Современная атмосфера Земли состоит из азота (75,5 % по массе), кислорода (23,1 %), аргона (1,3 %), углекислого газа (0,05 %) и незначительного количества прочих веществ - гелия, водорода, неона, метана и других. В атмосфере также в качестве примесей содержатся водные пары от 0,2 до 2,5 % процентов по объему в зависимости от широты.
Начнем с самого начала. Откуда взялись азот, кислород, аргон, углекислый газ, вода и другие вещества?
По современным научным данным история нашей Вселенной началась 13,7 миллиардов лет назад.
Сначала произошло инфляционное расширение некоего флуктуационно возникшего пространства-времени.
Флуктуации - это возмущения напряженного вакуума, при котором создаются симметричные друг другу условно положительные и отрицательные импульсы энергии.
В будничные дни флуктуации возникают постоянно, и поскольку они симметричны, то взаимно гасят друг друга, то есть аннигилируют.
Но в Том случае будни отсутствовали, и имело место инфляционное расширение пространства-времени, при котором произошло непрерывное наращивание остатка от возникающих и аннигилирующихся флуктуаций. Все это произошло в течение 10^-36 секунды от начала Истории. Все дело, видимо, в этой быстроте и экспоненциальности происходящего - симметрия не успевала себя воспроизводить за столь в высшей степени экспоненциальным расширением и получился флюс, то есть ассиметрия.
Достигнув планковских характеристик, накопившаяся энергия перешла в состояние кварк-глюонной плазмы. Это назвали Большим Взрывом. Пространство-время продолжило расширение, но уже не так быстро. На начальном этапе температура и давление были достаточными для образования электронов, протонов и нейтронов, из которых строились атомы водорода и гелия. В итоге этого начального горячего этапа мы получили первичный состав вещества древней Вселенной - водород (75%), гелий (24 %) и дейтерий (1 %). Это самые легкие химические элементы. На остальное не хватило запаса энергии Большого Взрыва. Но и этого хватило для последующего счастья и торжества барионной природы Вселенной.
Для пополнения таблицы Менделеева прочими интересными веществами у нашей Вселенной есть Гравитация.
Под ее воздействием формировались звезды - гигантские газовые шарообразные образования, в ядрах которых происходят реакции термоядерного синтеза: из водорода синтезируется гелий, далее углерод, азот, кислород и так далее до железа. Термоядерная реакция до синтеза железа является экзотермической, то есть с положительным выделением энергии, которая удерживает сферы звезд от сжатия в нечто более плотное и маленькое. Когда ядро звезды становится железным, энергия, удерживающая звезду в стабильном состоянии, становится относительно отсутствующей, и происходит катастрофический коллапс (сжатие сфер звезды к ее центру) - взрыв сверхновой. В процессе сверхновой создаются условия для синтеза химических элементов тяжелее железа. В зависимости от масс исходных звезд при коллапсе образуется нейтронная звезда или черная дыра. А если звезда имела массу менее 10 Мс (масс Солнца), то взрыва сверхновой не происходит, просто внешние сферы звезды потихоньку отделяются от ядра бывшей звезды, оставляя последнее в виде белого карлика, а сами образуют водородо-гелиевую туманность с примесями углерода, азота, кислорода и прочих элементов близких групп.
Углерод, азот и кислород наряду с железом имеют свойства быть энергетически благоприятными для синтеза в ядрах звезд. Поэтому их больше, чем других элементов, кроме водорода и гелия, в молекулярных облаках, которые образуются от взрывов сверхновых. В сгустках горячих облаков при соответствующих условиях давления и температуры происходят реакции горения водорода в кислороде и углероде, что приводит к образованию воды и метана. Окисляется кислородом углерод с образованием углекислого газа. Горит инертный в нормальных условиях азот, образуя аммиак и окислы азота. Из таких сгустков газа и пыли в смеси с гелиево-водородной основой образуются следующие поколения звезд.
Считается, что вода является самым распространенным сложным веществом нашей Вселенной.
В процессе гравитационного сжатия ядро новой протозвезды (будущего Солнца, например) разогревается до температуры термоядерного синтеза (10 миллионов градусов Кельвина), и из ее недр через полюса извергаются джеты, состоящие из водяного пара, углекислого газа, метана, аммиака и прочих окислов, которые пополняют вещество планетарного околосолнечного диска. В этом диске на орбите в расстоянии 150 миллионов километров от Солнца из вещества, содержащего воду, железо, никель, окислы, силикаты и прочее, образовались астероиды, которые укрупнялись под действием гравитации, слипались в планетезимали и наконец, завершили образование планеты Земля и ее спутника Луны.
Земля с самого начала могла обладать первичной атмосферой, состоящей из водорода и гелия. Эта газовая смесь являлась основным веществом первичной Солнечной системы. Эти вещества хотя и выдувались солнечным ветром с ближайших окрестностей Солнца, полностью исчезнуть с орбиты, по которой вращалась вокруг центрального светила Земля, они были не обязаны: скорость теплового движения молекул водорода и гелия при нуле градусов Цельсия составляет порядка 0,5-1 км/сек., а вторая космическая скорость у поверхности древней Земли была около 13 км/сек.
