Ранняя атмосфера Земли — одна из самых захватывающих и сложных тем при изучении происхождения нашей планеты и самой жизни. Понимание того, как она возникла, каковы были ее первоначальные компоненты и как она менялась с течением времени, не только помогает нам понять наше прошлое, но и дает нам подсказки о других обитаемых мирах.
Задолго до того, как воздух стал состоять из кислорода и азота, как мы знаем его сегодня, покрытых защитным слоем от солнечной радиации, атмосфера была враждебной средой., наполненный токсичными газами и не содержащий никаких следов жизни в нашем понимании. Благодаря чрезвычайно сложным геологическим, химическим и биологическим процессам эта примитивная версия уступила место среде, сделавшей возможной эволюцию живых организмов.
Что такое атмосфера и почему она так важна для жизни?
Атмосфера — это газообразный слой, окружающий небесное тело, в данном случае Землю. Это гораздо больше, чем простая смесь газов: она действует как защитный экран и регулятор температуры., и имеет важное значение для развития и поддержания жизни.
В настоящее время атмосфера Земли состоит в основном из азота (78%), кислорода (21%) и смеси остаточных газов, таких как углекислый газ, аргон, водяной пар и озон.. Но этот состав не всегда был таким, и его эволюция на протяжении миллиардов лет сопровождалась радикальными изменениями.
Первый миллион лет: Хаос Гадея
Примерно 4.500 миллиарда лет назад Земля образовалась из облака космической пыли и газа, давшего начало Солнечной системе.. В первые несколько миллионов лет, известные как гадейский эон, поверхность планеты представляла собой океан расплавленной магмы, а атмосфера в то время была крайне нестабильной и недолговечной.
В этот ранний период планета подверглась интенсивной бомбардировке метеоритами в ходе события, известного как Поздняя тяжелая бомбардировка., между 4.100 и 3.800 миллиардами лет назад. В результате этих столкновений в атмосферу попали летучие соединения, такие как вода, аммиак и метан, способствовавшие формированию ранней атмосферы и океанов.
Важным фактором, сопровождавшим этот первоначальный хаос, было создание Луны.. Предполагается, что объект размером с планету, известный как Тейя, столкнулся с Землей, высвободив осколки, из которых образовался наш спутник. Это событие также существенно повлияло на раннюю структуру атмосферы из-за выделившейся энергии.
Первая атмосфера Земли: состав и характеристики
После самых разрушительных событий Гадея Земля начала медленно остывать, что привело к образованию твердой коры.. В этом контексте возникло то, что мы называем первой стабильной или примитивной атмосферой.
Он не содержал свободного кислорода, а в основном состоял из вулканических газов: углекислого газа (CO2), водяной пар (H2О), метан (СН4), аммиак (NH3), сера (SO2) и азот (N2). Этот газовый коктейль создавал восстановительную атмосферу, то есть благоприятствовал химическим реакциям с получением электронов, в отличие от тех, которые происходят в присутствии кислорода.
Высокие концентрации метана и углекислого газа действовали как мощные парниковые газы., что позволило планете сохранить достаточно тепла для поддержания жидкой воды, хотя молодое Солнце излучало всего 70% тепла, которое оно излучает в настоящее время.
Парадокс слабого солнца: как Земля оставалась теплой?
Один из самых интригующих вопросов ранней эволюции планеты заключается в том, как на поверхности Земли могла сохраняться жидкая вода, если бы Солнце было гораздо менее ярким.. Это явление известно как парадокс слабого молодого Солнца.
Наиболее приемлемое объяснение этой загадки кроется в самом составе первичной атмосферы.. Помимо углекислого газа, метан, который в 20–25 раз эффективнее как парниковый газ, сыграл решающую роль в поддержании высоких глобальных температур.
Кроме того, другие факторы, такие как приливной нагрев из-за близости Луны или большее количество радиоактивных элементов в недрах планеты, также способствовали выделению тепла.. Сочетание всех этих элементов позволило океанам оставаться в жидком состоянии, что является ключевым условием для возникновения жизни.
Ранние геологические свидетельства: откуда мы знаем, какой была атмосфера?
Большая часть наших знаний о ранней атмосфере получена в результате анализа очень древних горных пород.. К ним относятся осадочные образования, жидкие включения, строматолиты и изотопный анализ.
