環境化學演化

環境化學演化是環境演化的一部分。從環境發展歷史的早期，到生物的出現及人類的誕生和發展等各個階段中，環境的各個圈層的化學組成和含量各不相同，但有繼承和漸變關係。

基本介紹

• 中文名：環境化學演化
• 外文名：chemical evolution of environment
• 概述 ：環境化學演化是環境演化的
• 學科：環境科學

概念介紹

學科：環境科學

詞目：環境化學演化

英文：chemical evolution of environment

釋文：由地球形成初期的核化學反應逐漸變為簡單的氧化還原反應，形成較簡單的化合物（如CO2、CO、H2O等），在太陽能的作用下形成簡單的無機物和甲烷等，化合成胺基酸、核甙酸等。生命的發生和生物的發展對環境化學演化有著重大的影響。生物出現後，一些簡單的生物開始在太陽光的作用下進行化學反應，水中的生物和植物大量繁殖。同時，岩石的風化作用使一些元素進入水中或植物中，使一些元素富集，加強了化學演化的複雜性。人類出現後，特別是工業化以來，環境的化學演化更日趨複雜，改變了原始環境，加劇了化學變化，產生了大量的無機污染和有機污染。

地球形成初期的化學演化

地球作為一個行星，在46億年前起源於太陽系星雲，它經歷了吸積、碰撞等演化過程。地球胎形成時，溫度較低，並無分層結構，只是由於放射性衰變致熱和原始地球的重力收縮，和隕石物質的轟擊，才使地球溫度逐漸升高，並使地球物質具有越來越大的可塑性，出現局部熔融的現象。這時在重力作用下，開始物質分異。地球外部較重的物質逐漸下沉，地球內部較輕的物質逐漸上升。一些重元素（如液態鐵）沉到地球中心，形成一個密度較大的地核。物質的對流伴隨著大規模的化學分異。地球就逐漸形成現在的地殼（岩石圈）、地幔和地核這些層次。在地球演化的早期，原始的大氣化學物質逐漸逃逸殆盡。隨著物質的重新化合和分化，原先在地球內部的各種氣體上升到地表，地球引力使這些氣體漸漸積蓄在地球周圍形成第二代的大氣圈。第二代大氣的化學成分主要由二氧化碳、一氧化碳、甲烷和氨組成，沒有氧，當然也沒有臭氧層。這一代大氣稱為還原大氣。在地球形成的過程中，由於溫度的升高，地球內部結晶水汽化，逸出地表，隨著地表溫度的下降，氣態水凝成水滴，降落到地面，形成水圈。原始海洋是以氯化物為主的酸性還原環境。地球形成後10～15億年，岩石圈、大氣圈、水圈已經演化成型，是一個強還原環境。在地熱能、太陽能的作用下，簡單的無機物和甲烷等化合成胺基酸、核甙酸等有機物，並逐步演化為蛋白質等有機物，為生命的產生準備了充分必要的條件。

生物出現後環境的化學演化

大約距今 35億年前，原始海洋中的胺基酸和蛋白質形成最簡單的、無氧呼吸的原始生物（細菌）。它們是厭氧的異養生物，靠吸收水環境中的有機物進行無氧呼吸(發酵)而獲得能量。這種厭氧異養原始細菌逐步演化出有葉綠素，並能進行光合作用的自養原核生物──藻類，如燧石藻、藍綠藻等，形成藻菌生態系，在水體中進行光合放氧作用。隨著藻菌生態系的進化，在10～15億年前，出現了單細胞真核植物，約在6億年前海洋中出現動物，在4億年前（晚志留紀和早泥盆紀）出現陸生蕨類，從此，形成了水陸的動物、植物、藻菌類的生態系統。

