozgása ma is tart, méghozzá az egyesülés irányába. (Észak-Amerika például évente közel 1 cm-rel közeledik Ázsiához.) Az óceáni medencék aljánál megfigyelt feláramlások igen meleg anyagot szállítanak az óceánvízbe. Ennek kiterjedése nagyobb, mint kihûlt maradványaié, ezért intenzív feláramlásoknál kisebb az óceáni medencék térfogata. Ebbõl következik, hogy az óceánok szintje a szárazföldekhez képest magasabban helyezkedik el. A mostanihoz hasonló helyzet 225 millió évvel ezelõtt fordult elõ, amikor egyébként az óceáni bioszféra jelentõs része kipusztult.
Jelenlegi légkörünket, amelyet levegõnek nevezünk, magas szabad (nem vegyületeiben elõforduló) oxigénkoncentrációja teszi különlegessé. Ilyen gázburok a Naprendszerben máshol nem fordul elõ, és bolygónk esetében is csak az utóbbi 300–400 millió évben. A mai gázkeverék hosszú fejlõdés eredménye. Ma már egyetért a tudomány abban, hogy a magas oxigénmennyiség (21 térfogatszázalék) a bioszférának köszönhetõ. Az élet keletkezésekor, mintegy 3,8 milliárd évvel ezelõtt, az elsõsorban vulkánkitörésekbõl származó õslégkör egészen más összetételû volt. Gyakorlatilag nem tartalmazott oxigént. Ezt onnan tudjuk, hogy az ebbõl a korai idõbõl származó kõzetek redukált állapotban voltak. A mai vulkánkitörések gázait oxigénmentes környezetbe helyezve valószínû, hogy az õslégkör fõleg nitrogénbõl, szén-dioxid és szén-monoxid keverékébõl, hidrogénbõl és kén-hidrogénbõl állt. Kisebb mennyiségben feltehetõen metánt és ammóniát is tartalmazott. Feltételezések szerint az üvegházhatású szén-dioxid koncentrációja jóval nagyobb volt, mint a jelenlegi érték, ami biztosította, hogy a hõmérséklet az élet számára a kevesebb napenergia ellenére alkalmas legyen. A csillagok életciklusának vizsgálata ugyanis kimutatta, hogy a Nap típusú égitestek életük kezdetén kevesebb energiát sugároznak.
Az egysejtûek megjelenése A légkör összetételének forradalmi változása akkor kezdõdött, amikor egyes egysejtû baktériumok (például a ma is létezõ kékeszöld moszatok) az életükhöz szükséges hidrogént vízbõl állították elõ: kialakult a fotoszintézis ma ismert formája. Az óceánvízben felszabaduló oxigén elõször mindent oxidált, amit csak lehetett (kõzeteket, gázokat), majd megindult lassú felhalmozódása. Közben olyan sejtmagot tartalmazó egysejtûek (eukarióták) jöt* Vö. a 15–16. oldalon lévõ térképekkel, illetve Brezsnyánszky Károly és Szarka László cikkével e számunkban.
tek létre, amelyek energiatermelésre az oxigént használták. Ettõl kezdve, mint az 1. ábra mutatja, a légkör a bioszférával párhuzamosan fejlõdött. Így egymilliárd évvel ezelõtt, amikor az oxigén szintje a jelenlegi érték 1%-a volt, megjelentek a többsejtûek, majd 600 millió évvel ezelõtt a szilárd vázas élõlények.
