Читать книгу Życie i ewolucja biosfery - January Weiner - Страница 39

Gigantyczna praca przesuwania kontynentów dokonuje się dzięki energii czerpanej z wnętrza Ziemi. Tymczasem na powierzchni planety istnieje inny cykl obiegu materii, angażujący mniejsze jej masy, ale za to znacznie szybszy, napędzany energią pozaziemskiego pochodzenia. Cykl ten obejmuje cyrkulację atmosfery, obieg wody oraz erozję, transport i sedymentację mas skalnych, a jego motorem jest promieniowanie słoneczne.

Słońce nagrzewa najsilniej pas globu wokół równika. Nad rozgrzanym lądem czy oceanem ogrzewa się również powietrze i powstaje silny prąd konwekcyjny, unoszący masy powietrza ku górnym warstwom troposfery — 10 do 12 km n.p.m. (ryc. 2.8). Powietrze to początkowo nasycone jest parą wodną, w miarę unoszenia rozpręża się, a więc i ochładza, w wyniku czego zawarta w nim para wodna ulega skropleniu. W strefie równikowej jest gorąco, wilgotno i padają obfite deszcze. W kierunku równika, na miejsce powietrza uniesionego w górę napływają masy powietrza z północy i z południa. Ruch obrotowy Ziemi powoduje, że w strefie między równikiem a zwrotnikami wiatry nie wieją w kierunku dokładnie południkowym, ale z odchyleniem zachodnim. Tymczasem ochłodzone i odwodnione powietrze w górnych warstwach atmosfery odpływa w kierunku biegunów (z odchyleniem ku wschodowi) i opada — mniej więcej w pasie zwrotników. Opadając, oczywiście spręża się i ogrzewa — ale pary wodnej już nie zawiera. Pod zwrotnikami panują więc susze. Ta najsilniejsza cyrkulacja równikowo-zwrotnikowa wymusza podobny cykl na wyższej, „umiarkowanej” szerokości geograficznej (ryc. 2.8). Główne cechy strefowego klimatu Ziemi zdeterminowane są więc czynnikami astronomicznymi.

Rycina 2.8. Schemat globalnej cyrkulacji atmosferycznej. Powietrze wznosi się na szerokości geograficznej kół podbiegunowych i na równiku, opada na szerokości zwrotników i na biegunach. Kierunek ruchu powietrza blisko powierzchni Ziemi nie jest równoległy do południków, lecz odchylony wskutek ruchu obrotowego globu. Między równikiem a zwrotnikami wieją przeważnie wiatry ze wschodu (pasaty), między zwrotnikami a kołami podbiegunowymi — wiatry zachodnie. Na wysokiej szerokości przeważają znowu polarne wiatry wschodnie

Cała ilość wody na powierzchni planety pochodzi z odgazowania skorupy ziemskiej około 4 mld lat temu (niewielkim uzupełnieniem jest woda ze współczesnych ekshalacji wulkanicznych). Obecna średnia temperatura powierzchni planety powoduje, że ogromna większość zapasu wody na Ziemi jest w fazie ciekłej. Ilość tę ocenia się na ok. 1,5 mln km³. Jednak warunki termiczne Ziemi i warunki fizykochemiczne wody powodują, że występuje ona we wszystkich trzech stanach skupienia; znaczna jej ilość (ok. 30 tys. km³) nagromadzona jest obecnie także w postaci lodu. Pomijamy tutaj ogromną ilość wody uwięzioną w skałach skorupy i głębszych warstw Ziemi.

Powierzchnia oceanów jest znacznie większa niż lądów, toteż więcej wody paruje nad oceanami, zwłaszcza w strefie równikowej. Tempo parowania jest tak duże, że gdyby nie opady, poziom oceanu spadałby o 120 cm rocznie. Położenie lądów zaś jest obecnie takie, iż, przy opisanej wyżej cyrkulacji, na lądach opady są obfitsze niż parowanie. Ten nadmiar wody, oceniany na 36–46 tys. km³ rocznie, rzekami wraca do mórz i oceanów. Po drodze jednak woda zabiera ze sobą część lądu: rozpuszczone sole, porwane cząstki zawiesiny, piasek, żwir, a nawet wielkie głazy. Materiał ten zostaje następnie osadzony na dnie oceanów. Woda, zwłaszcza nasycona dwutlenkiem węgla, jest głównym czynnikiem powodującym wietrzenie skał. Materiał pierwotny, tworzący skorupę ziemską, to skały pochodzenia magmowego lub lawy. Pod wpływem wody i zmian temperatury minerały tworzące te skały ulegają rozkładowi, przy czym powstają minerały ilaste (gliny), takie jak kaolinit czy montmorillonit. W ciepłym klimacie dalsza erozja prowadzi do zupełnego usunięcia krzemionki i powstają wówczas lateryty (produkt wietrzenia złożony głównie z tlenków żelaza) i boksyty (tlenki i wodorotlenki glinu). Woda wynosi rzekami rozpuszczoną krzemionkę i zawiesinę drobnych ziarn minerałów ilastych. W klimacie chłodnym produktem erozji są drobne ziarna krzemionki (piasek).

