§2. Эволюция атмосферы

На раннем этапе своей эволюции (4,5 – 4 млрд. лет назад) Земля, еще не имея гидросферы, по-видимому, уже обладала атмосферой, но очень разреженной. Она состояла, вероятно, в основном из молекул и атомов газов и паров, захваченных Землей из космического пространства – водорода, гелия, азота, воды, метана, аммиака, углекислого газа.

Существенное увеличение плотности атмосферы началось примерно 4 млрд. лет назад, вызванной активной дегазацией Земли вследствие изливавшихся на ее поверхность мантийных расплавов, которые в условиях чрезвычайно низкого атмосферного давления вскипали и выделяли в атмосферу летучие соединения, в частности, пары воды. В результате около 3 млрд. лет назад Земля уже имела мощную атмосферу с давлением до 4 атм, состоящую в основном из азота и углекислого газа.

Дальнейшая эволюция земной атмосферы связана с постепенным связыванием атмосферного углекислого газа и повышением в ней концентрации кислорода. Насыщение океанской коры водой сопровождалось в результате реакций гидратации связыванием избытка атмосферного углекислого газа в карбонатах (доломитах). В результате его концентрация в атмосфере существенно понизилась. Вследствие этого около 2,5 млрд. лет назад тепловое излучение от Земли стало почти беспрепятственно проникать через атмосферу (углекислый газ создает парниковый эффект) и температура на ее поверхности резко понизилась примерно с 90º до 6º С, что привело к грандиозному оледенению.

Существенную роль в уменьшении концентрации углекислого газа и насыщении атмосферы кислородом сыграл фотосинтез растений и микроорганизмов. Кроме того, обогащение атмосферы кислородом происходило вследствие фотодиссоциации паров воды высокочастотным электромагнитным излучением Солнца

Н₂О НО + О

и образование солей из оксидов щелочных и щелочноземельных металлов

Na₂O + 2Cl 2NaCl + O; CaO + 2F CaF₂ + O.

Наряду с выделением кислорода шел и обратный процесс его поглощения свободным железом:

2Fe + O₂ 2FeO.

Процесс окисления свободного железа в мантии завершился около 600 млн. лет назад, что привело к увеличению выхода кислорода в атмосферу. Это способствовало быстрому развитию многоклеточных организмов.

В настоящее время выделяющийся в мантии кислород частично поглощается с образованием магнетита:

3FeO + О Fe₃O₄.

Расчеты показывают, что через 600 млн. лет все железо в мантии будет находиться в состоянии магнетита. В мантии магнетит устойчив, но при опускании его в ядро Земли будет происходить обратная реакция:

2Fe₃O₄ 3FeO + 5О.

Свободный кислород через систему разломов срединных океанических хребтов устремится в атмосферу. Это приведет к быстрому увеличению давления до 10 атм и температуры до 250º С. Океан выкипит, что еще больше увеличит давление (до 350 атм) и температуру (до 450º С). Жизнь при таких условиях станет невозможной.

История атмосферы закончится через 5 млрд. лет, когда Солнце станет красным гигантом, и атмосфера Земли будет «сметена» солнечным ветром.