Образование атмосферы Земли. Эволюция атмосферы

Из всех известных планет только на Земле сложилась уникальная атмосфера, благоприятная для развития жизни. В процессе эволюции атмосфера Земли пребывала в 3-х резко отличающихся составах.

Первичная атмосфера Земли была захвачена гравитационным полем нашей планеты непосредственно из протопланетного облака ещё в процессе аккреции планет. Состояла такая атмосфера из водорода и гелия. По мнению X.Холланда, первичная атмосфера в основном состояла из метана и водорода.

Предполагается, что в случае водородно-гелиевого состава масса первичной земной атмосферы могла достигать 10²⁵-10²⁶ г, а давление у поверхности намного превышать 10⁴ атм. При этом атмосфера становилась полностью непрозрачной и, следовательно, только за счёт парникового эффекта и адиабатического сжатия температура у её основания могла подниматься до десятков тысяч градусов. Однако следует отметить, что никаких геологических следов существования у Земли столь экзотической атмосферы не имеется, а они должны были бы сохраниться в её летописи. Кроме того, любые предположения о существовании у молодой Земли плотной атмосферы чрезвычайно трудно объяснить механизмами её диссипации и переходом от столь экстремальных условий к современным нормальным и комфортным для жизни.

Вторичная земная атмосфера образовалась путём дегазации летучих соединений из мантии в результате извержений вулканов. Этот процесс мог начаться лишь после возникновения в недрах Земли процессов дифференциации земного вещества, появления первых признаков эндогенной тектонической активности на земной поверхности 4-3,8 млрд. лет назад. Естественно предполагать также, что процесс дегазации зависел и от химического состава мантии. Поэтому рассмотрим основные черты эволюции её химического состава.

Удаление железа, его соединений и других сидерофильных элементов (Fe; FeO; FeS; Ni) из исходного земного вещества в зоне сепарации тяжелых фракций, как и дальнейший переход этих элементов из самой мантии в образовавшееся земное ядро, а легко подвижных элементов (Н₂О; К₂О; Na₂O; CO₂; N₂ и др.) в земную кору, гидросферу и атмосферу, должно сопровождаться соответствующими изменениями химического состава конвектирующей мантии. По мере удаления из мантийного вещества тяжёлой фракции («ядерного» вещества) относительная концентрация оставшихся в мантии элементов и оксидов возрастала.

Так, в раннем архее после удаления в процессе зонной дифференциации всего железа из первичного вещества содержание наиболее распространённых и малоподвижных оксидов SiO₂; MgO; А1₂О₃; СаО начинает возрастать. В настоящее время их концентрация в мантии приблизительно в 1,5 раза выше, чем в первичном земном веществе. Концентрация такого подвижного соединения, как Na₂О, также несколько повышалась. Соединения Н₂О, К₂О и Rb₂O выносились в большей степени, поэтому их содержание в мантии со временем уменьшилось приблизительно в два раза (если учитывать диссоциацию воды, то для неё такой перепад может оказаться существеннее). В ещё большей мере (в несколько раз) сократились концентрации радиоактивных элементов U и Th в мантии. Происходило это как за счёт распада самих радиоактивных элементов, так и благодаря их преимущественному переходу в континентальную кору. Начиная с середины архея со временем стала уменьшаться и концентрация FeO.

В протерозое и фанерозое, т.е. после начала функционирования бародиффузионного механизма дифференциации земного вещества остаточная концентрация элементов и соединений в мантии в результате перехода железа и его оксидов в ядро стала повышаться. Суммарная концентрация «ядерного» вещества (в пересчёте на Fe₂O) в мантии начиная с протерозоя со временем уменьшалась.

Таким же путём менялась в послеархейской мантии концентрация никеля, платиноидов, золота, сульфидов железа, свинца, меди и некоторых других сидерофильных элементов, переходящих в земное ядро.

После начала процесса дифференциации земного вещества в раннем архее концентрация металлического железа в конвектирующей мантии должна была быстро снизиться приблизительно до равновесной концентрации в силикатных расплавах. В позднем архее в связи с переходом процесса дифференциации земного вещества на сепарацию значительно более легкоплавких эвтектических сплавов Fe•FeO и Fe₂O концентрация металлического железа в конвектирующей мантии вновь стала возрастать и к концу архея (2,6•10⁹ лет назад) достигла уровня 5,5%.

