Происхождение земной атмосферы
Из всех планет Солнечной системы только Земля обладает уникальной атмосферой, благоприятной для развития и процветания высших форм жизни. Такой оптимальный для жизни состав земной атмосферы постепенно возник благодаря длительным взаимодействиям процессов дегазации Земли с геохимическими и биологическими преобразованиями вещества, приведшими к связыванию отдельных компонент атмосферы, например углекислого газа, сероводорода, галогенов и др., в осадочных породах и гидросфере нашей планеты и, наоборот, к высвобождению газа — эликсира жизни — кислорода. Но все эти биогеохимические преобразования состава атмосферы могли осуществляться только в узком температурном диапазоне существования жидкого состояния воды. И наше счастье, что согревающее нас Солнце является спокойной и небольшой звездой, а Земля расположена от него на таком расстоянии, что средняя температура земной поверхности в настоящее время не превышает + 15 °С. Если бы светимость Солнца была большей, в 3-4 раза, то Земля неизбежно «превратилась бы в Венеру» с плотной углекислотно-паровой атмосферой, а если меньшей, то замёрзла, подобно Марсу. В обоих случаях, естественно, ни о какой высокоорганизованной жизни и говорить не приходится.
Существует точка зрения, согласно которой первичная атмосфера Земли была захвачена гравитационным полем нашей планеты непосредственно из протопланетного облака ещё в процессе аккреции планет (Mayashi et al., 1979). Предполагается, что в этом случае масса такой атмосферы могла достигать 1025-1026 г, т.е. массы континентальной коры 2,25×1025 г (!), а давление у земной поверхности — намного превышать 104 бар (атм). При этом атмосфера становилась полностью непрозрачной и, следовательно, только за счёт парникового эффекта и адиабатического сжатия газовой смеси температура у её основания могла подниматься до десятков тысяч градусов! Однако никаких геологических следов существования у Земли столь экзотической атмосферы не обнаружено, а они должны были бы сохраниться в её летописи.
Кроме того, любые предположения о существовании у молодой Земли очень плотной атмосферы встречаются практически с непреодолимыми трудностями при объяснении механизмов её диссипации и перехода нашей планеты от столь экстремальных условий на поверхности к привычной нам комфортной для жизни ситуации. Даже при давлениях земной атмосферы порядка нескольких десятков бар у Земли должен был бы возникнуть необратимый парниковый эффект со вскипанием воды в океанах, после чего атмосферное давление поднялось бы до нескольких сотен бар и Земля также неизбежно «превратилась бы в Венеру».
Иногда для доказательства раннего происхождения атмосферы привлекаются данные по распределению изотопов благородных газов в атмосфере и мантии, однако при ближайшем рассмотрении этой проблемы такие аргументы оказываются полностью несостоятельными.
По значительно более реальным представлениям (Rubey, 1951; Полдервард, 1957; Виноградов, 1967, 1969; Шопф, 1982; Холленд, 1989; и др.), атмосфера Земли, как и её гидросфера, образовалась благодаря дегазации мантии — процесса, происходящего и сейчас, но, возможно, развивавшегося наиболее интенсивно на ранних этапах существования Земли. Обычно принимается, что первичная атмосфера состояла из паров воды, углекислого газа и других газовых фракций (H2S, CO, H2, N2, CH4, NH3, HF, HCl, Ar), т.е. была восстановительной. Развитие атмосферы с освобождением газообразного кислорода происходило в основном благодаря фотохимическим реакциям в верхних слоях атмосферы и фотосинтеза появившихся ещё в раннем докембрии сине-зелёных водорослей. Как уже отмечалось, происхождение атмосферы мы также связываем с дегазацией земных недр, но в отличие от наиболее популярных моделей начало этого процесса мы относим не к моменту формирования Земли, около 4,6 млрд лет назад, а к началу её тектонической активности, приблизительно 4 млрд лет назад. Кроме того, по нашей модели развитие этого процесса в начале геологической истории Земли было менее бурным, чем это предполагалось ранее. В отношении же состава первичной атмосферы и причин эволюции её состава в последующие геологические эпохи намечается несколько иной физико-химический подход.
Рассматривая происхождение и эволюцию атмосферы Земли, необходимо учитывать, что земное вещество (по сравнению с солнечным) было сильно обеднено летучими и подвижными элементами и соединениями. В противном случае современная атмосфера (и гидросфера) была бы значительно более мощной. Так, по оценкам Б. Мейсона (1971), относительное содержание водорода на Земле (по отношению к кремнию) меньше, чем в космосе в 106,6 раза, азота — в 105,9, углерода — в 104, инертных газов — в 106-1014 раза. Поэтому, несмотря на распространённость в космическом пространстве таких летучих соединений, как H2, He, N2, H2O, CO2, CH4, NH3 и др., в земном веществе их оказалось исключительно мало. По-видимому, такая первичная и значительная дифференциация земного вещества произошла ещё на допланетной стадии развития Солнечной системы (при прохождении Солнцем стадии развития звёзд типа Т-Тельца) за счёт интенсивного выметания летучих и легкоподвижных компонентов из внутренних частей протопланетного газопылевого облака на его периферию в область формирования планет-гигантов.
