Рання атмосфера Землі є однією з найбільш захоплюючих і складних тем для дослідження походження нашої планети та самого життя. Розуміння того, як воно виникло, якими були його початкові компоненти та як воно змінювалося з часом, не тільки допомагає нам зрозуміти наше минуле, але й дає нам підказки до інших придатних для життя світів.
Задовго до того, як повітря складалося з кисню та азоту, як ми знаємо його сьогодні, загорнуте в захисний шар від сонячної радіації, атмосфера була ворожим середовищем., насичений токсичними газами та без сліду життя, як ми це розуміємо. Завдяки надзвичайно складним геологічним, хімічним і біологічним процесам ця примітивна версія поступилася місцем середовищу, яке уможливило еволюцію живих організмів.
Що таке атмосфера і чому вона є такою важливою для життя?
Атмосфера - це газовий шар, який оточує небесне тіло, в даному випадку Землю. Це набагато більше, ніж проста суміш газів: він діє як захисний екран і регулятор температуриі необхідний для розвитку та підтримки життя.
Сьогодні атмосфера Землі в основному складається з азоту (78%), кисню (21%) і суміші залишкових газів, таких як вуглекислий газ, аргон, водяна пара та озон.. Але цей склад не завжди був таким, і його еволюція відзначалася кардинальними змінами протягом мільярдів років.
Перший мільйон років: хаос хадіків
Приблизно 4.500 мільярда років тому Земля утворилася з хмари космічного пилу та газу, що дало початок Сонячній системі.. У перші кілька мільйонів років, відомих як хадічний еон, поверхня планети була океаном розплавленої магми, а атмосфера в той час була дуже нестабільною та ефемерною.
У цей ранній період планета зазнала інтенсивного бомбардування метеоритами в результаті події, відомої як пізнє важке бомбардування., між 4.100 і 3.800 мільйонами років тому. Ці удари принесли з собою летючі сполуки, такі як вода, аміак і метан, що сприяло формуванню ранньої атмосфери та океанів.
Важливим фактором, який супроводжував цей початковий хаос, було створення Місяця. Вважається, що об'єкт розміром з планету, відомий як Тея, зіткнувся із Землею, вивільнивши фрагменти, які дали початок нашому супутнику. Ця подія також суттєво вплинула на примітивну структуру атмосфери завдяки вивільненій енергії.
Перша земна атмосфера: складові та характеристики
Після найжорстокіших подій, описаних у хадисах, Земля почала повільно охолоджуватися, поки не утворилася тверда кора.. У цьому контексті виникла те, що ми знаємо як першу стабільну атмосферу або примітивну атмосферу.
Він не містив вільного кисню, але в основному складався з вулканічних газів: вуглекислого газу (CO2), водяна пара (H2O), метан (CH4), аміак (NH3), сірка (SO2) і азоту (N2). Цей газовий коктейль створив відновну атмосферу, що означає, що він сприяв хімічним реакціям, які отримували електрони, протилежним тим, які відбуваються в присутності кисню.
Високі концентрації метану та вуглекислого газу виступали як сильні парникові гази., що дозволило планеті зберегти достатньо тепла для підтримки води в рідкому стані, навіть незважаючи на те, що молоде Сонце випромінювало лише 70% тепла, яке воно зараз випромінює.
Парадокс слабкого Сонця: як Земля залишалася теплою?
Одне з найбільш інтригуючих питань про ранню еволюцію планети полягає в тому, як рідка вода могла підтримуватися на поверхні Землі, якби Сонце було набагато тьмянішим.. Це явище відоме як парадокс молодого і слабкого Сонця.
Найбільш прийнятне пояснення цієї таємниці полягає в самому складі первісної атмосфери.. Окрім вуглекислого газу, метан, який у 20-25 разів ефективніший як парниковий газ, відіграв вирішальну роль у підтриманні високих глобальних температур.
Крім того, інші фактори, такі як приливне нагрівання через близькість Місяця або більшу кількість радіоактивних елементів всередині планети, також сприяли нагріванню.. Поєднання всіх цих елементів дозволило океанам залишатися в рідкому стані, що є ключовою умовою появи життя.
Перші геологічні докази: як ми знаємо, якою була атмосфера?
Велика частина наших знань про ранню атмосферу походить від аналізу дуже старих порід.. До них належать осадові утворення, рідинні включення, строматоліти та ізотопний аналіз.
