Эволюция атмосферы Земли

Атмосфера является газовой оболочкой Земли, где происходит разграничение внешней и внутренней окружающей среды биосферы.

Состав атмосферы в процессе эволюции Земли под влиянием метаболических процессов живых организмов существенно изменился и приобрел современное состояние. В настоящее время состав атмосферы стабилизировался на наблюдаемом уровне и остается неизменным.

Появление атмосферы

В атмосфере происходит свободное перемещение компонентов практически в любом направлении. Время полного перемешивания атмосферы в широком направлении происходит в течение нескольких месяцев и создать разность концентраций биогенов в ней в течение продолжительного времени невозможно.

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.

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 бóльшей, в 3–4 раза, то Земля неизбежно “превратилась бы в Венеру” с плотной углекислотно-паровой атмосферой, а если меньшей, то замерзла, подобно Марсу.

За время эволюции с момента образования биосферы состав атмосферы изменился принципиально — появился и стал одним из основных компонентов кислород, образовался защитный озоновый слой, значительно колебалась концентрация диоксида углерода и т. д.

На протяжении суток, а также в различные периоды года состав воздуха достаточно постоянен, что объясняется огромной массой земной атмосферы, интенсивным перемешиванием ее нижних слоев (в пределах тропосферы), большой скоростью диффузии газов. Исследования состава атмосферы за последние столетия показали хотя и медленное, но постоянное увеличение концентрации диоксида углерода и метана, относящихся к группе «парниковых газов».

В процессе развития Земли происходило изменение не только свойств подстилающей поверхности, но и состава атмосферы и гидросферы. На самых первых этапах эволюции Земли после завершения образования планеты, разогревания ее недр, формирования ядра, приведшим к активным проявлениям магматизма и, в частности, вулканизма, началась дегазация мантии и образование гидросферы и атмосферы.

В результате сложных процессов, протекающих в литосфере, сформировалась поверхность материков, образовались осадочные породы, почвы. Эволюция биосферы сопровождалась образованием биогенных веществ (каменного угля, горючих газов, торфа и т. д.), биокосных тел, возникших в процессе взаимодействия живой и неживой природы. Типичным биокосным телом является почва — основной объект сельскохозяйственного производства.

Что касается химического состава вулканических газов, то, по современным определениям, вулканические газы со­держат, прежде всего, значительное количество водяного пара. Например, в газах из базальтовых лав вулканов Мауна-Лоа (Гавайские острова) при температуре 1200 °С содер­жится примерно 70–80% водяного пара (по объему).

Следую­щей по значению составляющей вулканических газов является углекислый газ; в газах гавайских вулканов его содержится 6–15% (по объему). В вулканических газах содержится сернистый газ SО2 и азот. Встречаются также хлор, метан СН4 (иногда до 3%), аммиак NH3 и другие компо­ненты (SО2, S, Вг, F, Se, I, В).

Таким образом, можно считать, что на поверхность Земли при дегазации лав поступали пары воды, соединения углерода СО2, СО и СН4, аммиак, сера и ее соединения H2S и SО2, га­лоидные кислоты НС1, HF, HBr, HI, борная кислота, водород, аргон и некоторые другие газы. Эта первичная атмосфера сначала была тонкой, поэтому ее температура у поверхности Земли была очень близкой к температуре лучистого равновесия, получающейся в результате приравнивания потока поглощаемого поверхностью солнечного тепла потоку уходящего излучения поверхности Земли, пропорциональному четвертой степени температуры этой поверхности (по некоторым предположениям температура могла быть выше, чем при лучистом равновесии, из-за парникового эффекта, создававшегося аммиаком).

Эта температура (при современной отражательной способности Земли 0,28) в среднем равна 15 °С, но если принять, что поверхность Земли в катархее напоминала по своим отражательным свойствам лунную поверхность (аль­бедо 0,07), то средняя температура поверхности (при современ­ном уровне интенсивности солнечного излучения и излучательной способности базальта 0,93) оказывается равной около 5 °С. Таким образом, большая часть водяного пара вулканических газов должна была конденсироваться, превра­щаясь в воду и образуя гидросферу (Монин А.С., 1982).

Кислые дымы НС1, HF, НВг, аммиак NH3, сера S и ее сое­динения, значительная часть углекислого газа СО2 растворя­лись в капельках конденсировавшейся воды и выпадали в виде дождя кислот на поверхности Земли. Эти кислые потоки сте­кали в пониженные участки первичной поверхности Земли, од­новременно реагируя с подстилающими породами и извлекая из них эквивалентное количество щелочей и щелочных земель. По оценке В.М. Гольдшмидта, на 1 кг морской воды приходится 0,6 кг разрушенных горных пород; при их разрушении извлекается и переводится в океан 66% содержащегося в них натрия, 10% магния, 4% стронция, 2,5% калия, 1,9% кальция, 0,3% лития и т.д. Учитывая распространенность этих элементов в породах земной коры можно вычислить получающиеся концентрации соответствующих катионов в морской воде - они совпадают с фактическими характеристиками солености морской воды.