Współcześnie prawie całe parowanie wody na lądach odbywa się za pośrednictwem roślin pokrywających ich powierzchnię. Bez pokrywy roślinnej dysproporcja w bilansie parowania i opadów z powierzchni oceanów i lądów byłaby jeszcze większa, a efekty oddziaływania wody poprzez erozję powierzchni lądów — jeszcze gwałtowniejsze. Przy współczesnym tempie erozji i denudacji powierzchnia wszystkich lądów zostałaby wkrótce starta do poziomu morza, gdyby nie ciągłe ruchy górotwórcze.

Cykl hydrologiczny (ryc. 2.9) jest jakby gigantyczną maszyną parową, napędzaną energią słoneczną, przemieszczającą pierwiastki chemiczne na powierzchni Ziemi. Ciepło parowania wody wynosi 2,24 kJ × g^–1. Przyjmując, że w ciągu roku suma wyparowanej wody wynosi około 500 000 km³, czyli 5 × 10¹⁸ g, wykonana praca wynosi około 11,2 × 10²¹ J × rok^–1. Odpowiada to mocy około 355 × 10¹² W (355 mln megawatów, o dwa rzędy wielkości więcej niż cała energia zużywana przez wszystkich ludzi na Ziemi, wliczając ogniska Pigmejów i elektrownie atomowe). Stanowi to ponad 1/5 całej energii docierającej do Ziemi ze Słońca.

Zawartość wody utrzymywanej w atmosferze jest ograniczona — po nasyceniu powietrza parą wodną jej nadmiar musi się skroplić. Niewielka pula wody atmosferycznej (14 tys. km³) ulega wymianie 55 razy w roku. Obrót jest tak szybki, że przeciętna cząsteczka wody przebywa w atmosferze zaledwie około tygodnia. Po dostaniu się do morza statystyczna cząsteczka wody przebywa tam około 3650 lat.

Transport materii w morzach napędzają dodatkowo prądy morskie. Ich powstawanie jest skutkiem oddziaływań termicznych Słońca oraz ruchów Ziemi — jednak przebieg prądów morskich jest silnie modyfikowany ukształtowaniem kontynentów i rzeźbą dna oceanów; zmieniał się też wskutek ruchu kontynentów (ryc. 2.10).

Rycina 2.9. Globalny cykl hydrologiczny. Zawartość wody w różnych pulach w tysiącach km³, obieg w tysiącach km³ × rok^–1. Nad powierzchnią oceanów parowanie przeważa nad opadami, a nad powierzchnią lądów — odwrotnie. Różnica (ok. 40 tysięcy km³ × rok^–1) spływa rzekami z lądów do mórz (na podstawie Gimeno i in., 2012 i innych źródeł)

Rycina 2.10. Kierunki powierzchniowych prądów morskich współcześnie (A) i w minionych epokach geologicznych: (B) w okresie jurajskim (175 milionów lat temu), (C) w dolnej kredzie, 125 mln lat temu, (D) w górnej kredzie, 70 mln lat temu (wg van Andela, 1997)

Na powierzchni Ziemi trwają więc intensywne procesy krążenia mas powietrznych, wodnych i skalnych. Większości energii dostarcza Słońce, poruszając atmosferę i przemieszczając ogromną masę wody. Jest to możliwe m.in. dzięki temu, że strumień energii pada na planetę będącą w stałym, skomplikowanym ruchu. Dzięki temu na jej powierzchni powstają asymetrie rozkładu energii, doprowadzające do owych atmo- i hydrosferycznych przemieszczeń, odbywających się ze znaczną — ale nie absolutną — regularnością.

Drugim źródłem energii są reakcje jądrowe w głębi Ziemi. Dzięki nim, przy jednoczesnym wypromieniowywaniu ciepła z powierzchni, w zewnętrznej warstwie płaszcza powstaje gradient temperatury i przepływ energii, który napędza ruchy kontynentów, trzęsienia ziemi, działalność wulkanów.

Procesy te trwałyby nawet i wtedy, gdyby nie było życia na Ziemi, chociaż ich natężenie i przebieg byłyby pewnie inne. Ale na Ziemi jest życie i jego obecność zmienia dynamikę przepływu energii i obiegu materii. Abiotyczne cykle geochemiczne i obieg materii wymuszony istnieniem żywych organizmów przenikają się nawzajem. Pod względem ilościowym natężenie przepływu pierwiastków biogenicznych bywa tak duże, a samo zjawisko trwa od tak dawna (co najmniej 3,5 mld lat), że oddzielanie tych dwóch procesów traci właściwie sens. Mówi się raczej o biogeochemii — czyli o krążeniu materii w skorupie ziemskiej, hydro- i atmosferze w wyniku działania sił zarówno natury geofizycznej, jak i biologicznej.