Атмосферное давление на древней Земле было в два раза ниже современного
В архейских вулканических базальтовых породах возрастом 2,74 млрд лет сохранились следы газовых пузырьков, захваченных из окружающей среды жидкой лавой. Международная команда геофизиков, ориентируясь на размер этих следов, рассчитала атмосферное давление на древней планете. Оно оказалось в два раза ниже современного. По мнению ученых, столь низкое давление связано с малым количеством азота в архейской атмосфере. Низкая плотность атмосферы означает, что характеристики важных физико-химических процессов должны быть скорректированы. Кроме того, раньше считалось, что подогрев планеты был обусловлен усиленным поглощением инфракрасного излучения плотной атмосферой. Новые данные заставляют пересмотреть и эту гипотезу. Наиболее вероятная замена — высокая концентрация парниковых газов, предположительно метана.
Трудно вообразить себе тему более манящую, но и менее доступную для изучения, чем начало земной жизни. Основную проблему здесь составляет не недостаток идей, а редкость надежных материальных свидетельств тех давно минувших эпох. Речь идет об архее, то есть о временах примерно 3,8–2,7 млрд лет назад. С тех пор мало что уцелело в бурной истории планетарных преобразований. Тем ценнее те твердые крупицы фактической информации, на основе которых можно строить здание проверяемых гипотез. Новый блок такой информации использовали ученые из Вашингтонского университета вместе с коллегами из Университета Западной Австралии и Музея природы и науки в Денвере (США) для реконструкции древнейшей атмосферы Земли. Их выводы заставляют серьезно пересмотреть или, по крайней мере, задуматься о принятом на сегодня гипотетическом портрете древней Земли.
Эта команда уже несколько лет занимается изучением архейских отложений в районе Пилбара (Pilbara) в Австралии. В данном случае они работали с породами формации Бунгал (Boongal Formation). Возраст этих отложений оценивается как поздний архей, то есть 2,75 млрд лет. Это вполне интересный возраст: атмосфера планеты в этот период не слишком далеко ушла от своего состояния в начале земной жизни. По крайней мере, до старта кислородной революции оставалось еще 300 миллионов лет.
В формации Бунгал имеются вулканические слои, местами, как показывают особенности их строения, формировавшихся в прибрежной морской полосе. Для геологов это означает, что лавовые языки застывали на земной поверхности, а не под землей или под толщей воды на океаническом дне, и на нулевой высоте над уровнем моря, а не на километровом вулканическом кратере. Именно такие участки древних ландшафтов и подбирали ученые для решения задачи об измерении атмосферного давления. При прочих неизвестных параметрах — сомнительно реконструированные вышележащие слои земных пород, или глубина океана, или высота над уровнем моря — задача решалась бы в лучшем случае с большим допуском, а скорее, не решалась бы вовсе. Но для подобранных палеоландшафтов этими факторами можно было пренебречь.
Материальной основой для реконструкций послужили следы газовых пузырьков, захваченных лавовыми потоками из атмосферы при застывании. Естественно, за миллиарды лет от самой атмосферы в этих пузырьках практически ничего не осталось. Они заместились элементами материнской породы и вторичными минералами, превратившись в пятна другого цвета, состава и текстуры. Но при этом сохранилась неизменной их круглая форма. Если бы сама порода деформировалась или по тем или иным причинам испытывала дополнительное давление, то пузырьки бы сплющились, появились бы микротрещины. А раз нет ни того, ни другого, значит и размер пузырьковых пятен не изменился за долгую историю преобразований пород. Следовательно, опираясь на размер пятен, можно рассчитать и то давление, при котором они образовались. Размер пузырьков на поверхности лавы контролируется только атмосферным давлением, а с увеличением глубины лавового потока к атмосферному давлению прибавляется давление самого лавового материала. У поверхности пузырьки больше, внизу — меньше. Зная разницу в размерах пузырьков на разных глубинах и параметры вулканического материала, определяющего давление в толще потока, можно оценить атмосферное давление. Этот метод уже был с успехом опробован для измерения атмосферного давления на разных высотах над уровнем моря для более молодых вулканических отложений Турции и Китая.
