3. Первичные атмосферы Земли

Согласно современным представлениям, основывающимся на определении содержания изотопов свинца в древнейших породах, содержащих уран, Земля образовалась около 4,6 млрд. лет назад из рассеянного в околосолнечном пространстве газопылевого облака 8,17.

Гравитационное сжатие протопланетного облака сопровождалось выделением теплоты. Радиоактивный распад короткоживущих изотопов, таких как ²⁶Al, и долгоживущих изотопов урана, тория, калия и рубидия также вызывал постепенный разогрев недр планеты. Дополнительным источником теплоты служили, очевидно, приливные деформации под действием гравитации Луны, формировавшейся одновременно с Землей. Выделение тепловой энергии, вероятно, приводило к частичному плавлению материала планеты и выделению газообразных веществ, как входивших в состав протопланетного облака, так и образовавшихся в результате химических процессов.

Таким образом, формирование плотной атмосферы Земли происходило за счет паров и газов, выделившихся при дегазации недр. Предполагается, что газы, извергавшиеся вулканами, в течение первых 500 млн. лет существования нашей планеты состояли главным образом из водорода, водяного пара, метана и оксидов углерода с примесью некоторых соединений серы. Конденсация водяного пара привела к образованию около 4 млрд. лет назад гидросферы. Очевидно, уже на этой стадии должны были произойти значительные изменения в составе атмосферы. Наиболее важными факторами ранней эволюции атмосферы наряду с продолжавшейся дегазацией мантии были такие процессы, как растворение диоксида углерода в водах гидросферы и диссипация в космос легких газов – водорода и гелия.

Самая важная отличительная черта атмосферы того периода – почти полное отсутствие в ней свободного кислорода. Образование некоторого количества кислорода должно было происходить в результате фотодиссоциации воды под действием ультрафиолетового излучения Солнца. Однако он не мог накапливаться в атмосфере, содержащей редуцирующие газы (H₂, CH₄, H₂S, SO₂ и т. д.) и находящейся в контакте с восстановительными породами земной коры. Кислород окислял вулканические газы, а образующиеся окислы опускались в нижние слои атмосферы.

Точный количественный состав вторичной бескислородной атмосферы неизвестен. Информацию об окислительном состоянии атмосферы в более ранние геологические периоды дают некоторые железистые формации (так называемые redbed), образовавшиеся на суше в результате метаморфических изменений и окисления желесодержаших пород под действием атмосферного воздуха и поверхностных вод. Самые ранние из этих формаций имеют возраст 2 млрд. лет. Это дает основание полагать, что переход к окислительной атмосфере произошел не позднее 2 млрд. лет назад.

Таким образом, история эволюции атмосферы на этом этапе продолжительностью около 2 млрд. лет предстает как процесс длительного «титрования» кислородом восстановительных компонентов окружающей среды. Переход к аэробной атмосфере начался, когда скорость выделения кислорода превзошла скорость поступления ионов Fe ²⁺ в океан. Воды древнего океана содержали большое количество ионов Fe ²⁺ и Mn ²⁺. Растворимые соединения двухвалентного железа и марганца входили в состав материалов земной коры и, благодаря выветриванию и эрозии, включились в миграционные процессы. Факт перемещения в растворенном виде восстановленных форм этих элементов говорит о существовании анаэробного окружения 6.

Выделите основные процессы при образовании первичной атмосферы…

1 крупномасштабный абиогенный синтез органических веществ из простых газов в пепло-газовых вулканических столбах;

2 накопление большого количества свободного кислорода, сопровождаемое извлечением диоксида углерода;

3 изменения в результате внутренней активности планеты и выброса в атмосферу глубинных вулканических газов;

4 изменения в результате действия газопылевого облака околосолнечного пространства.