Связано это с тем, что в конце архея (после перехода процесса дифференциации на сепарацию расплавов Fe•FeO) произошло резкое снижение температуры конвектирующей мантии, в результате чего плавление металлического железа уже стало невозможным, и поэтому полностью прекратился процесс его зонной сепарации.

Полностью металлическое железо исчезло из мантии только около 0,5 млрд. лет назад. Интересно отметить, что это время близко совпадает со временем появления царства животных и многоклеточных организмов в венде около 0,6 млрд. лет назад.

В течение всей докембрийской истории развития Земли в мантии, а следовательно, и в рифтовых зонах Земли уменьшалось содержание металлического железа — главного химического реагента, активно поглощавшего кислород из гидросферы и атмосферы. Лишь после почти полного исчезновения металлического железа из конвектирующей мантии в земной атмосфере мог накапливаться вырабатываемый растениями (и фотодиссоциацией воды) кислород в количествах, достаточных для появления и нормального функционирования животных форм жизни на Земле.

Непосредственная фильтрация летучих и подвижных элементов и соединений через плотное вещество мантии, характеризующееся вязкостью порядка ~10²⁰- 10²³ П, без его плавления практически полностью исключается из-за чрезвычайной малости коэффициентов диффузии в таком веществе: D = 10^-21- 10^-25 см²/с. Следовательно, из мантии во внешние геосферы (континентальную кору, гидросферу и атмосферу) литофильные и летучие компоненты могут переходить лишь по открытым глубинным разломам и только вместе с излияниями базальтовых магм мантийного происхождения.

Важно отметить, что сами процессы дифференциации литофильных и дегазация летучих соединений становятся возможными только благодаря существованию в мантии конвективного массообмена, постоянно доставляющего к поверхности Земли в зоны развития дренирующих разломов всё новые объёмы мантийного вещества, ещё не потерявшие летучих и подвижных составляющих и поэтому способных к сегрегации. Следовательно, скорость хода из мантии подвижных компонентов должна быть пропорциональной скорости конвективного массообмена в ней.

По-видимому, вторичная атмосфера состояла из паров воды, СО₂ и других газовых фракций (H₂S, CO, H₂, N₂, CH₄, NH₃, HF, HCl, Аг), т.е. сформировалась за счет поступления газов из внутренних регионов Земли и была существенно восстановительной. Часть выделяющихся газов под воздействием солнечной радиации распадались: водяной пар на водород и кислород, при этом последний вступал в химическую реакцию с оксидом углерода и образовывал углекислый газ; аммиак же разлагался на азот и водород, при этом водород в процессе диффузии улетучивался в космическое пространство и его содержание а атмосфере было невысоким. Необратимая дегазация могла начаться лишь после возникновения в мантии конвективных движений и её перегрева, сопровождавшегося выделением астеносферы.

На то, что архейская и раннепротерозойская атмосфера была резко восстановительной, указывают широко распространенные во многих отложениях того возраста (например, в формации Витватерсранд на юге Африки, формировавшейся длительное время от 3 до 2,2 млрд. лет назад) такие "кислородофобные" минералы, как обломочные пирит и уранинит, а первые несомненные индикаторы присутствия кислорода в атмосфере — красноцветные коры выветривания — появились лишь в среднем протерозое около 1,9-1,8 млрд. лет назад. При этом не следует забывать, что и столь характерные для раннего докембрия обильные отложения оксидно-железных руд также свидетельствуют о бескислородной атмосфере того времени, поскольку заметный перенос железа водным путем мог осуществляться только в его растворимой двухвалентной форме, а окисление железа до трёхвалентного состояния происходило в воде, практически без участия атмосферного кислорода.

Вторичная атмосфера очень походила на современную атмосферу Венеры: практически тот же состав воздуха со значительным преобладанием углекислого газа и значительный парниковый эффект. Содержание наиболее лёгких газов водорода и гелия значительно уменьшилось в результате их улетучивания в космическое пространство.