Яскравим прикладом є БІФ або стрічкові залізисті утворення., що показує чергування шарів оксидів заліза та кремнезему. Вони утворилися, коли двовалентне залізо (Fe2+) в океані почали окислюватися й випадати в осад під час реакції з киснем, утвореним першими формами фотосинтетичного життя.
З іншого боку, такі мінерали, як пірит (FeS2), наявні в стародавніх осадових породах, вказують на те, що середовище було безкисневим, оскільки цей мінерал не може утворюватися в присутності вільного кисню.
Також були знайдені вкраплення газів, захоплених у стародавніх кристалах, які дозволяють із значною точністю реконструювати склад атмосфери окремих періодів. Об’єднавши всі ці підказки, можна простежити прогресивну еволюцію від атмосфери без кисню до атмосфери, багатої O2.
Біологічна революція: ціанобактерії та Велике окислення
Поява ціанобактерій знаменує собою один із найважливіших моментів в історії атмосфери. Ці фотосинтезуючі бактерії, які існують і сьогодні, почали використовувати сонячне світло та вуглекислий газ для виробництва енергії, утворюючи кисень як побічний продукт.
Протягом сотень мільйонів років утворений кисень поглинався океанами та скелями.. Зокрема, він реагував з розчиненим залізом, викликаючи осадження оксидів заліза та утворення вищезгаданих BIF. Тільки коли ці системи насичувалися, в атмосфері почав накопичуватися кисень.
Ця подія, відома як Велике окислення, відбулася приблизно 2.400 мільярда років тому і мала водночас руйнівні та революційні наслідки.. Багато анаеробних видів не змогли вижити в новому окислювальному середовищі, тоді як інші розробили механізми використання переваг кисню, такі як аеробне клітинне дихання.
Зміна клімату та перші льодовикові періоди
Побічним ефектом Великого окислення було зменшення атмосферного метану, реагуючи з киснем з утворенням вуглекислого газу та води. Оскільки метан був сильнішим парниковим газом, його зменшення спричинило різке зниження глобальної температури.
Це дало початок тому, що вважається першим великим зледенінням на Землі: гуронським зледенінням.. Деякі вчені вважають, що ця подія могла бути настільки екстремальною, що Земля перетворилася на повністю замерзлу «снігову кулю», явище, яке досі обговорюється, але дуже ймовірне.
Протягом протерозойського еону відбулося принаймні три інших значних зледеніння, тривалість і масштаби якого залишаються в стадії вивчення. Земля коливалася між теплим і холодним періодами, часто через невеликий дисбаланс парникових газів, вулканічної активності, тектоніки плит і планетних орбіт.
Атмосфера і виникнення складних організмів
З вищим рівнем кисню став можливим еволюційний стрибок до еукаріотичних організмів. Вони мають певне ядро та органели, такі як мітохондрії та хлоропласти, які використовують кисень для виробництва енергії більш ефективно, ніж анаеробне бродіння.
Ці клітинні досягнення незабаром дозволили появі багатоклітинних істот, які еволюціонували у більш складні тваринні та рослинні форми життя.. Також утворився озоновий шар (О).3), який захищає поверхню Землі від ультрафіолетового випромінювання, сприяючи колонізації земних середовищ.
Порівняння первісної та сучасної атмосфери
| Газ | Первісна атмосфера | Поточна атмосфера |
|---|---|---|
| Азот (N2) | Присутні в меншій кількості | ~ 78% |
| Кисень (О2) | Мало або взагалі немає | ~ 21% |
| вуглекислий газ (CO2) | Дуже рясні | ~ 0.04% |
| Метан (CH4) | Присутній у великих кількостях | Слід |
| Водяна пара (H2O) | Дуже мінлива, але рясна | Змінна в залежності від клімату |
Атмосфера як тест для вивчення інших планет
Знання про еволюцію атмосфери Землі також використовуються для аналізу атмосфер на інших небесних тілах., як-от Марс, Венера або екзопланети. Вивчення їхніх характеристик допомагає визначити, чи могли вони підтримувати життя, чи вони коли-небудь підтримували життя.
Подібним чином розуміння того, як невеликі коливання газів можуть ініціювати масштабні зміни в кліматі та біосфері, є ключовим для розуміння крихкості поточного балансу.. Це має пряме застосування в аналізі поточних змін клімату на Землі.
Від силікатних парів Хадика до присутності озону в сучасній стратосфері атмосфера Землі була продуктом інтерактивного та динамічного процесу.. Геологія, біологія та астрономія взаємопов’язані, щоб створити цю історію, яка надає сенсу нашому походженням і майбутньому.