В то же время содержание главных анионов в морской воде во много раз выше, чем их количества, которые могут быть извлечены из горных пород. Особенно это относится к хлору и брому, которых в 1 кг современной морской воды в 200 и 50 раз больше, чем в 0,6 кг горных пород. Таким образом, хлор и бром могли попасть в воду только из продуктов дегазации мантии, и мы приходим к одному из основных тезисов А. П. Виноградова: все анионы морской воды возникли из продуктов дегазации мантии, а катионы – из разрушенных горных пород.

Таким образом, воды первичного океана были хлоридными, нейтральными (рН ≈ 7) и бессульфатными. Имеются и другие свидетельства отсутствия в древних атмосфере и океане свободного кислорода.

Наличие в атмосфере группы так называемых инертных газов (гелия, неона, аргона, криптона, ксенона) связано с непрерывным протеканием процессов естественного радиоактивного распада. Биологическое значение газов атмосферы очень велико. Для большинства многоклеточных организмов определенное содержание молекулярного кислорода в газовой или водной среде является непременным фактором их существования, обусловливающим при дыхании высвобождение из органических веществ, созданных первоначально в ходе фотосинтеза. Не случайно, что верхние границы биосферы (часть поверхности земного шара и нижняя часть атмосферы, где существует жизнь, т.е. равновесная система, в которой происходят процессы обмена веществ и энергии главным образом за счет жизнедеятельности организмов) определяются наличием достаточного объема кислорода.

В процессе эволюции организмы приспособились к определенному уровню содержания кислорода в атмосфере; изменение содержания кислорода в сторону уменьшения (или увеличения) оказывает неблагоприятный эффект (высотная болезнь, гипоксия, гипероксия).

Что насчёт состава атмосферы?

Первый этап возникновения атмосферы начался после завершения образования планеты, когда началось разделение первичного земного вещества на тяжелые (преимущественно железо) и относительно легкие (в основном кремний) элементы. Первые образовали земное ядро, вторые – мантию. Эта реакция сопровождалась выделением тепла, в результате чего стала происходить дегазация мантии – из нее стали выделяться различные газы. Сила тяготения Земли оказалась способной удержать их возле планеты, где они стали скапливаться и образовали атмосферу Земли. Состав этой начальной атмосферы существенно отличался от современного состава воздуха

Характерной чертой этого этапа было убывание углекислого газа и накопление азота, который к концу эпохи бескислородной атмосферы стал основным компонентом воздуха. Согласно исследованиям тогда же появился в качестве примеси и эндогенный кислород, возникший при дегазации базальтовых лав. Кислород возникал и в результате диссоциации молекул воды в верхних слоях атмосферы под действием ультрафиолетовых лучей. Однако весь кислород уходил на окисление минералов земной коры, и его не хватало на накопление в атмосфере.

Более 2 млрд. лет назад появились фотосинтезирующие сине-зеленые водоросли, которые для синтеза органического вещества стали использовать световую энергию Солнца. В реакции фотосинтеза использовался углекислый газ, а выделяется свободный кислород. Вначале он расходовался на окисление железосодержащих элементов литосферы, но около 2 млрд. лет назад этот процесс завершился, и свободный кислород начал накапливаться в атмосфере. Начался второй этап развития атмосферы – кислородный.

Кроме этих газов в атмосфере присутствовали метан, аммиак, водород и др.

Сначала рост содержания кислорода в атмосфере был медленным: около 1 млрд. лет назад оно достигло 1% от современного (точка Пастера), но этого оказалось достаточным для появления вторичных гетеротрофных организмов (животных), потребляющих кислород для дыхания. С появлением растительного покрова на континентах во второй половине палеозоя прирост кислорода в атмосфере составляло около 10 % от современного, а уже в карбоне кислорода было столько же, сколько и сейчас. Фотосинтетический кислород вызвал большие изменения и в атмосфере, и в живых организмах планеты. Содержание углекислого газа в процессе эволюции атмосферы существенно снизилось, так как значительная его часть вошла в состав углей и карбонатов.

На водород и гелий, широко распространенный во Вселенной, в атмосфере Земли приходится соответственно 0,00005 и 0,0005%. Земная атмосфера, т.о., является геохимической аномалией в космосе. Ее исключительный состав формировался параллельно с развитием Земли в специфических, присущих только ей космических условиях: гравитационное поле, удерживающее большую массу воздуха, магнитное поле, предохраняющее ее от солнечного ветра, и вращение планеты, обеспечивающее благоприятный тепловой режим. Формирование атмосферы шло параллельно с формированием гидросферы.

