Формирование и эволюция атмосферы Земли: от первичной до вторичной

Происхождение первичной атмосферы окутано научной неопределенностью. Согласно преобладающим моделям, она состояла преимущественно из лёгких газов: водорода, гелия, метана и аммиака, что резко контрастирует с современным составом. Эти летучие соединения, вероятно, выделились в процессе планетарной аккреции и интенсивной вулканической дегазации расплавленных недр в эпоху Хадея. Дополнительная гипотеза предполагает доставку воды и газов кометами во время поздней тяжёлой бомбардировки, что могло обогатить атмосферу и органическими молекулами.

Утрата первичной атмосферы связана с двумя катастрофическими событиями. Первым стал мощный солнечный ветер от молодого активного Солнца на стадии Т-Тельца. Вторым — гигантское столкновение с протопланетой Тейя, приведшее к образованию Луны. Это столкновение, вероятно, испарило и рассеяло остатки первичных газов в космос. Таким образом, современная вторичная атмосфера сформировалась позже, уже после остывания и затвердевания первичной земной коры.

Рисунок 1: Основные схемы циркуляции атмосферы Земли в виде карты (вверху) и вертикального разреза (внизу), иллюстрирующие глобальный перенос массы и энергии.

Формирование вторичной атмосферы началось с масштабной дегазации мантии через вулканизм в течение первых 50–100 миллионов лет. Вулканические выбросы поставляли водяной пар (H₂O), углекислый газ (CO₂), азот (N₂) и соединения серы, создавая новые атмосферные и океанические резервуары. Эта ранняя атмосфера была бескислородной (анаэробной) и практически не содержала свободного молекулярного кислорода (O₂), который появился намного позднее как продукт биологического фотосинтеза.

Состав и климатическая роль ранней атмосферы характеризовался экстремальным парниковым эффектом из-за высокой концентрации CO₂, CH₄ и, возможно, NH₃. Однако это компенсировалось парадоксом слабого молодого Солнца, чья светимость была на 25–30% ниже современной. Парниковые газы удерживали достаточно тепла для поддержания жидкой воды на поверхности, предотвращая превращение Земли в ледяной шар и создавая условия для абиогенеза — возникновения жизни.

Конденсация водяного пара и начало круговоротов произошла по мере остывания планеты. Атмосферная влага, конденсируясь, формировала первые дожди и первичный океан. Дождевая вода, насыщенная вулканическими газами (HCl, SO₂), превращалась в слабые кислоты — угольную (H₂CO₃) и серную (H₂SO₄). Эти кислоты инициировали химическое выветривание базальтовой коры, запуская долгосрочный геохимический цикл переноса углерода из атмосферы в гидросферу и осадочные породы.

Долгосрочная эволюция и регуляция климата в архейском эоне зависела от высоких концентраций парниковых газов, компенсировавших низкую солнечную светимость. Постепенно CO₂ из атмосферы связывался в карбонатных породах (известняках) через биогенное осаждение и неорганические процессы. Таким образом, углерод, некогда формировавший плотный парниковый покров, был законсервирован в литосфере, демонстрируя глубокую взаимосвязь между биосферой, атмосферой и геологическими циклами Земли.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Тимоти Куски

Источник: Энциклопедия наук о Земле и космосе

Данные публикации будут полезны студентам и аспирантам геологических специальностей, профессиональным геологам-тектонистам, специалистам в области геодинамики и региональной геологии, а также всем, кто интересуется фундаментальными процессами формирования и эволюции земной коры.