átengedik, ugyanakkor elnyelik a Föld által kibocsátott hõsugarakat. Légköri mennyiségük növekedése ezért a hõmérséklet emelkedésével jár. Koncentrációjuk változása a negyedidõszakban szoros kapcsolatot mutatott a jégkorszakok, illetve a meleg periódusok (úgynevezett interglaciálisok) elõfordulásával. Melegebb idõszakokban magasabb, hidegebb idõszakokban alacsonyabb Az ózon szerepe 400 millió évvel volt a szén-dioxid és a metán ezelõtt 1. ábra. A légköri oxigén- és ózonkoncentráció emelkedése a Föld koncentrációja. Az utolsó története során a jelenlegi érték egységeiben. A „prekambrium” az A következõ forradalom 400 590 millió év elõtti idõszakra utal, míg az idõt millió években fejeztük ki jégkorszakban, mintegy 20-25 millió évvel ezelõtt kezdõezer évvel ezelõtt, például a dött, amikor az oxigén koncentrációja A negyedidõszak (1,7 millió évvel ezelõtt) szén-dioxid koncentrációja 0,020% elérte a mai érték 10%-át. Ebben az volt, amely a 19. század végére idõszakban az oxigénbõl már annyi Negyedidõszaknak a Föld történeté- 0,028%-ra emelkedett. ózon keletkezett, hogy molekulái el- nek utolsó, mintegy kétmillió éves ideA tudomány jelenlegi álláspontja nyelték az élõ szervezetre halálos ult- jét nevezzük. Ennek az idõnek a törté- szerint a jégkorszakokat nem az üvegraibolya sugarakat. Az oxigén ugyanis netét, a régebbi korokhoz képest vi- házhatású gázok légköri tömegének nemcsak biztosítja az energiatermelést, szonylag jól ismerjük. Számunkra a ne- változásai, hanem a Föld pályaelemeihanem a napsugárzás hatására ózont gyedidõszak különösen érdekes, hiszen nek átalakulása (például hogy az elliptermel, amely védelmet biztosít szá- ebben a földtani idõben alakult ki az szis alakú Nap körüli pálya formája munkra. Ahogy az oxigén koncentráció- ember. A negyedidõszakan az óceánok mennyire tér el a körtõl, vagy hogyan ja növekedett, a védõréteg magassága térképe alapvetõen már nem változott. ingadozik a forgási tengely dõlése) emelkedett, elkövetkezett az a „pillanat”, Átalakult viszont a szárazföldön a fo- váltották ki. Ezek a változások a Földamikor az élet a szárazföldeket is meghó- lyók, tavak, beltengerek elhelyezkedé- re érkezõ napenergia mennyiségének díthatta. Innen, a kétéltûeken és hüllõ- se, ami azonban nem zavarta meg kis módosítása révén, nem teljesen iskön át vezetett az út az emlõsök és a ma- alapvetõen a vízburok állapotát, illetve mert okok miatt átalakítják az üvegdarak megjelenése, a jelenlegi állat- és a víz körforgalmát. házhatású gázok kibocsátását. Ugyannövényvilág (virágos növények) kialakuláNem változott a légköri fõ összete- akkor ma már azt is tudjuk, hogy az sa irányába. Ez az út azonban nem volt võk (nitrogén, oxigén) részaránya sem. éghajlat-ingadozások a tengeráramlázökkenõmentes. Kellett hozzá az a 66 Ezzel szemben jelentõsen ingadozott sok változásaival is összefüggnek. millió évvel ezelõtti katasztrófa, amely el- az 1%-nál kisebb relatív mennyiségû Jelenleg interglaciálisban élünk. Az tüntette a hüllõk (dinoszauruszok) túl- nyomanyagok, így az üvegházhatású gá- emberiség létszáma egyre növekszik, nyomó többségét. zok (például szén-dioxid, metán) kon- egyre jobban szennyezzük a vízburkot Nagyon lényeges vonása a légkör centrációja, amelyek az éghajlat szabá- és a légkört. A szén-dioxid koncentrámúltjának, hogy a Föld története során lyozásában fontos szerepet játszanak. ciója ma már elhagyta a 0,037%-os éra szén-dioxid légköri koncentrációja, a Ezek a gázok ugyanis a napsugarakat téket. Egyre nagyobb kincs lesz a tiszta nagy ingadozások ellenére, víz, és egyre jobban félheAz ózonlyuk állapota az Antarktisz fölött 2002-ben és 2005-ben lényegében csökkent, mivel tünk az üvegházhatású gáa szén-dioxidban lévõ szénzok okozta globális felmeatomok üledékes kõzetekbe legedéstõl. kerültek át. Ez lehetõvé tetMÉSZÁROS ERNÕ te, hogy az éghajlat a Napból érkezõ energia növekedése ellenére lényegében A téma iránt érdeklõdõ olvasóállandó maradjon. Tekintinknak ajánljuk a következõ köteve, hogy az üledékképzõteket: Czelnai Rudolf: A világóceán. Bp. dést elsõsorban a szilárd vá1999.; Mészáros Ernõ: A Föld rözas óceáni élõlények okozvid története. Bp. 2001. (Mindketzák, a bioszféra a szén-ditõ a Tudomány–Egyetem sorooxid szabályozásában is fonzatban – szerk. Glatz Ferenc – a Vince Kiadónál jelent meg.) tos szerepet játszott.
21