К этому этапу развития атмосферы относится и образование первых поверхностных водоёмов. Судя по первым осадочным породам, обнаруженных английскими геологами С. Мурбатом, Р.К. О'Найоном и Р.Дж. Панкхерстом в юго-западной Гренландии, можно считать, что океаны на Земле существовали уже 3,8 млрд. лет назад. Несмотря на то, что температура на поверхности планеты в те далёкие времена была намного выше чем сегодня, очень высоким было и давление у её поверхности, а как известно из курса физики: при росте давления температура кипения воды растёт.

Эволюция в сторону современной кислородной атмосферы не происходила до тех пор, пока не начала развиваться жизнь.

Неизвестно, какие случайные события вызвали синтез органических молекул или сборку способных к метаболизму самокопирующихся структур, которые мы называем организмами, но можно догадаться о некоторых необходимых условиях и ограничениях.

В 1950-е годы был большой оптимизм по поводу того, что открытие дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и лабораторный синтез подобных примитивным биомолекул из экспериментальной атмосферы, богатой метаном (СН₄) и аммиаком (NH₃), покажет ясную картину происхождения жизни.

Однако сейчас кажется более вероятным, что синтез биологически важных биомолекул происходил в ограниченных, специфических средах, таких как поверхности глинистых минералов, или в подводных вулканических выходах.

Наиболее вероятные предположения ведут к тому, что жизнь началась в океанах около 4,2-3,8 млрд. лет назад, но здесь нет данных об ископаемых. Древнейшие из известных ископаемых — бактерии из пород с возрастом около 3,5 млрд. лет. В породах этого возраста имеются свидетельства достаточно продвинутого метаболизма, при котором использовалась солнечная энергия для синтеза органического вещества. Самые ранние из этих реакций, вероятно, были основаны на сере (S), поступающей из вулканических выходов:

СО₂(r) + 2H₂S(r) > СН₂О(TB) + 2S(TB) + Н₂О(Ж) (органическое вещество)

В конце концов было достигнуто фотохимическое разложение воды, или фотосинтез:

Н₂О(Ж) + СО₂(r) > СН₂О(TB) + О₂(r)

Образование кислорода в процессе фотосинтеза имело важные последствия. Сначала кислород (О₂) быстро потреблялся в процессе окисления восстановленных веществ и минералов. Однако наступил момент, когда скорость поступления превысила потребление и О₂ начал постепенно накапливаться в атмосфере. Первичная биосфера под смертельной угрозой своего собственного отравляющего побочного продукта (О₂) была вынуждена приспосабливаться к таким изменениям. Она осуществляла это посредством развития новых типов биогеохимического метаболизма, которые поддерживают разнообразие жизни на современной Земле. Постепенно возникла атмосфера современного состава. К тому же кислород в стратосфере претерпел фотохимические реакции, приведшие к образованию озона (О₃), защищающего Землю от ультрафиолетового излучения. Для этого было достаточно количества кислорода в 25 тыс. раз меньше чем в настоящий момент и образования слоя озона со всего лишь вдвое меньшей, чем сейчас, концентрацией. Этого уже достаточно, чтобы обеспечить весьма существенную защиту организмов от разрушительного действия ультрафиолетовых лучей и позволить им начать колонизацию суши.

Одновременно с процессом накопления количества кислорода в атмосфере невысокими темпами росла доля азота, образующегося в результате окисления кислородом аммиачно-водородной атмосферы. Количество углекислого газа уменьшалось по мере эволюции мира растений и роста количества и объёма водоёмов гидросферы.

И в заключении стоит отметить, что все выше рассмотренные биогеохимические преобразования состава атмосферы могли осуществляться только в узком температурном диапазоне существования жидкого состояния воды (0 < Т < 100°С) и в условиях, при которых согревающее нас Солнце является спокойной и небольшой звездой, а Земля расположена от него ровно на таком расстоянии, что средняя температура земной поверхности не превышает 15°С. Если бы светимость Солнца была большей хотя бы в 1,5-2 раза, то Земля неизбежно превратилась бы в Венеру с плотной атмосферой (что наблюдалась на одном из этапов развития атмосферы), а если светимость Солнца была бы меньшей, то замерзла бы, подобно Марсу...