Эти вещества не только выдувались солнечным ветром, но еще и пополнялись им же, поскольку он и состоит в общем-то из ионов и атомов водорода и гелия.
В начале развития Земли остаточная аккреция в виде метеоритного дождя из спутникового кольца при контакте с Землей разогревалась и даже оплавлялась, выделяя в атмосферу водяной пар, углекислый газ, метан, аммиак, сероводород и прочее.
А по мере разогрева поверхностных слоев земного грунта сильным приливным гравитационным взаимодействием с Луной, которая находилась в начале истории всего в 7000 километрах от земной поверхности, происходили плавление и дегазация верхних пород земного вещества, что приводило к поступлению в атмосферу опять же водяных паров, углекислого газа, метана и т.д. Эти относительно тяжелые газы вытесняли в верхние слои атмосферы водород и гелий.
В первой половине катархея (0-200 миллионов лет от начала истории Земли) основная масса атмосферы сорбировалась поверхностными породами реголита - метеоритного пористого вещества. По мере разогрева эти породы оплавлялись и вытесняли газ в атмосферу.
Во второй половине катархея (200-500 миллионов лет), по всей вероятности, атмосфера становилась плотной, поскольку усиливались вулканические процессы на глубинах до нескольких сот метров, особенно в экваториальном поясе Земли. Сформировался второй в истории Земли состав атмосферы из водяного пара, углекислого газа, метана, аммиака, сероводорода и прочих веществ.
Под действием солнечного ультрафиолета и рентгена вода, метан и аммиак распадались, углерод окислялся кислородом до углекислого газа, а инертный азот накапливался в атмосфере в виде молекул N2. Считается, что основным газом земной атмосферы начала архея был углекислый газ (ло 70 % по массе).
В это же время наращивался темп формирования гидросферы. Для этого не требовалось ничего такого, о чем толкуют американские научпопы, что вроде основная масса воды поступила к нам с астероидами и даже кометами. Первичные породы Земли содержали много воды - это идет от состава вещества первоначальной солнечной системы, т.н. молекулярного облака, в котором самым распространенным из составных веществ была вода.
Если так, то при разогреве земного вещества выделяется водяной пар, который остывая выпадает в виде осадков на поверхность Земли. К концу катархея Земля, скорее всего, покрылась мелководным мировым океаном. Об этом свидетельствуют железистые кварциты местечка Исуа в Гренландии, а также находки подобных пород в Канаде и Австралии. Их возраст оценивается в 3,7-4,0 миллиарда лет. Такие породы могли образоваться только в мелководье - под водой с доступом солнечного света.
В архее (4,0-2,5 миллиардов лет назад), когда гравитационная дифференциация и вулканическая деятельность пошли полным ходом, появилась достаточно мощная магнитосфера Земли, которая стала защищать атмосферу и гидросферу от эрозии солнечным ветром.
В архее одним из главных веществ атмосферы наряду с углекислым газом и азотом постепенно стал метан. Метан выделялся в атмосферу не только в составе вулканических газов. Его выделяли археи-метаногены - анаэробные одноклеточные организмы без ядер.
В вулканическом газе три четверти по массе занимает водяной пар. Охлаждаясь в атмосфере, он выпадал дождем на поверхность Земли, создавая Мировой океан. Вместе с дождем из вулканического газа в океан попадали НCl, HI, H2CO3, H2 SO4 и другие кислоты. Подкисленная вода океана вымывала из земных пород Na, K, Ca и другие щелочные металлы. Так сформировалась соленость Мирового океана, которая стала затем основой солевого баланса живых организмов.
В архее процесс дегазации мантии сопровождался диссоциацией воды при взаимодействии со свободным железом Н2О + Fе = FеО + Н2. Если бы не этот фактор, уровень океана был бы по расчетам академика О.Г. Сорохтина выше на 5 км. Планета Земля представляла бы из себя сплошной океан. Такая вот еще у железа была миссия - спасение Земли от окончательного потопа. Хотя в эпоху архея Земля была и в самом деле планетой сплошного океана.
Так уж счастливо сложилось для Земли, что диапазон атмосферных температур и давления у ее поверхности в архее создавал условия для жидкого состояния воды. Это позволило избежать нам участи Венеры (перегрев от излишнего парникового эффекта) и Марса (недогрев от недостаточного парникового эффекта). Земля оказалась в золотой середине между этими крайностями. Первопричиной этих вещей являлось, конечно, расстояние от Солнца. И, наверное, наличие Луны, без которой сложно себе представить первичный расплав верхнего слоя древней Земли. Хотя о Луне не стоит так расстраивать свое воображение - все планеты земной группы при своем образовании неизбежно имели свои луны в качестве первого разогрева. Это такая же закономерность, как снег в январе в Ивановской области.
