環境的化學演化

環境的化學演化是環境演化的一個側面。環境的發展歷史可分為地球形成的初期、生物的出現和發展、人類的出現和發展三個階段。在各個發展階段中,環境的各個圈層的化學組成和含量是不同的,但又有繼承和嬗變的關係。生命的發生和生物的發展對環境的化學演化有著重大的影響。

基本介紹

  • 中文名:環境的化學演化
  • 外文名:Chemical evolution of environment
  • 解釋:環境演化的一個側面
  • 拼音:huán jìng de huà xué yǎn huà
簡介
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。

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