Эволюция химического состава и давления земной атмосферы

Определив отдельно основные закономерности накопления в атмосфере главных составляющих, легко рассчитать суммарную картину эволюции состава земной атмосферы и её давление. Следует добавить ещё накопление в атмосфере радиогенного аргона ⁴⁰Ar, содержание которого в современной атмосфере достигает 1,28 % по массе (суммарная масса аргона на 99,6% состоит из изотопа ⁴⁰Ar). Источником изотопа ⁴⁰Ar, как известно, является радиоактивный изотоп калия ⁴⁰K, большая часть которого (около 89%) путём β-распада превращается в изотоп ⁴⁰Ca, тогда как остальная часть (11%) путём электронного захвата переходит в аргон ⁴⁰Ar. Калий является типичным литофильным элементом и накапливается в континентальной коре пропорционально её росту. Во время перехода калия в континентальную кору из океанической коры (см. рис. 76) происходит плавление корового материала, при этом накопившийся в калиевых минералах аргон освобождается и, как летучий элемент, большей частью поступает в атмосферу. Поэтому накопление аргона в атмосфере в первом приближении должно быть пропорционально росту континентальной коры (см. рис. 79). Суммарная картина изменения состава и давления атмосферы Земли изображена на рис. 122 (в связи с малыми значениями парциального давления аргона его концентрация на рисунке отдельно не показана, но включена в кривую давления азота).







Как видно из графиков, в катархее, около 4,6-4 млрд лет назад, атмосфера Земли была менее плотной, чем сейчас и состояла в основном из азота (0,67 атм), лишь с небольшими примесями благородных газов (~2×10^-5 атм). В архее началось сравнительно быстрое нарастание давления углекислого газа, и атмосфера в основном стала углекислотной с подчинённым содержанием азота. В пике развития архейской атмосферы парциальное давление углекислого газа превышало 5 атм при парциальном давлении азота около 1 атм, поэтому суммарное давление атмосферы тогда (около 2,7 млрд лет назад) превышало 6 атм.

Помимо углекислого газа в атмосфере раннего архея должен был накапливаться метан, образующийся при окислении железа водой в присутствии углекислого газа



Наиболее интенсивно этот процесс должен был развиваться на самых ранних этапах дегазации Земли в начале архея, когда большая часть поверхности Земли ещё была сложена первозданным реголитом, содержавшим до 13 % металлического железа. В составе атмосферы того времени метан мог даже превалировать над CO₂. Кроме того, в архее в небольших количествах генерировалась и окись углерода, возникающая при взаимодействии углекислого газа с горячим железом.

Отсюда видно, что атмосфера в начале раннего архея, была существенно восстановительной и азотно-углекислотно-метановой по составу. В дальнейшем, приблизительно через 100 млн лет, после полной гидратации первозданного реголита, восстановительный потенциал архейской атмосферы должен был резко снизиться благодаря фотодиссоциации метана солнечным излучением и образования формальдегида

CH₄ + CO₂ + hv → 2HCOH.

В результате архейская атмосфера стала углекислотно-азотной лишь с небольшими добавками метана и равновесным содержанием влаги.

В протерозое после выделения земного ядра и резкого снижения тектонической активности Земли в океанической коре возник серпентинитовый слой (см. рис. 111) и резко активизировались процессы связывания углекислого газа в карбонатах по реакциям типа (47) и (48). В результате довольно быстро (в течение примерно 100 млн лет) из атмосферы оказался выведенным практически весь углекислый газ и земная атмосфера стала азотной с общим давлением около 1 атм. Наконец, после полного исчезновения свободного (металлического) железа из мантии в конце протерозоя (см. рис. 39) в атмосфере фанерозоя стал постепенно накапливаться кислород, и она приняла привычный азотно-кислородный состав, а её давление поднялось до 1 бара. В фанерозое максимального давления атмосфера, по-видимому, достигала в середине мезозоя, когда скорость генерации кислорода стала максимальной в связи с широким распространением тогда по Земле цветковых растений.





В будущем общее давление земной атмосферы продолжит постепенное снижение за счёт связывания микроорганизмами азота в почвах континентов. Процесс этот продолжится до тех пор, пока в будущем, приблизительно через 600 млн лет, не начнётся дегазация из мантии эндогенного кислорода, освобождающегося при образовании «ядерного» вещества FeFeO по реакции (15) из предельно окисленных к тому времени окислов железа в мантии. После этого давление кислорода в атмосфере Земли начнёт стремительно возрастать вплоть до 40 атм и выше. Но произойдёт это, на наше счастье, ещё очень не скоро.