环境的化学演化

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环境的化学演化是环境演化的一个侧面。环境的发展历史可分为地球形成的初期、生物的出现和发展、人类的出现和发展三个阶段。在各个发展阶段中,环境的各个圈层的化学组成和含量是不同的,但又有继承和嬗变的关系。生命的发生和生物的发展对环境的化学演化有着重大的影响。
中文名
环境的化学演化
外文名
Chemical evolution of environment
解    释
环境演化的一个侧面
拼    音
huanjingdehuaxueyanhua
简介
地球形成初期的化学演化 地球作为一个行星,在46亿年前起源于太阳系星云,它经历了吸积、碰撞等演化过程。地球胎形成时,温度较低,并无分层结构,只是由于放射性衰变致热和原始地球的重力收缩,和陨石物质的轰击,才使地球温度逐渐升高,并使地球物质具有越来越大的可塑性,出现局部熔融的现象。这时在重力作用下,开始物质分异。地球外部较重的物质逐渐下沉,地球内部较轻的物质逐渐上升。一些重元素(如液态铁)沉到地球中心,形成一个密度较大的地核。物质的对流伴随着大规模的化学分异。地球就逐渐形成现在的地壳(岩石圈)、地幔和地核这些层次。在地球演化的早期,原始的大气化学物质逐渐逃逸殆尽。随着物质的重新化合和分化,原先在地球内部的各种气体上升到地表,地球引力使这些气体渐渐积蓄在地球周围形成第二代的大气圈。第二代大气的化学成分主要由二氧化碳、一氧化碳、甲烷和氨组成,没有氧,当然也没有臭氧层。这一代大气称为还原大气。在地球形成的过程中,由于温度的升高,地球内部结晶水汽化,逸出地表,随着地表温度的下降,气态水凝成水滴,降落到地面,形成水圈。原始海洋是以氯化物为主的酸性还原环境。地球形成后10~15亿年,岩石圈、大气圈、水圈已经演化成型,是一个强还原环境。在地热能、太阳能的作用下,简单的无机物和甲烷等化合成氨基酸、核甙酸等有机物,并逐步演化为蛋白质等有机物,为生命的产生准备了充分必要的条件。
  生物出现后环境的化学演化 大约距今 35亿年前,原始海洋中的氨基酸和蛋白质形成最简单的、无氧呼吸的原始生物(细菌)。它们是厌氧的异养生物,靠吸收水环境中的有机物进行无氧呼吸(发酵)而获得能量。这种厌氧异养原始细菌逐步演化出有叶绿素,并能进行光合作用的自养原核生物──藻类,如燧石藻、蓝绿藻等,形成藻菌生态系,在水体中进行光合放氧作用。随着藻菌生态系的进化,在10~15亿年前,出现了单细胞真核植物,约在6亿年前海洋中出现动物,在4亿年前(晚志留纪和早泥盆纪)出现陆生蕨类,从此,形成了水陆的动物、植物、藻菌类的生态系统。
  生物的发生和发展形成了生物圈。生物的作用对环境化学物质的演化产生巨大的影响。这种影响主要有如下几个方面:①绿色植物通过光合作用,吸收二氧化碳,放出氧;植物吸收氧,合成蛋白质;微生物分解生物残体,放出氮气。这一切使原来以二氧化碳、一氧化碳、甲烷和氨为主要组分的还原大气演化成为以氮、氧为主的氧化大气(第三代大气)。据推断,地球大气由还原大气演化成氧化大气约在18~22亿年以前。由于大气中游离氧逐渐增加,约在 4亿年前形成臭氧层。臭氧层对太阳的强烈紫外辐射起到屏蔽和过滤作用,使陆地植物更加繁盛,水生生态逐渐演化到陆生生态。绿色植物是二氧化碳的主要转化者,又是碳素的主要储存者。据推算,地球上每年约有 150亿吨的二氧化碳转化为木材。森林植被含有碳素4000~5000亿吨。当今使用的矿物燃料(煤、石油、天然气)是古代生物转化而来的。②岩石经风化和生物的作用形成了土壤。土壤的形成促进了生物的大发展,影响环境化学物质的循环和演化。