Находящиеся же в Земле летучие соединения и элементы (Н2O, СО2, N2, HCl, HF, HI и др.) могли попасть в неё только в связанном состоянии: вода с гидросиликатами, азот с нитридами и нитратами, углекислый газ с карбонатами, галогены с галоидами и т. д. Поэтому в процессе роста Земли такие компоненты оказывались погребёнными в недрах, а те остатки реакционно-активных летучих соединений, которые освобождались при ударных взрывах падавших на Землю планетезималей, должны были усиленно сорбироваться ультраосновным реголитом на поверхности растущей планеты и тоже погребались под новыми слоями выпадавшего на Землю метеоритного вещества.
Учитывая сказанное, можно принять, что первичная атмосфера Земли действительно состояла из инертных и благородных газов. Так, из-за малого времени «убегания» гелия из земной атмосферы — порядка 106 лет — его парциальное давление в первичной атмосфере Земли за время её формирования, около 108 лет, успевало прийти в равновесие и поэтому было не выше современного. Не должно было существовать тогда в атмосфере и заметного количества 40Ar — продукта распада радиоактивного калия 40К. Учитывая это, можно ожидать, что парциальное давление благородных газов в первичной атмосфере Земли не превышало 2×10-5 атм.
Определить парциальные давления остальных компонентов первичной атмосферы (N2, H2O, CO2 и CO) значительно сложнее, так как для этого необходимо знать сорбционную и реакционную способность газов на реголите ультраосновного состава, к тому же ещё содержащего свободные металлы (Fe, Ni, Co, Cr и др.). Однако можно ожидать, что и их давление, кроме инертного азота, не превышало 10-4 атм. По нашим приблизительным оценкам, основанным на определении средней температуры Земли на уровне океана во время развития Гуронского оледенения раннего протерозоя (1988), в первичной атмосфере азота содержалось около 0,6-0,7 атм.
Основная же масса углекислого газа, сейчас почти полностью связанного в горных породах и органическом веществе, и азота, безусловно, были дегазированы из мантии. Но необратимая дегазация земного вещества могла начаться лишь после того, как температура в недрах Земли поднялась до уровня частичного плавления силикатов и в мантии возникли первые конвективные течения, т.е. фактически только после возникновения у Земли астеносферы и подъёма через образовавшиеся трещины на земную поверхность расплавов мантийного вещества. Как мы уже отмечали, судя по возрастам самых древних пород земной коры и началу базальтового вулканизма на Луне, событие это произошло где-то около 4,0 млрд лет назад.
Существует точка зрения, согласно которой первичная атмосфера Земли была захвачена гравитационным полем нашей планеты непосредственно из протопланетного облака ещё в процессе аккреции планет (Mayashi et al., 1979). Предполагается, что в этом случае масса такой атмосферы могла достигать 1025-1026 г, т.е. массы континентальной коры 2,25×1025 г (!), а давление у земной поверхности — намного превышать 104 бар (атм). При этом атмосфера становилась полностью непрозрачной и, следовательно, только за счёт парникового эффекта и адиабатического сжатия газовой смеси температура у её основания могла подниматься до десятков тысяч градусов! Однако никаких геологических следов существования у Земли столь экзотической атмосферы не обнаружено, а они должны были бы сохраниться в её летописи.
Кроме того, любые предположения о существовании у молодой Земли очень плотной атмосферы встречаются практически с непреодолимыми трудностями при объяснении механизмов её диссипации и перехода нашей планеты от столь экстремальных условий на поверхности к привычной нам комфортной для жизни ситуации. Даже при давлениях земной атмосферы порядка нескольких десятков бар у Земли должен был бы возникнуть необратимый парниковый эффект со вскипанием воды в океанах, после чего атмосферное давление поднялось бы до нескольких сотен бар и Земля также неизбежно «превратилась бы в Венеру».
Иногда для доказательства раннего происхождения атмосферы привлекаются данные по распределению изотопов благородных газов в атмосфере и мантии, однако при ближайшем рассмотрении этой проблемы такие аргументы оказываются полностью несостоятельными.
