આપણા ગ્રહ અને જીવનની ઉત્પત્તિનો અભ્યાસ કરતી વખતે પૃથ્વીનું પ્રારંભિક વાતાવરણ સૌથી રસપ્રદ અને જટિલ વિષયોમાંનો એક છે. તેની ઉત્પત્તિ કેવી રીતે થઈ, તેના પ્રારંભિક ઘટકો શું હતા અને સમય જતાં તે કેવી રીતે બદલાયું છે તે સમજવાથી આપણને આપણા ભૂતકાળને સમજવામાં મદદ મળે છે, પરંતુ અન્ય રહેવા યોગ્ય વિશ્વો વિશે પણ સંકેત મળે છે.
આજે આપણે જાણીએ છીએ તેમ હવા ઓક્સિજન અને નાઇટ્રોજનથી બનેલી હતી તે પહેલાં, સૌર કિરણોત્સર્ગ સામે રક્ષણાત્મક સ્તરમાં લપેટાયેલી હતી, વાતાવરણ એક પ્રતિકૂળ વાતાવરણ હતું., ઝેરી વાયુઓથી ભરેલું અને આપણે સમજીએ છીએ તેમ જીવનનો કોઈ પત્તો નથી. અત્યંત જટિલ ભૂસ્તરશાસ્ત્રીય, રાસાયણિક અને જૈવિક પ્રક્રિયાઓ દ્વારા, તે આદિમ સંસ્કરણે પર્યાવરણને માર્ગ આપ્યો જેણે જીવંત જીવોના ઉત્ક્રાંતિને શક્ય બનાવ્યું.
વાતાવરણ શું છે અને તે જીવન માટે આટલું મહત્વનું કેમ છે?
વાતાવરણ એ વાયુયુક્ત સ્તર છે જે અવકાશી પદાર્થ, આ કિસ્સામાં, પૃથ્વીની આસપાસ છે. તે વાયુઓના સરળ મિશ્રણ કરતાં ઘણું વધારે છે: તે રક્ષણાત્મક કવચ અને તાપમાન નિયમનકાર તરીકે કાર્ય કરે છે., અને જીવનના વિકાસ અને જાળવણી માટે જરૂરી છે.
હાલમાં, પૃથ્વીનું વાતાવરણ મુખ્યત્વે નાઇટ્રોજન (78%), ઓક્સિજન (21%) અને કાર્બન ડાયોક્સાઇડ, આર્ગોન, પાણીની વરાળ અને ઓઝોન જેવા અવશેષ વાયુઓના મિશ્રણથી બનેલું છે.. પરંતુ આ રચના હંમેશા આ રીતે રહી નથી, અને તેનો વિકાસ અબજો વર્ષોમાં ધરખમ ફેરફારો દ્વારા ચિહ્નિત થયેલ છે.
પ્રથમ મિલિયન વર્ષો: હેડિયનની અરાજકતા
આશરે ૪.૫ અબજ વર્ષ પહેલાં, પૃથ્વી કોસ્મિક ધૂળ અને ગેસના વાદળમાંથી બની હતી જેનાથી સૌરમંડળનો ઉદય થયો.. શરૂઆતના થોડા મિલિયન વર્ષોમાં, જેને હેડિયન યુગ તરીકે ઓળખવામાં આવે છે, ગ્રહની સપાટી પીગળેલા મેગ્માનો સમુદ્ર હતો, અને તે સમયે વાતાવરણ અત્યંત અસ્થિર અને અલ્પજીવી હતું.
આ શરૂઆતના સમયગાળા દરમિયાન, ગ્રહ પર ઉલ્કાઓ દ્વારા ભારે બોમ્બમારો કરવામાં આવ્યો હતો, જે ઘટનાને લેટ હેવી બોમ્બાર્ડમેન્ટ તરીકે ઓળખવામાં આવે છે., ૪.૧ થી ૩.૮ અબજ વર્ષો પહેલા. આ અસરો તેમની સાથે પાણી, એમોનિયા અને મિથેન જેવા અસ્થિર સંયોજનો લાવ્યા, જે પ્રારંભિક વાતાવરણ અને મહાસાગરોના નિર્માણમાં ફાળો આપે છે.
આ શરૂઆતની અંધાધૂંધી સાથે એક મહત્વપૂર્ણ પરિબળ ચંદ્રની રચના હતી.. એવું માનવામાં આવે છે કે થિયા નામનો ગ્રહ કદનો પદાર્થ પૃથ્વી સાથે અથડાયો હતો, જેનાથી ટુકડાઓ છૂટા પડ્યા હતા જેનાથી આપણા ઉપગ્રહનો જન્મ થયો હતો. આ ઘટનાએ મુક્ત થયેલી ઊર્જાને કારણે વાતાવરણની શરૂઆતની રચનાને પણ નોંધપાત્ર રીતે અસર કરી.