Ярким примером являются железистые пласты или полосчатые железистые формации., которые показывают чередующиеся слои оксидов железа и кремния. Они образовались, когда двухвалентное железо (Fe2+) в океане начали окисляться и выпадать в осадок, реагируя с кислородом, вырабатываемым ранними фотосинтетическими формами жизни.
С другой стороны, такие минералы, как пирит (FeS2) присутствующие в древних осадочных породах указывают на то, что окружающая среда была бескислородной, так как этот минерал не может образоваться в присутствии свободного кислорода.
В древних кристаллах также были обнаружены включения захваченных газов., которые позволяют с достаточной степенью точности реконструировать состав атмосферы определенных периодов. Объединив все эти подсказки, удалось проследить постепенную эволюцию от атмосферы без кислорода к атмосфере, богатой O2.
Биологическая революция: цианобактерии и Великое окислительное событие
Появление цианобактерий знаменует собой один из важнейших моментов в истории атмосферы.. Эти фотосинтетические бактерии, которые существуют и по сей день, начали использовать солнечный свет и углекислый газ для производства энергии, выделяя кислород в качестве побочного продукта.
На протяжении сотен миллионов лет вырабатываемый кислород поглощался океанами и горными породами.. В частности, он вступил в реакцию с растворенным железом, вызвав осаждение оксидов железа и образование вышеупомянутых железистых соединений. Только когда эти системы стали насыщенными, в атмосфере начал накапливаться кислород.
Это событие, известное как Великое окисление, произошло примерно 2.400 миллиарда лет назад и имело одновременно разрушительные и революционные последствия.. Многие анаэробные виды не смогли выжить в новой окислительной среде, в то время как другие выработали механизмы использования кислорода, такие как аэробное клеточное дыхание.
Изменения климата и первые оледенения
Побочным эффектом Великого окислительного события стало сокращение содержания метана в атмосфере., реагируя с кислородом с образованием углекислого газа и воды. Поскольку метан является более мощным парниковым газом, снижение его концентрации привело к резкому падению глобальной температуры.
Это привело к возникновению того, что считается первым крупным оледенением на Земле: Гуронского оледенения.. Некоторые ученые полагают, что это событие могло быть настолько экстремальным, что Земля превратилась в полностью замерзший «снежный ком» — явление, которое до сих пор является предметом споров, но весьма правдоподобно.
В течение протерозойской эры произошло по крайней мере еще три значительных оледенения., продолжительность и масштабы которого все еще изучаются. На Земле наблюдались колебания между теплыми и холодными периодами, часто из-за небольших дисбалансов в парниковых газах, вулканической активности, тектонике плит и планетарных орбитах.
Атмосфера и возникновение сложных организмов
При более высоком уровне кислорода стал возможен эволюционный скачок к эукариотическим организмам.. Они имеют определенное ядро и органеллы, такие как митохондрии и хлоропласты, которые используют кислород для производства энергии более эффективно, чем анаэробная ферментация.
Эти клеточные достижения вскоре привели к появлению многоклеточных существ, которые впоследствии эволюционировали в более сложные формы жизни животных и растений.. Озоновый слой (О) также был сформирован3), который защищает поверхность Земли от ультрафиолетового излучения, способствуя колонизации наземной среды.
Сравнение первобытной и современной атмосферы
| Газ | Первичная Атмосфера | Текущая атмосфера |
|---|---|---|
| Азот (N2) | Присутствует в меньших пропорциях | ~ 78% |
| Кислород (О2) | Редко или вообще не существует | ~ 21% |
| Диоксид углерода (CO2) | Очень обильно | ~ 0.04% |
| Метан (CH4) | Присутствует в больших количествах | След |
| Водяной пар (H2O) | Очень изменчивый, но многочисленный | Зависит от климата |
Атмосфера как тест для изучения других планет
Знания об эволюции атмосферы Земли используются также для анализа атмосфер других небесных тел., такие как Марс, Венера или экзопланеты. Изучение их характеристик помогает установить, могли ли они поддерживать жизнь и делали ли это когда-либо.
Аналогичным образом, понимание того, как небольшие изменения в концентрации газов могут инициировать масштабные изменения климата и биосферы, является ключом к пониманию хрупкости текущего баланса.. Это имеет прямое применение в анализе текущих изменений климата на Земле.
От силикатных паров Гадея до присутствия озона в современной стратосфере — атмосфера Земли была продуктом интерактивного и динамического процесса.. Геология, биология и астрономия переплетаются, создавая этот рассказ, который придает смысл нашему происхождению и нашему будущему.