Итак, вот размер пузырьков в разных слоях вулканического базальта, вот мощности вулканических слоев с пузырьками, вот плотность расплавленного базальта. Из этих данных легко высчитывается давление древней атмосферы: 0,23±0,23 атм. Оценить достоверность столь низких значений непросто. Но ученые сослались на свои предыдущие заключения (S. M. Som et al., 2012. Air density 2.7 billion years ago limited to less than twice modern levels by fossil raindrop imprints), которые были сделаны на основе изучения следов древних дождевых капель, сохранившихся примерно в тех же архейских слоях. При известном романтическом настрое можно вообразить, как в безветрии падают на черный пепел капли дождя, покрывая его оспинами мокрых лунок, в воздухе пахнет нашатырной свежестью, метановое безмолвие нарушается визгливым перестуком капель. Эта древнейшая инталия, запечатанная слоями тонкой пыли, навсегда сохранила в каменном прошлом память о том дожде.
Но сухие физические выкладки оставляют за скобками изумление перед природным чудом, принимая в расчет лишь глубину лунок от тех дождевых капель. Их можно измерить, и по этим измерениям оценить скорость падения капель, а зная эту скорость, перейти к плотности атмосферы. Дождевые капли дали величины давления порядка 0,52–1,1 атм, при этом более вероятной ученым виделась нижняя оценка в 0,52 атм, а не верхняя в 1,1 атм. С учетом прежних и новых данных была принята величина в 0,5 атм для атмосферы позднего архея. Низкое атмосферное давление объясняется существенно более низким содержанием в ней азота. В отсутствии кислородного выветривания магматических пород его количество должно быть по крайней мере вполовину меньше, чем в современной атмосфере. Предположительно, азот присутствовал в атмосфере в виде аммиачных и цианистых соединений.
Что дает столь низкое атмосферное давление для реконструкций других, опосредованных, условий на древнейшей Земле? Известно, что в то время на планете существовала текучая, не замерзшая вода, оледенения не было. При низком свечении Солнца — а оно было тогда примерно на 20% бледнее современного — какие-то условия должны были обеспечить сохранение тепла. Считалось, что такими утеплителями могли служить плотная атмосфера, поглощающая инфракрасное излучение, и высокое содержание углекислого газа, обеспечивающего парниковый эффект. Но если атмосферу из этого списка вычеркнуть, то остается только углекислый газ. А его доля в атмосфере, по имеющимся данным, не была настолько высока, чтобы поддержать должный подогрев планеты. Значит, основная роль в этом процессе принадлежала другим парниковым газам, например метану.
Кроме того, низкое атмосферное давление предполагает, что вода закипала при существенно более низкой температуре — 58°С. Значит, скорости и направления химических процессов отличались от современных. Также отличались и скорости фотохимической реакции фракционирования изотопов серы (см. Mass-independent fractionation), протекающие под действием ультрафиолета. По всей вероятности, потребуются новые расчеты масс-независимого фракционирования с подкорректированными атмосферными параметрами. Ведь на них базируется значительная часть рассуждений о климатических условиях и жизни на древней планете.
Источники:
1) Sanjoy M. Som, Roger Buick, James W. Hagadorn, Tim S. Blake, John M. Perreault, Jelte P. Harnmeijer and David C. Catling. Earth’s air pressure 2.7 billion years ago constrained to less than half of modern levels // Nature Geoscience. Published online 09 May 2016. DOI: 10.1038/ngeo2713.
2) Sanjoy M. Som, David C. Catling, Jelte P. Harnmeijer, Peter M. Polivka, Roger Buick. Air density 2.7 billion years ago limited to less than twice modern levels by fossil raindrop imprints // Nature. 2012. V. 484. P. 359–362. DOI: 10.1038/nature10890.