પ્રથમ પૃથ્વીનું વાતાવરણ: ઘટકો અને લાક્ષણિકતાઓ
હેડિયન યુગની સૌથી હિંસક ઘટનાઓ પછી, પૃથ્વી ધીમે ધીમે ઠંડી થવા લાગી, જેના કારણે ઘન પોપડો બન્યો.. આ સંદર્ભમાં, જેને આપણે પ્રથમ સ્થિર વાતાવરણ અથવા આદિમ વાતાવરણ તરીકે જાણીએ છીએ તે ઉભરી આવ્યું.
તેમાં મુક્ત ઓક્સિજન નહોતો, પરંતુ તે મોટાભાગે જ્વાળામુખી વાયુઓથી બનેલો હતો: કાર્બન ડાયોક્સાઇડ (CO2), પાણીની વરાળ (H2O), મિથેન (CH4), એમોનિયા (NH3), સલ્ફર (SO2) અને નાઇટ્રોજન (N2). આ વાયુયુક્ત મિશ્રણે એક ઘટાડાવાળું વાતાવરણ બનાવ્યું, જેનો અર્થ એ થયો કે તે ઓક્સિજનની હાજરીમાં થતી રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓથી વિપરીત, ઇલેક્ટ્રોન-ગેઇનિંગ રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓને પસંદ કરતું હતું.
મિથેન અને કાર્બન ડાયોક્સાઇડની ઊંચી સાંદ્રતા શક્તિશાળી ગ્રીનહાઉસ વાયુઓ તરીકે કામ કરતી હતી., જેના કારણે ગ્રહ પ્રવાહી પાણી જાળવી રાખવા માટે પૂરતી ગરમી જાળવી શક્યો, ભલે યુવાન સૂર્ય હાલમાં જે ગરમી ફેલાવે છે તેના માત્ર 70% જ ઉત્સર્જિત કરે છે.
સૂર્યનો ઝાંખો વિરોધાભાસ: પૃથ્વી કેવી રીતે ગરમ રહી?
ગ્રહના પ્રારંભિક ઉત્ક્રાંતિ વિશેનો એક સૌથી રસપ્રદ પ્રશ્ન એ છે કે જો સૂર્ય ઓછો તેજસ્વી હોત તો પૃથ્વીની સપાટી પર પ્રવાહી પાણી કેવી રીતે જાળવી શકાયું હોત.. આ ઘટનાને ઝાંખો યુવાન સૂર્ય વિરોધાભાસ તરીકે ઓળખવામાં આવે છે.
આ રહસ્ય માટે સૌથી સ્વીકૃત સમજૂતી આદિમ વાતાવરણની રચનામાં રહેલી છે.. કાર્બન ડાયોક્સાઇડ ઉપરાંત, મિથેન, જે ગ્રીનહાઉસ ગેસ તરીકે 20 થી 25 ગણું વધુ અસરકારક છે, તેણે વૈશ્વિક તાપમાન ઊંચું રાખવામાં મહત્વપૂર્ણ ભૂમિકા ભજવી હતી.
વધુમાં, ચંદ્રની નિકટતાને કારણે ભરતી-ઓટની ગરમી અથવા ગ્રહના આંતરિક ભાગમાં કિરણોત્સર્ગી તત્વોની વધુ માત્રા જેવા અન્ય પરિબળોએ પણ ગરમીનું કારણ આપ્યું.. આ બધા તત્વોના મિશ્રણથી મહાસાગરો પ્રવાહી સ્થિતિમાં રહી શક્યા, જે જીવનના ઉદભવ માટે એક મુખ્ય શરત હતી.
પ્રારંભિક ભૂસ્તરશાસ્ત્રીય પુરાવા: વાતાવરણ કેવું હતું તે આપણે કેવી રીતે જાણી શકીએ?
શરૂઆતના વાતાવરણ વિશેનું આપણું મોટાભાગનું જ્ઞાન ખૂબ જ જૂના ખડકોના વિશ્લેષણમાંથી આવે છે.. આમાં કાંપ રચનાઓ, પ્રવાહી સમાવેશ, સ્ટ્રોમેટોલાઇટ્સ અને આઇસોટોપિક વિશ્લેષણનો સમાવેશ થાય છે.
એક સ્પષ્ટ ઉદાહરણ BIFs અથવા બેન્ડેડ આયર્ન ફોર્મેશન છે, જે આયર્ન ઓક્સાઇડ અને સિલિકાના વૈકલ્પિક સ્તરો દર્શાવે છે. આ રચના ત્યારે થઈ હતી જ્યારે ફેરસ આયર્ન (Fe2+) સમુદ્રમાં પ્રારંભિક પ્રકાશસંશ્લેષણ જીવન સ્વરૂપો દ્વારા ઉત્પન્ન થતા ઓક્સિજન સાથે પ્રતિક્રિયા કરીને ઓક્સિડાઇઝ અને અવક્ષેપ થવા લાગ્યો.