③生物的作用影响水圈的化学演化,使原来以氯化物为主的酸性还原环境逐渐演化为以氯化物-碳酸盐为主要成分的中性氧化环境;氨被氧化为硝酸盐;活性较大的低价铁、锰离子被氧化为高价离子,并形成铁锰水合物或碳酸盐而富集起来。④水陆的动物、植物和微生物的三级生态系统,对化学物质的循环产生重大的影响。如占空气正常含量约0.03%的二氧化碳,通过生物的呼吸作用,大约 300年循环一次;占空气正常含量约20%的氧,通过植物的光合作用,2000年可循环一次。整个水圈的水分,通过生物圈的吸收、排泄以及蒸发和蒸腾作用,约20万年可循环一次。此外,生物的作用对铁、钙、碳、氮、磷等的循环也有很大的影响。
  人类出现后环境的化学演化 可分为从人类出现到产业革命前和从产业革命到现在两个时期。约在 300万年前,形成了最早能制造工具的原始人类。随着社会生产力不断提高,人类对环境化学演化的作用不断增强。人类在各个历史时期大规模地狩猎和烧荒,兴修水利,开垦农田,采伐森林等,这些生产活动都对环境化学演化发生影响。早期的城市已发生局部的生活污染,排出的污水中的氮、磷使一些地区水体受到污染。产业革命后人类开发自然和利用自然资源的规模愈来愈大,不仅把沉睡在地壳中的矿产大量移进地表人类环境,而且制造出许多种自然界所没有的人工合成化学物质,如农药、塑料和人工合成的许多无机、有机化合物。据统计,这些物质目前已超过500万种,每年生产 6000万吨。这就冲击着长期以来人类所适应的自然环境,影响和改变着环境质量。20世纪40年代以来,世界化肥产量大约每10年增加一倍。这就改变和加强了地表环境中氮素和矿物营养元素的化学循环过程。目前世界施用的矿物肥料每年为4亿多吨,其中氮肥约 4000万吨,其他为磷、钾等肥料。因此,大量氮、磷通过径流进入河流、湖泊和地下水。饮用水源受到污染,有些地区饮用水源中硝酸盐含量上升到有毒水平。另一个问题是水体富营养化,破坏水资源和生物资源。
  人类活动大大加速了地表环境中各种元素的迁移。古代人类仅利用18种元素,到19世纪就利用了62种元素,20世纪70年代除利用地壳中已知的94种天然元素外,还开始制取和部分利用了地壳中不存在的人造元素如镅、锎等。人们创造了自然界不存在的元素状态和组合,如自然界所没有的呈游离状态的铁、铝、铜、锌、镍、钴等元素。人类每年从地壳中取出不少于 4立方公里的矿石,冶炼愈来愈多的金属。大量尾矿、金属废料、冶炼废水的排放,使土地和水域遭到严重污染。重金属元素污染,对环境的影响较大,如大量应用汞和汞化合物的一些氯碱厂、有机化工厂的汞污染特别严重。石油燃烧排入大气的汞每年约3000吨。因此,目前地球未遭汞污染的地区已经很少。另外,矿物燃料产量逐年增加,根据统计,1975年全世界煤产量为276100万吨,石油产量为270800万吨。这些矿物燃料的燃烧影响大气化学性质,转而又影响整个环境化学特征。发生影响最大的是二氧化碳,其次是一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物以及颗粒物。二氧化碳对近地面环境产生温室效应;颗粒物可减弱太阳辐射,对地表产生阳伞效应。二氧化硫可形成酸雨。氮氧化物能造成光化学烟雾和破坏臭氧层。已确知,大气中二氧化碳的浓度已由19世纪60年代的290ppm上升到20世纪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。根据在夏威夷的冒纳罗亚长期观测得知,从1958~1968年二氧化碳浓度每年平均约增加0.7ppm,而1969年以来,每年平均增加量超过1ppm,证明大气中二氧化碳浓度的增加有加快的趋势。