Атмосфера на ранней стадии развития Земли

Атмосфера начала образовываться вместе с формированием Земли. В процессе эволюции планеты и по мере приближения ее параметров к современным значениям произошли принципиально качественные изменения ее химического состава и физических свойств. Согласно эволюционной модели, на раннем этапе Земля находилась в расплавленном состоянии и около 4,5 млрд. лет назад сформировалась как твердое тело. Этот рубеж принимается за начало геологического летоисчисления. С этого времени началась медленная эволюция атмосферы.

В догеологическое время, в фазу расплавления внешней сферы земного шара, огромные массы выделявшихся газов образовали первичную атмосферу Земли. Основными компонентами выделявшихся из недр Земли газов были углекислый газ и водяной пар. Состав первичной атмосферы Земли, образовавшейся за счет выделения газов и воды при расплавлении планетного вещества, был сходен по составу с компонентами вулканических извержений современности. Газы, выделяющиеся из современных вулканов, содержат преимущественно водяной пар. В составе газов базальтовых лав, например, гавайских вулканов с температурами до 1200°С водяной пар составляет 70-80% по объему. Вторым по значению компонентом, составляющим атмосферу, является углекислый газ. В газах из вулканических лав СО2содержится от 6 до 15%.

Итак, атмосфера того времени состояла главным образом из водяного пара с существенной примесью углекислого газа. В фазу расплавления внешней сферы земного шара практически вся гидросфера находилась в составе атмосферы. В эту фазу выделившийся водяной пар, охлаждаясь на большой высоте, образовывал густой облачный покров и интенсивные дождевые осадки. Однако падающие из облаков капли воды на некоторой высоте над поверхностью планеты, где температура воздуха была выше 100°С, превращались в пар, который снова поднимался вверх. Над раскаленной поверхностью Земли функционировал своеобразный круговорот воды: пар - дождевые осадки - пар, т. е. мощный парниковый эффект, аналогично наблюдаемый ныне на Венере.

В самый ранний период формирование плотной атмосферы вокруг остывающей Земли, по-видимому, происходило за счет паров и газов, выделяющихся в результате дегазации мантии. Предполагается, что в дальнейшем формирование атмосферы происходило за счет газов, извергающихся вулканами в течение первых 500 млн. лет существования Земли, которые состояли из водорода, водяного пара, метана, оксидов углерода, аммиака и др.

Круговорот воды в природе, локализованный в первичной атмосфере Земли вблизи температурного уровня 100°С, практически не оказывал влияния на общий ход эволюции планеты и на развитие ее поверхности. Но это были предпосылки могучего круговорота воды на Земле, который сформировался позже и имел огромное влияние на развитие природной среды и планеты в целом. После охлаждения земной поверхности до температуры ниже 100°С произошел переход атмосферного водяного пара в жидкую воду. На сухой и очень горячей тогда земной поверхности образовался сток, речная сеть и возникли водоемы. Земная поверхность стала сильно обводненной и начала подвергаться интенсивному воздействию водных потоков. Этот этап и явился началом геологической истории.

Следовательно, первоначальная атмосфера была восстановительной и содержала незначительное количество кислорода, который образовывался за счет фотодиссоциации водяного пара под действием ультрафиолетового излучения Солнца и дегазации базальтовой магмы. Конденсация водяного пара около 4 млрд. лет назад привела к образованию гидросферы.

Изменения температурных условий на Земле, а вслед за этим и всей природной обстановки не могли не отразиться и на атмосфере. Изъятие из атмосферы огромного количества воды и образование поверхностного стока и водоемов оказали огромное влияние на состав и эволюцию воздушной среды. Из водной атмосферы она превратилась в основном в углекислую, в которой водяной пар из господствующего компонента превратился во второстепенный.

Образование на земной поверхности крупных водоемов оказало воздействие на дальнейшую эволюцию атмосферы, в которой началось быстрое уменьшение содержания углекислого газа. СО2легко растворяется в воде, и основная его часть была поглощена ею. Во много раз уменьшилось и давление атмосферы. Природные условия на Земле резко изменились. Природная среда на нашей планете стала непохожей на ту, что была у нее в ранние фазы истории.