બીજી બાજુ, પાયરાઇટ (FeS) જેવા ખનિજો2) પ્રાચીન કાંપવાળા ખડકોમાં હાજર હોવાનું સૂચવે છે કે પર્યાવરણ એનોક્સિક હતું, કારણ કે આ ખનિજ મુક્ત ઓક્સિજનની હાજરીમાં બની શકતું નથી.
પ્રાચીન સ્ફટિકોમાં ફસાયેલા વાયુઓનો સમાવેશ પણ મળી આવ્યો છે., જે ચોક્કસ સમયગાળાની વાતાવરણીય રચનાને યોગ્ય ચોકસાઈ સાથે પુનઃનિર્માણ કરવાની મંજૂરી આપે છે. આ બધા સંકેતોને જોડીને, ઓક્સિજન વગરના વાતાવરણથી ઓક્સિજનથી સમૃદ્ધ વાતાવરણ સુધીના પ્રગતિશીલ ઉત્ક્રાંતિને શોધી કાઢવું શક્ય બન્યું છે.2.
જૈવિક ક્રાંતિ: સાયનોબેક્ટેરિયા અને મહાન ઓક્સિડેશન ઘટના
સાયનોબેક્ટેરિયાનો ઉદભવ વાતાવરણના ઇતિહાસમાં સૌથી મહત્વપૂર્ણ ક્ષણોમાંનો એક છે.. આ પ્રકાશસંશ્લેષણ બેક્ટેરિયા, જે આજે પણ અસ્તિત્વ ધરાવે છે, તેમણે સૂર્યપ્રકાશ અને કાર્બન ડાયોક્સાઇડનો ઉપયોગ ઊર્જા ઉત્પન્ન કરવા માટે કરવાનું શરૂ કર્યું, જેનાથી આડપેદાશ તરીકે ઓક્સિજન ઉત્પન્ન થયું.
લાખો વર્ષો સુધી, ઉત્પન્ન થયેલ ઓક્સિજન મહાસાગરો અને ખડકો દ્વારા શોષાય છે.. ખાસ કરીને, તે ઓગળેલા આયર્ન સાથે પ્રતિક્રિયા આપે છે, જેના કારણે આયર્ન ઓક્સાઇડનો વરસાદ થાય છે અને ઉપરોક્ત BIFs ની રચના થાય છે. જ્યારે આ સિસ્ટમો સંતૃપ્ત થઈ ત્યારે જ વાતાવરણમાં ઓક્સિજન એકઠું થવા લાગ્યું.
આ ઘટના, જેને મહાન ઓક્સિડેશન તરીકે ઓળખવામાં આવે છે, તે આશરે 2.400 અબજ વર્ષ પહેલાં બની હતી અને તે જ સમયે તેના વિનાશક અને ક્રાંતિકારી પરિણામો પણ આવ્યા હતા.. ઘણી એનારોબિક પ્રજાતિઓ નવા ઓક્સિડાઇઝિંગ વાતાવરણમાં ટકી શકી ન હતી, જ્યારે અન્ય પ્રજાતિઓએ એરોબિક સેલ્યુલર શ્વસન જેવા ઓક્સિજનનો ઉપયોગ કરવા માટે પદ્ધતિઓ વિકસાવી હતી.
આબોહવા પરિવર્તન અને પ્રથમ હિમનદીઓ
મહાન ઓક્સિડેશન ઘટનાની આડઅસર વાતાવરણીય મિથેનનું પ્રમાણ ઘટાડવું હતું., ઓક્સિજન સાથે પ્રતિક્રિયા કરીને કાર્બન ડાયોક્સાઇડ અને પાણી બનાવે છે. મિથેન વધુ શક્તિશાળી ગ્રીનહાઉસ ગેસ હોવાથી, તેના ઘટાડાને કારણે વૈશ્વિક તાપમાનમાં તીવ્ર ઘટાડો થયો.
આનાથી પૃથ્વી પરનો પ્રથમ મુખ્ય હિમનદી માનવામાં આવે છે: હ્યુરોનિયન હિમનદી.. કેટલાક વૈજ્ઞાનિકો માને છે કે આ ઘટના એટલી આત્યંતિક હોઈ શકે છે કે પૃથ્વી સંપૂર્ણપણે થીજી ગયેલી "સ્નોબોલ" બની ગઈ, જે ઘટના હજુ પણ ચર્ચામાં છે પરંતુ ખૂબ જ બુદ્ધિગમ્ય છે.
