Окислительно-восстановительные условия
Несколько линий свидетельств имеется относительно более восстановленного состояния атмосферы в архее, чем в настоящее время.
1) Сохранность детритового уранинита и пирита в конгломератах Витватерсранда свидетельствует о низком уровне О2 в атмосфере.
2) Окислительное состояние атмосферы при выветривании влияет на мобильность элементов с разной степенью окисления, таких как Fe, Mg. Изучение палеопрофиля выветривания группы Фортескью (Зап. Австралия, 2.76-2,715 млрд.лет) позволило установить в его составе хорошо развитую серицитовую зону, сменяющуюся ниже гетерогенной зоной, обогащенной хлоритом и невыветрелыми базальтами. Элементы немобильные при выветривании (Al, Ti, Zr, Th) обогащают серицитовую зону вследствие удаления более подвижных компонентов, включающих Fe, Mn, Mg. Так как серицитовая зона обеднена Fe, оно должно было при выветривании удалятся в форме Fe2+. Это свидетельствует о том, что уровень атмосферного О2 в позднем докембрии мог составлять менее 8% современной величины.
3) Мелководные архейские осадки указывают, что превалировали, по крайней мере, слабо окислительные условия. Окремненный или баритизированный гипс широко распространен в ЗКП Барбертон и Пилбара. Гипс мог отлагаться на океанических вулканических островах, указывая, что сульфат ион присутствовал в морской воде, и поэтому либо солнечный свет, либо О2 были способны содействовать окислению восстановленных форм серы в воде.
Процессы, формировавшие архейскую атмосферу
Какие процессы формировали атмосферу в период 3,8-3,0 млрд.лет? Ее состав определялся высоко и низкотемпературными процессами. К первым относится поступление вулканических газов и их взаимодействие при высоких Т. Ко вторым – реакции выветривания под действием атмосферных компонентов.
Хотя время появления биосферы не ясно, она могла играть важную роль. Интенсивная метеоритная бомбардировка Земли закончилась к 3,8 млрд.лет, и явные свидетельства жизни в виде микрофоссилий, строматолитов и др. имеются с 3,5 млрд.лет.
В атмосфере рубежа 3,8 млрд.лет вероятно доминировали CO2, N2, H2O, в меньшем количестве присутствовали CO, H2, и в малых количествах сернистые газы. Окислительное состояние вулканических газов на раннем этапе находилось в пределах от современного до находящегося в равновесии с металлическим Fe. Этот состав поддерживался высокой скоростью вулканической дегазации, превышавшей современные скорости. Скорость привноса вулканических газов превышала среднюю скорость дегазации Земли за всю ее историю. Этот процесс доминировал в формировании атмосферы.
Атмосферный баланс СО2 складывался за счет его поступления с вулканическими газами и расхода в процессах выветривания. То есть поступление вулканического СО2 в атмосферу было, в конечном счете, сбалансировано скоростью удаления СО2 при выветривании. И его высокое содержание обуславливало интенсивное выветривание. Так как увеличение концентрации СО2 вызывало потепление за счет парникового эффекта, это в свою очередь увеличивало скорость потребления СО2 при выветривании, что стабилизировало земной климат. Чтобы поддержать присутствие жидкой воды в период 3,8 млрд.лет, несмотря на пониженную солнечную светимость в это время, архейская атмосфера должна была содержать более высокие, чем современные, концентрации СО2 и/или других газов, вызывающих парниковый эффект. Атмосферное давление СО2 порядка 0,2-2 бар могло поддерживать Т в области 5-20оС в раннем архее. Давление СО2 уменьшалось при увеличении солнечного излучения, что стабилизировало глобальные Т.