Некоторые геологические процессы, (например, излияния лавы при извержениях вулканов) сопровождались выбросом газов из недр Земли. В их состав входили азот, аммиак, метан, водяной пар, оксид СО и диоксид СО2углерода. Под воздействием солнечной ультрафиолетовой радиации водяной пар разлагался на водород и кислород, но освободившийся кислород вступал в реакцию с оксидом углерода, образуя углекислый газ. Аммиак разлагался на азот и водород. Водород в процессе диффузии поднимался вверх и покидал атмосферу, а более тяжелый азот не мог улетучиться и постепенно накапливался, становясь основным компонентом, хотя некоторая его часть связывалась в молекулы в результате химических реакций. Под воздействием ультрафиолетовых лучей и электрических разрядов смесь газов, присутствовавших в первоначальной атмосфере Земли, вступала в химические реакции, в результате которых происходило образование органических веществ, в частности аминокислот.

Из-за отсутствия значительных количеств кислорода, а, следовательно, и озона, ультрафиолетовые лучи легко проникали сквозь атмосферу, что создавало благоприятные условия для образования таких органических веществ, как аминокислоты и пиридиновые основания, являющиеся главнейшими составными частями живой материи. Исходными веществами для этого процесса служили молекулы метана, оксида углерода (II), водорода, воды и аммиака. Необходимо отметить, что предпосылкой усложнения структуры являлось отсутствие полной деструкции молекул органических соединений до углекислого газа и воды, как это происходит при наличии в атмосфере кислорода. Следовательно, в восстановительной атмосфере происходило не окисление органических веществ, а разложение их на отдельные фрагменты, которые служили исходным материалом для синтеза более сложных веществ. Эти органические вещества могли постепенно накапливаться в отдельных, наиболее благоприятных местах первобытного океана, например на берегах, что обеспечило возникновение жизни и ее прогрессивную эволюцию. Первыми видами живых организмов были, вероятно, бактерии, у которых обмен веществ происходил без участия кислорода. Они получили название анаэробных.

Следовательно, на ранней стадии развития существовала анаэробная восстановительная атмосфера, и если, в конце концов, произошел переход к атмосфере окислительной и аэробной, то фактором, ответственным за этот переход, явилась жизнедеятельность фотосинтезирующих организмов. Сущность жизнедеятельности этих организмов заключается в том, что при поглощении из внешней среды неорганических веществ (углекислого газа и воды) и солнечной энергии с помощью хлорофилла они производят органические вещества и кислород. Суммарная химическая реакция этого процесса выражается уравнением:

6 CO2+ 6H2= C6H12O6+ 6O2.

Живые организмы, появившиеся в водах древнего океана, стали определяющим фактором развития атмосферы. Важнейшим результатом деятельности этих организмов явилось накопление большого количества кислорода в атмосфере, сопровождаемое поглощением углекислого газа.

Процесс накопления в атмосфере кислорода способствовало возникновению озонового слоя, который способен задерживать большую часть коротковолновых и ультрафиолетовых лучей, губительных для всего живого. Озоновый слой образовался на высоте 25—30 км от поверхности Земли за счет фотохимической реакции

Когда озоновый слой атмосферы сформировался полностью, ультрафиолетовые лучи уже не достигали поверхности Земли и живые организмы смогли обитать на суше. Эволюция живых организмов пошла еще быстрее благодаря пышному развитию растительности. Все увеличивающееся содержание кислорода в атмосфере способствовало окислению аммиака, выделяющегося при интенсивном вулканизме. В результате реакции окисления аммиака образовывался азот:

4NH3+ 3O2= 2N2+ 6H2O.

Так постепенно создавалась азотно-кислородная атмосфера Земли. Большая часть кислорода, выделившегося вследствие фотосинтеза за геологическую историю планеты, была захоронена в литосфере в виде карбонатов, сульфатов, оксидов железа и других осадочных образований. Захоронению подвергался не только кислород, но и углерод. Продукцией биохимической деятельности живых организмов стали залежи каменных и бурых углей, нефти.

Процесс захоронения органического вещества способствовал обеднению атмосферы углекислым газом и обогащению кислородом. Древняя атмосфера, по современным расчетам, была насыщена СО2в 1000 раз больше, чем современная. Источником фотосинтетического кислорода является морская и континентальная растительность. Около 80 % общего его количества образуется в результате жизнедеятельности фитопланктона, содержащегося в верхних слоях морей и океанов. Фитопланктон представляет собой микроскопические растительные морские организмы. Наземные растительные организмы дают примерно 20 % фотосинтетического кислорода. По современным представлениям, весь свободный кислород атмосферы образовался в основном за счет двух мощных источников — фотосинтетического и эндогенного (глубинного), т. е. в результате дегазации базальтовой магмы.

По подсчетам В.И. Вернадского, общее количество свободного кислорода в атмосфере оценивается в 1,5 • 1015т, что согласуется с настоящими определениями.