 | Эволюция атмосферы |
Определив закономерности накопления главных составляющих, легко рассчитать суммарную картину эволюции состава земной атмосферы, если добавить накопление 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 является радиоактивный изотоп калия 40К, 89% которого путем в-распада превращается в изотоп 40Са, тогда как остальная часть (11%) путем электронного захвата переходит в аргон 40Ar. Калий является типичным литофильным элементом и накапливается в континентальной коре пропорционально ее росту. Во время перехода калия в континентальную кору из океанической коры, 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 должно быть пропорционально росту континентальной коры.
В катархее, около 4,6–4 млрд лет назад, атмосфера Земли была менее плотной, чем сейчас и состояла из азота (0,67 атм) с небольшими примесями благородных газов (2•10–5 атм). В архее началось быстрое нарастание давления углекислого газа, и атмосфера стала углекислотной с подчиненным 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 2,7 млрд лет назад превышало 6 атм.
Помимо углекислого газа в атмосфере раннего архея накапливался метан, образующийся при окислении железа водой в присутствии углекислого газа по реакции 4Fe + 2H2O + CO2--- 4FeO + CH4 + 41,8 ккал/моль.
Наиболее интенсивно этот процесс развивался на самых ранних этапах дегазации Земли в начале архея, когда большая часть поверхности Земли была сложена первозданным реголитом, содержавшим до 13 % металлического железа. В составе атмосферы того времени метан превалировал над СО2. Кроме того, в архее в небольших количествах генерировалась окись углерода, возникающая при взаимодействии углекислого газа с горячим железом Fe + CO2 + 4,05 ккал/ моль --- FeO + CO.
Отсюда видно, что атмосфера в начале раннего архея была восстановительной и азотно-углекислотно-метановой по составу. Через 100 Му, после полной гидратации первозданного реголита, восстановительный потенциал архейской атмосферы резко снизился благодаря фотодиссоциации метана солнечным излучением и образования формальдегида СН4 + СО2 + hν ---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 и резко активизировались процессы связывания углекислого газа в карбонатах. В результате быстро изменения (примерно 100 Му) 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 в атмосфере фанерозоя стал постепенно накапливаться кислород, и она приняла привычный азотно-кислородный состав, а ее давление поднялось до 1 бара. В фанерозое максимального давления атмосфера достигала в середине мезозоя, когда скорость генерации кислорода стала максимальной в связи с широким распространением цветковых растений.
Давление земной атмосферы продолжит снижаться за счет связывания микроорганизмами азота в почвах континентов, но через 600 Му начнется дегазация из мантии эндогенного кислорода, освобождающегося при образовании “ядерного” вещества Fe•FeO из предельно окисленных к тому времени окислов железа мантии и давление кислорода в атмосфере возрастет до 40 атм и выше.