Атмосфера и океаны Земли появились постепенно после формирования планеты. Газы выделялись из разогретых недр и поступали вместе с летучими веществами падавших тел. Когда поверхность достаточно остыла, водяной пар начал конденсироваться, выпал длительными дождями и заполнил низины. Современный воздух возник гораздо позже: ранняя атмосфера почти не содержала свободного кислорода.
Была ли у Земли самая первая атмосфера
Молодая Земля могла кратко удерживать лёгкие газы протопланетного диска, прежде всего водород и гелий. Однако небольшая каменная планета рядом с активным молодым Солнцем плохо сохраняла такую оболочку. Нагрев, солнечное ультрафиолетовое излучение, поток частиц и крупные столкновения способствовали её потере.
После этого возникла вторичная атмосфера. Её создавали газы, заключённые в веществе самой планеты. При плавлении, вулканизме и химических реакциях они выходили наружу. Одновременно астероиды и другие малые тела приносили воду, углерод, азот и соединения серы.
Нельзя провести строгую границу между внутренним и внешним источником. Земля выросла из планетезималей, уже содержавших летучие компоненты. Часть воды находилась в исходных минералах, часть поступала во время позднего роста. Представление, будто все океаны однажды доставили только кометы, слишком простое.
Из чего состоял ранний воздух
Вулканические выбросы содержали водяной пар, углекислый газ, азот, соединения серы и другие газы. Точный состав зависел от окислительного состояния мантии, температуры и давления. Поэтому раннюю атмосферу нельзя восстановить по одному современному вулкану.
Свободного кислорода было крайне мало. Он легко вступает в реакции с восстановленными минералами и вулканическими газами. Нынешние 21 процент кислорода – результат долгой деятельности фотосинтезирующих организмов, а не непосредственный подарок вулканов.
Углекислого газа, вероятно, было значительно больше, чем сегодня. Он помогал удерживать тепло при более слабом молодом Солнце. Но его концентрация менялась, поскольку газ растворялся в воде, реагировал с породами и связывался в карбонатах.
Как пар превратился в океан
Сразу после крупных ударов поверхность могла быть настолько горячей, что жидкая вода быстро испарялась. По мере охлаждения пар конденсировался в облаках. Дожди возвращали воду на поверхность, где она снова испарялась или скапливалась в низинах. Повторение цикла постепенно создавало устойчивые водоёмы.
Некоторые древние кристаллы циркона указывают, что жидкая вода взаимодействовала с земной корой уже более 4,3 миллиарда лет назад. Это не доказывает существование океана современного вида на всей планете, но показывает, что пригодные для воды участки могли появиться сравнительно рано после раскалённой стадии молодой Земли.
Океанские бассейны тогда выглядели иначе. Современные материки и океаническая кора постоянно перестраиваются тектоникой плит. Почти вся очень древняя океаническая кора исчезла в мантии, поэтому объём и очертания первых океанов восстанавливают косвенно.
Как Земля удержала воду
Земное притяжение достаточно сильно, чтобы удерживать тяжёлые молекулы при обычных температурах, но верхняя атмосфера всё равно теряет часть вещества. Водяной пар, поднявшийся высоко, может разрушаться ультрафиолетом, после чего лёгкий водород уходит в космос.
По мере охлаждения большая часть воды сконцентрировалась в океанах, а не в верхней атмосфере. Это уменьшило скорость потерь. Магнитное поле влияло на взаимодействие с солнечным ветром, но сохранение воды нельзя объяснить только им. Важны масса Земли, температура, химические циклы и расстояние от Солнца.
Луна также меняла приливы и вращение планеты, однако не создала океаны. Её происхождение после гигантского удара рассматривает материал «Как появилась Луна?».
Как атмосфера регулирует температуру
Без парниковых газов средняя поверхность Земли была бы значительно холоднее. Водяной пар, углекислый газ и метан поглощают часть уходящего теплового излучения. Это естественный эффект, необходимый для жидкой воды, хотя чрезмерное увеличение концентрации газов усиливает нагрев.
На геологических промежутках работает углеродный цикл. Углекислый газ растворяется в дождевой воде, участвует в выветривании пород и попадает в океан. Часть углерода связывается в минералах и осадках, затем движение плит и вулканизм возвращают его в атмосферу.
Так возникает долговременная обратная связь: в более тёплом и влажном климате выветривание обычно ускоряется и может сильнее удалять углекислый газ. Этот механизм действует медленно и не отменяет быстрых изменений, но помогал планете сохранять условия для жидкой воды при изменении яркости Солнца.
Когда в воздухе появился кислород
Первые организмы не нуждались в богатой кислородом атмосфере. Некоторые микробы позже освоили фотосинтез с выделением кислорода. Сначала новый газ расходовался на окисление растворённого железа, пород и вулканических соединений.
Лишь после насыщения значительной части таких поглотителей кислород начал заметно накапливаться в атмосфере. Великое кислородное событие произошло примерно 2,4 миллиарда лет назад. Даже после него уровень долго оставался ниже современного и повышался несколькими этапами.
Рост кислорода изменил химию океана, создал новые способы получения энергии и сделал возможным озоновый слой. Одновременно он был токсичен для многих организмов, приспособленных к бескислородной среде. Атмосфера и жизнь с тех пор изменяют друг друга.
Почему вода не гарантирует жизнь
Жидкая вода удобна как растворитель: в ней молекулы перемещаются, сталкиваются и участвуют в реакциях. Но одного океана недостаточно. Нужны источники энергии, подходящие химические элементы, устойчивые границы и механизмы копирования информации.
Ранняя Земля предлагала разные среды – мелководья, минералы, вулканические области и гидротермальные источники. Какая из них стала колыбелью первых организмов, пока неизвестно. Следующий шаг маршрута разбирает, как на Земле могла появиться жизнь, отделяя проверенные факты от гипотез.
Весь путь от горячей Вселенной до океанов и живых систем можно пройти по странице «Маршруты знаний». Он показывает, что атмосфера и гидросфера – не готовая оболочка, а результат миллиардов лет взаимосвязанных процессов.
