Продолжаем разбираться с историей нашей планеты. Сегодня статья о том, как появились в атмосфере газы, входящие в ее состав.
Атмосфера Земли идеальна, при средней температуре +15 Ц. Если бы она была ниже, Земля превратилась бы в Марс, холодную пустыню. Если бы она была выше, возник бы парниковый эффект, как на Венере.
Как так вышло? Мы рассмотрим модель формирования атмосферы Земли от группы Сорохтина (МГУ, Россия). Прежде всего, летучие соединения, такие как H2, He, N2, H2O, CO2, CH4, NH3 и др., еще на стадии протопланетного облака покинули состав земного вещества. Воду и газ для атмосферы остались только в связанном состоянии.
Первичная атмосфера Земли начала формироваться еще 4,6 млрд лет назад, при формировании самой планеты. Полное давление первичной атмосферы было равно 1,21 современной атмосфере.
Из каких газов состояла атмосфера ранней Земли? Кислорода и благородных газов практически не было. В основном атмосфера состояла из азота, причем 54% азота в современной атмосфере было выделено в атмосферу уже при формировании Земли, остальной азот выделился при дегазации мантии. Содержание азота поднималось с момента начала формирования атмосферы, достигло максимума около 2,7 млрд лет назад, и дальше стало плавно уменьшаться, за счет его связывания в биосфере и в неорганике, и понизилось до современного уровня 0,78 атм.
Далее следует упомянуть углекислый газ. График выделения углекислого газа сильно отличается от азотного. Если азот начал выделяться сразу при формировании Земли, то выделение углекислого газа сильно зависело от тектонической активности Земли. 4 млрд лет назад началось формирование коры, и при этом началось выделение углекислого газа. По мере продолжения формирования коры и ядра Земли, нарастала тектоническая активность, и нарастала скорость выделения углекислого газа. Максимума этот процесс достиг 2,7 – 2,5 млрд лет назад. Парциальное давление углекислого газа достигло 5 атмосфер. При этом большая масса углекислого газа была растворена в океанах, с концентрацией 40%. Воды океанов были горячими (55 Ц) и кислыми, и были сильными растворителями. Но после 2,5 млрд лет назад почти весь углекислый газ был связан в биосфере и карбонатах.
Примерно до 2 млрд лет назад содержание кислорода в атмосфере было крайне низким, до 10 –8 степени. Выделение кислорода в атмосферу происходило за счет фотодиссоциации воды, то есть за счет разложения воды на кислород и водород под действеим солнечного света. При этом кислород сразу же связывался в земной коре. Но около 2 млрд лет из мантии исчезло (осев в ядре) металлическое железо, связывавшее кислород, и кислород начал свободно выделяться в атмосферу. Появились организмы – эукариоты, чей обмен веществ основан на кислороде (и был более совершенным и энергоемким, по сравнению с бескислородным обменом веществ прокариотов), и его содержание в атмосфере стало быстро расти, биологическая генерация свободного кислорода быстро обогнала фотодиссоциацию. Кстати, это стало причиной первой в истории Земли экологической катастрофы – эукариоты (изначально бывшие прокаритами, адаптировавшимися к кислороду) стали активно увеличивать свой суммарный объем и насыщать атмосферу свободным кислородом, который был токсичен для прокариотов (большая часть которых не смогла перестроиться под кислород), из которых тогда состояла биосфера. Этот сценарий уничтожил большую часть тогдашней биосферы, выжили новомодные кислорододышащие эукариоты и прокариоты, спрятавшиеся в маргинальных труднодоступных экологических нишах.
700 млн лет назад кислорода было 1-5%, 400 млн лет назад (в девоне) содержание кислорода в атмосфере было уже 5% от полного объема всей атмосферы. В мезозое (около 240 млн лет назад) появились цветковые растения современного типа с продвинутым фотосинтезом, которые дали новое ускорение генерации кислорода, и довели его объем до современного уровня (21%).
В следующей статье посмотрим более комплексно, как менялась атмосфера в целом по давлению, температуре и химическому составу с момента формирования Земли.
Продолжение следует.
На этом спасибо за внимание!