પ્રોટેરોઝોઇક યુગ દરમિયાન, ઓછામાં ઓછા ત્રણ અન્ય નોંધપાત્ર હિમનદીઓ બની હતી, જેનો સમયગાળો અને અવકાશ હજુ પણ અભ્યાસ હેઠળ છે. પૃથ્વી ગરમ અને ઠંડા સમયગાળા વચ્ચે ફરતી હતી, જે ઘણીવાર ગ્રીનહાઉસ વાયુઓ, જ્વાળામુખીની પ્રવૃત્તિ, પ્લેટ ટેકટોનિક્સ અને ગ્રહોની ભ્રમણકક્ષામાં નાના અસંતુલનને કારણે થતી હતી.
વાતાવરણ અને જટિલ સજીવોનો ઉદભવ
ઓક્સિજનના ઊંચા સ્તર સાથે, યુકેરીયોટિક સજીવો તરફ ઉત્ક્રાંતિપૂર્ણ છલાંગ શક્ય બની.. આમાં એક વ્યાખ્યાયિત ન્યુક્લિયસ અને ઓર્ગેનેલ્સ હોય છે જેમ કે મિટોકોન્ડ્રિયા અને ક્લોરોપ્લાસ્ટ, જે એનારોબિક આથો કરતાં વધુ કાર્યક્ષમ રીતે ઊર્જા ઉત્પન્ન કરવા માટે ઓક્સિજનનો ઉપયોગ કરે છે.
આ કોષીય પ્રગતિએ ટૂંક સમયમાં બહુકોષીય જીવોના ઉદભવને મંજૂરી આપી, જે વધુ જટિલ પ્રાણી અને વનસ્પતિ જીવન સ્વરૂપોમાં વિકસિત થયા.. ઓઝોન સ્તર (O) પણ રચાયું હતું3), જે પૃથ્વીની સપાટીને અલ્ટ્રાવાયોલેટ કિરણોત્સર્ગથી રક્ષણ આપે છે, જે પાર્થિવ વાતાવરણના વસાહતીકરણને સરળ બનાવે છે.
આદિમ અને વર્તમાન વાતાવરણ વચ્ચે સરખામણી
| ગેસ | આદિમ વાતાવરણ | વર્તમાન વાતાવરણ |
|---|---|---|
| નાઇટ્રોજન (એન2) | નાના પ્રમાણમાં હાજર | ~ 78% |
| ઓક્સિજન (ઓ2) | દુર્લભ અથવા અસ્તિત્વમાં નથી | ~ 21% |
| કાર્બન ડાયોક્સાઇડ (CO2) | ખૂબ જ વિપુલ પ્રમાણમાં | ~ 0.04% |
| મિથેન (CH4) | મોટી માત્રામાં હાજર | ટ્રેસ |
| પાણીની વરાળ (H2O) | ખૂબ જ પરિવર્તનશીલ, પરંતુ વિપુલ પ્રમાણમાં | આબોહવા અનુસાર બદલાતું રહે છે |
અન્ય ગ્રહોનો અભ્યાસ કરવા માટે વાતાવરણ એક કસોટી તરીકે
પૃથ્વીના વાતાવરણીય ઉત્ક્રાંતિ વિશેના જ્ઞાનનો ઉપયોગ અન્ય અવકાશી પદાર્થોના વાતાવરણનું વિશ્લેષણ કરવા માટે પણ થાય છે., જેમ કે મંગળ, શુક્ર અથવા બાહ્ય ગ્રહો. તેમની લાક્ષણિકતાઓનો અભ્યાસ કરવાથી તે સ્થાપિત કરવામાં મદદ મળે છે કે શું તેઓ જીવનને ટેકો આપી શકે છે અથવા જો તેઓ ક્યારેય હતા.
તેવી જ રીતે, વાયુઓમાં નાના ફેરફારો કેવી રીતે આબોહવા અને બાયોસ્ફિયરમાં મોટા પાયે પરિવર્તન લાવી શકે છે તે સમજવું એ વર્તમાન સંતુલનની નાજુકતાને સમજવાની ચાવી છે.. પૃથ્વી પરના વર્તમાન આબોહવા પરિવર્તનના વિશ્લેષણમાં આનો સીધો ઉપયોગ થાય છે.
હેડિયનના સિલિકેટ વરાળથી લઈને આધુનિક સ્ટ્રેટોસ્ફિયરમાં ઓઝોનની હાજરી સુધી, પૃથ્વીનું વાતાવરણ એક ક્રિયાપ્રતિક્રિયાશીલ અને ગતિશીલ પ્રક્રિયાનું ઉત્પાદન રહ્યું છે.. ભૂસ્તરશાસ્ત્ર, જીવવિજ્ઞાન અને ખગોળશાસ્ત્ર એકબીજા સાથે જોડાયેલા છે અને આ કથાનું નિર્માણ કરે છે જે આપણા મૂળ અને ભવિષ્યને અર્થ આપે છે.