По значительно более реальным представлениям (Rubey, 1951; Полдервард, 1957; Виноградов, 1967, 1969; Шопф, 1982; Холленд, 1989; и др.), атмосфера Земли, как и её гидросфера, образовалась благодаря дегазации мантии — процесса, происходящего и сейчас, но, возможно, развивавшегося наиболее интенсивно на ранних этапах существования Земли. Обычно принимается, что первичная атмосфера состояла из паров воды, углекислого газа и других газовых фракций (H2S, CO, H2, N2, CH4, NH3, HF, HCl, Ar), т.е. была восстановительной. Развитие атмосферы с освобождением газообразного кислорода происходило в основном благодаря фотохимическим реакциям в верхних слоях атмосферы и фотосинтеза появившихся ещё в раннем докембрии сине-зелёных водорослей. Как уже отмечалось, происхождение атмосферы мы также связываем с дегазацией земных недр, но в отличие от наиболее популярных моделей начало этого процесса мы относим не к моменту формирования Земли, около 4,6 млрд лет назад, а к началу её тектонической активности, приблизительно 4 млрд лет назад. Кроме того, по нашей модели развитие этого процесса в начале геологической истории Земли было менее бурным, чем это предполагалось ранее. В отношении же состава первичной атмосферы и причин эволюции её состава в последующие геологические эпохи намечается несколько иной физико-химический подход.
Рассматривая происхождение и эволюцию атмосферы Земли, необходимо учитывать, что земное вещество (по сравнению с солнечным) было сильно обеднено летучими и подвижными элементами и соединениями. В противном случае современная атмосфера (и гидросфера) была бы значительно более мощной. Так, по оценкам Б. Мейсона (1971), относительное содержание водорода на Земле (по отношению к кремнию) меньше, чем в космосе в 106,6 раза, азота — в 105,9, углерода — в 104, инертных газов — в 106-1014 раза. Поэтому, несмотря на распространённость в космическом пространстве таких летучих соединений, как H2, He, N2, H2O, CO2, CH4, NH3 и др., в земном веществе их оказалось исключительно мало. По-видимому, такая первичная и значительная дифференциация земного вещества произошла ещё на допланетной стадии развития Солнечной системы (при прохождении Солнцем стадии развития звёзд типа Т-Тельца) за счёт интенсивного выметания летучих и легкоподвижных компонентов из внутренних частей протопланетного газопылевого облака на его периферию в область формирования планет-гигантов.
Находящиеся же в Земле летучие соединения и элементы (Н2O, СО2, N2, HCl, HF, HI и др.) могли попасть в неё только в связанном состоянии: вода с гидросиликатами, азот с нитридами и нитратами, углекислый газ с карбонатами, галогены с галоидами и т. д. Поэтому в процессе роста Земли такие компоненты оказывались погребёнными в недрах, а те остатки реакционно-активных летучих соединений, которые освобождались при ударных взрывах падавших на Землю планетезималей, должны были усиленно сорбироваться ультраосновным реголитом на поверхности растущей планеты и тоже погребались под новыми слоями выпадавшего на Землю метеоритного вещества.
Учитывая сказанное, можно принять, что первичная атмосфера Земли действительно состояла из инертных и благородных газов. Так, из-за малого времени «убегания» гелия из земной атмосферы — порядка 106 лет — его парциальное давление в первичной атмосфере Земли за время её формирования, около 108 лет, успевало прийти в равновесие и поэтому было не выше современного. Не должно было существовать тогда в атмосфере и заметного количества 40Ar — продукта распада радиоактивного калия 40К. Учитывая это, можно ожидать, что парциальное давление благородных газов в первичной атмосфере Земли не превышало 2×10-5 атм.
Определить парциальные давления остальных компонентов первичной атмосферы (N2, H2O, CO2 и CO) значительно сложнее, так как для этого необходимо знать сорбционную и реакционную способность газов на реголите ультраосновного состава, к тому же ещё содержащего свободные металлы (Fe, Ni, Co, Cr и др.). Однако можно ожидать, что и их давление, кроме инертного азота, не превышало 10-4 атм. По нашим приблизительным оценкам, основанным на определении средней температуры Земли на уровне океана во время развития Гуронского оледенения раннего протерозоя (1988), в первичной атмосфере азота содержалось около 0,6-0,7 атм.
Основная же масса углекислого газа, сейчас почти полностью связанного в горных породах и органическом веществе, и азота, безусловно, были дегазированы из мантии. Но необратимая дегазация земного вещества могла начаться лишь после того, как температура в недрах Земли поднялась до уровня частичного плавления силикатов и в мантии возникли первые конвективные течения, т.е. фактически только после возникновения у Земли астеносферы и подъёма через образовавшиеся трещины на земную поверхность расплавов мантийного вещества. Как мы уже отмечали, судя по возрастам самых древних пород земной коры и началу базальтового вулканизма на Луне, событие это произошло где-то около 4,0 млрд лет назад.