Первичная гелиево-водородная атмосфера была утеряна при разогреве планеты. В начале геологической истории Земли, когда происходили интенсивные вулканические и горообразовательные процессы, атмосфера была насыщена аммиаком, водяными парами и углекислым газом. Эта оболочка имела температуру около 100С. При понижении температуры произошло разделение на гидросферу и атмосферу. В этой вторичной углекислой атмосфере зародилась жизнь. С прогрессивным развитием живого вещества развивалась и атмосфера. Когда биосфера достигла стадии зеленых растений, и они вышли из воды на сушу, начался процесс фотосинтеза, что привело к формированию современной кислородной атмосферы.

Главной составной частью атмосферного воздуха сейчас яв­ляется азот (78% по объему).

Азот — химически малоактивный газ, но он входит необходимой частью в состав живой материи. Во многих случаях в выделяющихся из мантии вулканиче­ских газах совсем не отмечается азота. Вместо него в замет­ных количествах присутствует аммиак. Это позволяет предпо­ложить, что наблюдаемый в вулканических газах свободный азот в основном является продуктом окисления аммиака атмо­сферным кислородом и что азот попадал в первичную атмо­сферу именно в виде аммиака. Аммиак очень хорошо растворяется в воде: при нормальных условиях в 1 объеме воды растворяется около 700 объемов ам­миака.

Поэтому почти весь выделявшийся с вулканическими газами аммиак растворялся в конденсирующихся капельках воды и вымывался из атмосферы, где его оставалось очень мало. Некоторое количество остававшегося аммиака распада­лось под действием ультрафиолетового излучения Солнца, сво­бодно проходившего сквозь тонкую первичную атмосферу. Какими бы ни были промежуточные звенья на пути эволюции от азотсодержащих газов вулканических извержений до сво­бодного азота, нарастание массы азота атмосферы происходило, вероятно, в темпе, задаваемом эволюцией недр Земли.

Надо иметь в виду, что важные изменения в ха­рактере этой эволюции произошли вследствие возникновения жизни. Эти изменения заключались главным образом в окисле­нии аммиака, а также в изъятии некоторой части азота при синтезе живого вещества и захоронении органических останков.

Вторым по объему элементом в современной атмосфере является кисло­род.

Считается установленным, что первичная атмосфера Земли была практически бескислородной. Этому имеется целый ряд независимых доказательств. Первое из них – состав вул­канических газов. Даже в современных вулканических выделе­ниях, как упоминалось, очень мало кислорода, причем в пробах вулканических газов его тем меньше, чем тщательнее и чище методика отбора проб. В выделениях некоторых вулканов кис­лород полностью отсутствует. Кислород необходим для жизни, но, будучи исключительно сильным окислителем, он в то же время – яд для самых низкоорганизованных анаэробных микроорганизмов.

Современные пред­ставления о возникновении жизни, надежно подкрепленные экс­периментами, служат одним из важных аргументов в пользу бескислородной первичной атмосферы. Возникновение жизни из неорганической материи связано с постепенным усложнением ее организации. Из простых неор­ганических молекул возникают органические сначала микро-, а затем и макромолекулы, появляются коацерваты, форми­руются мембраны, возникает метаболизм и т. д. Если бы кисло­род находился в атмосфере и в океане в больших количествах, то он, безусловно, препятствовал бы такому развитию еще на стадии формирования органических микромолекул.

Образование кислорода в процессе фотосинтеза имело важные последствия. Сначала кислород (О2) быстро потреблялся в процессе окисления восстановленных веществ и минералов. Однако наступил момент, когда скорость поступления превысила потребление и О2 начал постепенно накапливаться в атмосфере.

Первичная биосфера под смертельной угрозой своего собственного отравляющего побочного продукта (О2) была вынуждена приспосабливаться к таким изменениям. Она осуществляла это посредством развития новых типов биогеохимического метаболизма, которые поддерживают разнообразие жизни на современной Земле. Постепенно возникла атмосфера современного состава. К тому же кислород в стратосфере претерпел фотохимические реакции, приведшие к образованию озона (О3), защищающего Землю от ультрафиолетового излучения.

Для этого было достаточно количества кислорода в 25 тыс. раз меньше чем в настоящий момент и образования слоя озона со всего лишь вдвое меньшей, чем сейчас, концентрацией. Этого уже достаточно, чтобы обеспечить весьма существенную защиту организмов от разрушительного действия ультрафиолетовых лучей и позволить им начать колонизацию суши.

Одновременно с процессом накопления количества кислорода в атмосфере невысокими темпами росла доля азота, образующегося в результате окисления кислородом аммиачно-водородной атмосферы. Количество углекислого газа уменьшалось по мере эволюции мира растений и роста количества и объёма водоёмов гидросферы.