生物的發生和發展形成了生物圈。生物的作用對環境化學物質的演化產生巨大的影響。這種影響主要有如下幾個方面：①綠色植物通過光合作用，吸收二氧化碳，放出氧；植物吸收氧,合成蛋白質;微生物分解生物殘體，放出氮氣。這一切使原來以二氧化碳、一氧化碳、甲烷和氨為主要組分的還原大氣演化成為以氮、氧為主的氧化大氣(第三代大氣)。據推斷，地球大氣由還原大氣演化成氧化大氣約在18～22億年以前。由於大氣中游離氧逐漸增加，約在 4億年前形成臭氧層。臭氧層對太陽的強烈紫外輻射起到禁止和過濾作用，使陸地植物更加繁盛，水生生態逐漸演化到陸生生態。綠色植物是二氧化碳的主要轉化者，又是碳素的主要儲存者。據推算，地球上每年約有 150億噸的二氧化碳轉化為木材。森林植被含有碳素4000～5000億噸。當今使用的礦物燃料（煤、石油、天然氣）是古代生物轉化而來的。②岩石經風化和生物的作用形成了土壤。土壤的形成促進了生物的大發展，影響環境化學物質的循環和演化。③生物的作用影響水圈的化學演化，使原來以氯化物為主的酸性還原環境逐漸演化為以氯化物－碳酸鹽為主要成分的中性氧化環境；氨被氧化為硝酸鹽；活性較大的低價鐵、錳離子被氧化為高價離子，並形成鐵錳水合物或碳酸鹽而富集起來。④水陸的動物、植物和微生物的三級生態系統，對化學物質的循環產生重大的影響。如占空氣正常含量約0.03%的二氧化碳，通過生物的呼吸作用，大約 300年循環一次；占空氣正常含量約20%的氧，通過植物的光合作用，2000年可循環一次。整個水圈的水分，通過生物圈的吸收、排泄以及蒸發和蒸騰作用，約20萬年可循環一次。此外，生物的作用對鐵、鈣、碳、氮、磷等的循環也有很大的影響。

人類出現後環境的化學演化

可分為從人類出現到產業革命前和從產業革命到現在兩個時期。約在 300萬年前，形成了最早能製造工具的原始人類。隨著社會生產力不斷提高，人類對環境化學演化的作用不斷增強。人類在各個歷史時期大規模地狩獵和燒荒,興修水利,開墾農田，採伐森林等，這些生產活動都對環境化學演化發生影響。早期的城市已發生局部的生活污染，排出的污水中的氮、磷使一些地區水體受到污染。產業革命後人類開發自然和利用自然資源的規模愈來愈大，不僅把沉睡在地殼中的礦產大量移進地表人類環境，而且製造出許多種自然界所沒有的人工合成化學物質，如農藥、塑膠和人工合成的許多無機、有機化合物。據統計，這些物質目前已超過500萬種，每年生產 6000萬噸。這就衝擊著長期以來人類所適應的自然環境，影響和改變著環境質量。20世紀40年代以來，世界化肥產量大約每10年增加一倍。這就改變和加強了地表環境中氮素和礦物營養元素的化學循環過程。目前世界施用的礦物肥料每年為4億多噸，其中氮肥約 4000萬噸，其他為磷、鉀等肥料。因此，大量氮、磷通過徑流進入河流、湖泊和地下水。飲用水源受到污染，有些地區飲用水源中硝酸鹽含量上升到有毒水平。另一個問題是水體富營養化，破壞水資源和生物資源。

人類活動大大加速了地表環境中各種元素的遷移。古代人類僅利用18種元素，到19世紀就利用了62種元素，20世紀70年代除利用地殼中已知的94種天然元素外，還開始製取和部分利用了地殼中不存在的人造元素如鎇、鐦等。人們創造了自然界不存在的元素狀態和組合，如自然界所沒有的呈游離狀態的鐵、鋁、銅、鋅、鎳、鈷等元素。人類每年從地殼中取出不少於 4立方公里的礦石，冶煉愈來愈多的金屬。大量尾礦、金屬廢料、冶煉廢水的排放，使土地和水域遭到嚴重污染。重金屬元素污染，對環境的影響較大，如大量套用汞和汞化合物的一些氯鹼廠、有機化工廠的汞污染特別嚴重。石油燃燒排入大氣的汞每年約3000噸。因此，目前地球未遭汞污染的地區已經很少。另外，礦物燃料產量逐年增加，根據統計，1975年全世界煤產量為276100萬噸，石油產量為270800萬噸。這些礦物燃料的燃燒影響大氣化學性質，轉而又影響整個環境化學特徵。發生影響最大的是二氧化碳，其次是一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物以及顆粒物。二氧化碳對近地面環境產生溫室效應；顆粒物可減弱太陽輻射，對地表產生陽傘效應。二氧化硫可形成酸雨。氮氧化物能造成光化學煙霧和破壞臭氧層。已確知，大氣中二氧化碳的濃度已由19世紀60年代的290ppm上升到20世紀60年代末的320ppm，而且所增加部分的五分之一是在1959～1969年的10年中增加的。根據在夏威夷的冒納羅亞長期觀測得知，從1958～1968年二氧化碳濃度每年平均約增加0.7ppm，而1969年以來，每年平均增加量超過1ppm，證明大氣中二氧化碳濃度的增加有加快的趨勢。