АРИОЗО — Происхождение земной атмосферы

Атмосфера согревает Землю. Она защищает нас от жесткого солнечного излучения. Она поддерживает нас, обеспечивая кислородом, которым мы дышим, и водой, которую мы пьем. Воздух также хранит огромные запасы углерода, используемого растениями, которые мы едим. Но Земля при рождении и в младенчестве не имела атмосферы. Воздух должен был появиться, вырасти из ничего. Как?

Чтобы узнать это, давайте перенесемся на 4,5 млрд лет назад — в эпоху, когда планеты все еще формировались, Солнечная система пребывала в хаосе, а углеродный цикл Земли только начинал складываться.

Земля получает углерод из космоса

Итак, мы на 4,5 млрд лет в прошлом. Протоземля образовалась как единое целое. Начала формироваться ее многослойная структура, состоящая из ядра, мантии и коры. Вместе с каменным дождем на Землю попали десятки химических элементов, большинство из которых — редкие{75}. В смеси компонентов доминируют несколько минералообразующих элементов: железо, кремний, магний и самый распространенный из них, дающий 90% общей массы, — кислород. Кальций, алюминий, никель и натрий составляют 90% остального. Прочее богатство Периодической таблицы встречается в меньших количествах — несколько атомов на тысячу азота и фосфора, несколько атомов на миллион лития и фтора и несколько атомов на миллиард бериллия и золота.

Земля и другие планеты земной группы — Меркурий, Венера и Марс — сформировались ближе всех к Солнцу, безжалостный жар которого испарил большинство газов. Потому-то эти каменистые внутренние планеты предпочли элементы, из которых могли образовываться твердые минералы. Самые же распространенные элементы космоса — газообразные водород и гелий — были в основном отброшены мощными солнечными ветрами далеко (на расстояние более 0,5 млрд км) от Солнца: в область газовых планет-гигантов Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна.

В космическом масштабе водород и гелий всегда составляют самую большую долю — 99% всех атомов. Из оставшегося 1% атомного вещества, которое формирует каменистые планеты, ключевую роль играют атомы углерода. Из атомов, не являющихся водородом или гелием, каждый четвертый — атом углерода. Только железо и кислород более распространены среди планетообразующих остатков. Однако в отличие от железа и кислорода большинство атомов углерода на ранних этапах истории Вселенной оказались заперты в маленьких летучих молекулах — углекислого и угарного газов, а также метана. В результате получилось, что запасы земного углерода скудны, но не понятно насколько: наше наиболее вероятное предположение — не более одного атома на сотню.

Весь углерод Земли пришел из космоса, из трех главных источников. Некоторое его количество было привнесено солнечным ветром, обогащенным углеродсодержащими газами Солнца. Более заметная доля пришла на Землю в составе черных богатых углеродом метеоритов, которые до сих пор время от времени падают с неба{76}. Эти удивительные камни доставили сюда также все виды органических молекул: нефтеподобные углеводороды и спирты плюс основные биомолекулы, а именно аминокислоты, сахара, пурины и пиримидины, которые играют существенные роли в ДНК и РНК, — все в собранном виде, готовые к химическим преобразованиям. Но самый важный вклад в растущие запасы земного углерода внесли кометы, исключительно богатые небольшими молекулами газов, в частности угарного и углекислого. Нельзя не упомянуть также, что кометы принесли и огромное количество воды, из которой образовались земные океаны.

Значительная часть этих запасов углерода циркулировала в составе флюидов глубоко под поверхностью, подвергаясь там температурам, достаточным для разделения большого скопления разных атомов на их простейшие молекулярные компоненты — азот, воду и углекислый газ. Так начался круговорот земного углерода. Поскольку горные породы в твердом состоянии не могут долго удерживать горячие, находящиеся под давлением подвижные флюидные потоки, те начали пробиваться к поверхности всевозможными путями. Они продвигались, растворившись в расплавленной породе — раскаленной магме, которая прокладывала себе путь наверх, используя любую трещину или щель. Недалеко от поверхности — возможно, на глубине 1 км или меньше, где давление падает ниже критического значения, — горячие потоки преобразовывались во взрывообразно расширяющийся газ. Подобно шампанскому из откупоренной бутылки, газы и измельченные в порошок камни вырывались наружу, создавая горячие фонтаны золы и воздуха. В более холодных зонах эти легкие подвижные молекулы также должны были подниматься сквозь кору, находя любой путь и постепенно заполняя огромные пространства покорной Земли. Освобожденная при этом вода стала первыми океанами, а газы — первым воздухом.

Никто не знает состава первичной атмосферы Земли{77}. Химически нейтральный газ, который доминирует в нынешнем воздухе, — изначально азот в форме молекул N2 с небольшой примесью аргона — безусловно, присутствовал с самого начала. Атмосфера Земли должна была подождать более 2 млрд лет, пока не накопится благотворный для жизни химически активный кислород O2, другой ее главный современный компонент. В первоначальной смеси должны были содержаться и зловонные вулканические, содержащие серу газы, такие как сероводород (H2S) и сернистый газ (SO2). В раннюю атмосферу Земли вошли также газы, насыщенные углеродом.

Углерод атмосферы сконцентрирован в составе трех простых молекул. Углекислый газ CO2 в наши дни заслужил множество публикаций в прессе (в большей их части он плохой). Это простая молекула — атом углерода в ней встроен в середину аккуратного ряда между двумя атомами кислорода. При низких температурах внешнего космоса углекислый газ, замерзая, может образовывать чистые бесцветные кристаллы, известные как сухой лед. На Земле CO2 — доминирующий в атмосфере углеродсодержащий газ. Его концентрация составляет, согласно последним измерениям, 400 частей на миллион и продолжает повышаться с каждым годом.

Вдали от звезд и планет, в глубоком космосе, где изолированные атомы находят друг друга лишь изредка, единичный атом кислорода может соединиться с единичным атомом углерода в угарный газ CO — одну из самых распространенных молекул космического пространства. Угарный газ всегда был второстепенным компонентом атмосферы Земли — менее одной части на миллион в воздухе, которым мы дышим сегодня. В нашей повседневной жизни угарный газ представляет реальную опасность, потому что он легко образуется при неполном сгорании углеродных видов топлива. При сгорании такого топлива углерод всегда соединяется с кислородом, но если перекрыть поток воздуха к вашей печи или камину, то кислорода для образования углекислого газа окажется недостаточно и ваш дом наполнится угарным газом. Последствия станут катастрофическими.

Угарный газ коварен, потому что он бесцветный и не имеет запаха, вследствие чего наши тела принимают его за кислород O2. Но, в отличие от кислорода, который мы быстро усваиваем при вдохе, угарный газ блокирует человеческое дыхание. Нехватка кислорода