КЛИМАТИЧЕСКИЕ ЭПОХИ ПРОШЛОГО, ЭВОЛЮЦИЯ АТМОСФЕРЫ НА ЗЕМЛЕ

Source http://www.evolbiol.ru/sorohtin11.pdf


Из всех планет Солнечной системы только Земля обладает уникальной атмосферой, благоприятной для развития и процветания высших форм жизни. Такой состав атмосферы возник эволюционно, благодаря длительным взаимодействиям процессов дегазации с геохимическими и биологическими преобразованиями вещества, приведшими к связыванию отдельных компонент атмосферы- углекислого газа, сероводорода, галогенов и др., в осадочных породах и гидросфере и к высвобождению кислорода. Все эти биогеохимические преобразования осуществились в узком температурном диапазоне жидкого состояния воды. Земля расположена от Солнца на таком расстоянии, что средняя температура земной поверхности в настоящее время не превышает + 15°С. Если бы светимость Солнца была больше в 3–4 раза, то Земля неизбежно “превратилась бы в
Венеру” с плотной углекислотно-паровой атмосферой, а если меньшей, то замерзла, подобно Марсу.

По представлениям (Rubey, 1951; Полдервард, 1957; Виноградов, 1967, 1969; Шопф, 1982; Холленд, 1989; и др.), атмосфера Земли, как и гидросфера, образовалась благодаря дегазации мантии – процесса, происходящего сейчас, но развивавшегося более интенсивно на ранних этапах Земли. 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 благодаря фотохимическим реакциям в верхних слоях атмосферы и фотосинтеза появившихся еще в раннем докембрии сине-зеленых водорослей.

Происхождение атмосферы также связано с дегазацией недр, но начало этого процесса относится не к моменту формирования Земли около 4,6 млрд лет назад, а к началу ее тектонической активности, приблизительно 4 млрд лет назад и развитие этого процесса в начале геологической истории Земли было менее бурным, чем это предполагалось ранее. В отношении же состава первичной атмосферы и причин эволюции ее 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 распространенность 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 еще на допланетной стадии развития Солнечной системы (при прохождении Солнцем стадии развития звезд типа Т-Тельца) за счет интенсивного выметания летучих и легкоподвижных компонентов из внутренних частей протопланетного газопылевого облака на его периферию в область формирования планет-гигантов.

Находящиеся в Земле летучие соединения и элементы (Н2О, СО2, N2, HCl, HF, HI и др.) могли попасть в нее 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 погребенными в недрах, а те остатки реакционно-активных летучих соединений, которые освобождались при ударных взрывах падавших на Землю планетезималей, должны были 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 состояла из инертных и благородных газов. Так, из-за малого времени “убегания” гелия из земной атмосферы – порядка 1Му – его парциальное давление в первичной атмосфере Земли за время ее формирования, около 100 Му, успевало прийти в равновесие и поэтому было не выше современного. Не должно было существовать тогда в атмосфере и заметного количества 40Аr – 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, H2О, СО2 и СО) сложнее, так как для этого необходимо знать сорбционную и реакционную способность газов на реголите ультраосновного состава, к тому же еще содержащего свободные металлы (Fe, Ni, Со, Cr и др.), однако можно ожидать, что и их давление, кроме инертного азота, не превышало 10–4 атм. По приблизительным оценкам О.Сорохтина, 1988, основанным на определении средней температуры Земли на уровне океана во время развития Гуронского оледенения раннего протерозоя, 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, была дегазирована из мантии, но необратимая дегазация 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 подъема через образовавшиеся трещины на земную поверхность расплавов мантийного вещества. 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.

АЗОТ
ДЕГАЗАЦИЯ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА
КИСЛОРОД
Эволюция атмосферы
ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ, ОЗОНОВЫЙ СЛОЙ, КЛИМАТИЧЕСКИЕ ЭПОХИ ПРОШЛОГО