Метан, водяной пар и углекислый газ обладают свойством парникового эффекта - прозрачность для светового диапазона солнечного света выше, чем для инфракрасного. Световой луч разогревает поверхность Земли, а парниковый газ удерживает тепло от рассеивания в космос. Так на Земле устанавливался теплый климат при том Солнце, которое было процентов на 30-35 холоднее современного.
Кислородные революции
Исследование земных пород возрастом свыше трех миллиардов лет показывает, что в тот период не происходило окисления веществ молекулярным кислородом. Такое вещество как закись железа FeO в присутствии О2 легко окисляется до гематита Fe2О3 и магнетита Fe3О4. Следовательно, атмосфера была бескислородной.
В конце архея (2,7 - 2,5 миллиардов лет назад) процессы окисления закиси железа стали иметь место. Появились источники молекулярного кислорода. Какая-то часть кислорода могла образовываться диссоциацией молекул воды под действием коротковолнового ультрафиолетового диапазона излучения Солнца. Но основными источниками молекулярного кислорода были фотоавтотрофы - цианобактерии. Эти организмы образовали многослойные цианобактериальные маты - строматолиты.
Цианобактерии под действием солнечного света превращали углекислый газ и воду в углеводы и молекулярный кислород. Но накопления кислорода в атмосфере не происходило, поскольку весь кислород уходил на окислительные процессы закисей железа и других веществ - пирита, графита и прочих.
И только в начале протерозоя (2,5 миллиарда лет назад) это накопление начало происходить. Это связано с тем, что к этому времени процессы гравитационной дифференциации земных недр привели к тому, что значительная часть железа погрузилась в глубь Земли, образовав ее ядро, и возобновление запасов оксидов двухвалентного железа замедлилось.
Параллельно с этим происходило уменьшение содержания метана в атмосфере. Во-первых, он разлагался под действием ультрафиолетового излучения Солнца. Во-вторых, по мере накопления в атмосфере кислорода вымирали анаэробные археи-метаногены. В-третьих, метан при контакте с молекулярным кислородом окислялся с образованием углекислого газа и воды.
Так началось превращение анаэробного мира в аэробный. Когда содержание кислорода достигло примерно одного процента от нынешнего показателя (точка Пастера) этот процесс завершился. Это произошло около 2,4 миллиарда лет назад. Биосфера была окончательно отравлена кислородом - первая в истории Земли глобальная экологическая катастрофа. Анаэробы массово вымерли, оставшись только в отдельных т.н. анаэробных карманах - недоступных для молекулярного кислорода местах (глубоко в недрах Земли и глубоко под водой). На их место пришли аэробные живые организмы.
При этом из-за исчезновения мощного парникового изолятора метана произошло первое в истории Земли Гуронское оледенение, длившееся около 200 миллионов лет (период 2,4-2,2 миллиарда лет назад).
Содержание кислорода в атмосфере стало достаточным для образования в верхней части атмосферы на высоте около 20 км от поверхности Земли озонового слоя из трехатомного кислорода О3. Озоновый слой имеет свойство поглощать ультрафиолетовое излучение Солнца, гибельное для живых организмов. Это позволило последним выйти на сушу и эволюционировать в качестве сухопутных организмов.
Содержание кислорода в атмосфере в протерозое (2,5 - 0,55 миллиардов лет назад) увеличивалось. Его значительную часть поглощал Мировой океан. И растущая аэробная биосфера также участвовала в потреблении значительного количества кислорода. К началу фанерозоя (палеозоя, кембрия, 550 миллионов лет назад) его содержание могло составлять около десяти процентов.
Карбоновый или каменноугольный период - это время господства на суше тропических лесов, в котором преобладали древесные гигантские споровые растения - папоротники, хвощи и плауны, а в сухих местах появились и голосеменные хвойные растения. Уровень кислорода в этот период достиг 35 процентов удельного веса в составе атмосферы. Это стало возможным благодаря изъятию углерода из окислительных процессов. Дело в том, что в тот период природа не подготовила механизмов переработки лигнина - древесного полимера. Деревья падали, не гнили, а скапливались в болотах, превращаясь в торф, а затем в каменный уголь. Таким образом, углекислый газ забирался из атмосферы, выделялся кислород, а углерод превращался в каменный уголь. Так произошла вторая кислородная революция.
И только в конце карбона появились грибы, способные разлагать лигнин.
Содержание кислорода после карбона сначала уменьшилось, затем стабилизировалось в современных значениях. Лигнин, вулканы, жизнедеятельность биоты и прочее создали то, что мы сейчас имеем.
Ах да, про аргон. Его в атмосфере 1,3 % по массе - довольно много. Откуда он взялся? В веществе Земли самым распространенным радионуклидом, способным к самопроизвольному ядерному распаду, является изотоп калий-40. Он способен к двум вариантам ядерной реакции - выделению электрона с образованием кальция-40 и выделению позитрона с превращением в аргон-40. Кальций в любом изотопном состоянии - это твердое вещество. Аргон-40 - это инертный газ в своем основном изотопном состоянии. Вот он и накопился в атмосфере от распада калия-40.
Владимир Черевичко
