Атмосфера на раннем этапе формирования Земли

Содержание редких газов в атмосфере позволяет оценить ее источники и условия формирования ранней атмосферы. К редким газам относятся инертные газы: He, Ne, Ar, Kr, Xe. За исключения Не они являются слишком тяжелыми, чтобы диссипировать из атмосферы, диссипация же Не происходит за 2 млн. лет. ³Не, поступающий из мантии, является практически полностью первичным, тогда как большая часть ⁴Не имеет радиогенное происхождение. Ne, Kr, Xe в атмосфере также представлены первичными газами. Среди изотопов Ar преобладает ⁴⁰Ar, образующийся при радиоактивном распаде, первичным же является ³⁶Ar.

Для расчета относительной распространенности в атмосфере Земли количества ²⁰Ne, ³⁶Ar, ⁸⁴Kr, ¹³²Xe в атмосфере отнесены к массе Земли. Соотношение между редкими газами в атмосфере, рассчитанное таким образом, сходно с их соотношением в некоторых метеоритах и распределение в атмосфере Марса. Но совпадение кривых не полное. Так как редкие газы в метеоритах находятся в твердом веществе, то кривые для Земли необходимо скорректировать, учитывая ту часть газов, которая содержится в ее недрах, поскольку степень дегазации, вероятно, была не полной. По наиболее надежным современным оценкам она составляет примерно половину. Для мантийных ксенолитов, используемых для этой цели, характерен разброс по абсолютным величинам, но устанавливается явный избыток ксенона по сравнению с атмосферой. Добавление коровых и мантийных редких газов вдвое увеличивает содержание ²⁰Ne, ³⁶Ar, ⁸⁰Kr и в десять раз ¹³²Xe. Таким образом, после корректировки сходство кривых усиливается. Но близкие соотношения редких газов в метеоритах, на Земле и Марсе сильно отличаются от их соотношений на Солнце, где относительная распространенность падает от Ne к Ar и далее. Распространенность ²⁰Ne в 40 раз превышает распространенность ³⁶Ar. Это свидетельствует о том, что вещество Земли не находилось в высокотемпературном равновесии с газом солнечного состава. Следовательно, более вероятно, что Земля образовалась при аккумуляции ранее сконденсировавшихся фрагментов твердого вещества, которым, судя по сходству в содержании редких газов, могли быть некоторые метеориты, и атмосфера Земли могла быть сформирована при дегазации твердого вещества.

Изотопный состав редких газов в метеоритах весьма разнообразен. Сравнение с изотопным составом мантии по Xe и Kr выявило сходство с обедненными Са ахондритами и железными метеоритами, но сильное отличие от среднего состава углистых хондритов. Вообще концентрации летучих компонентов в углистых хондритах примерно на 2 порядка превышают возможные их концентрации в веществе Земли, т.е. если Земля сформировалась при участии в аккреции большого количества таких метеоритов, она должна была потерять очень большое количество летучих, что маловероятно с физической точки зрения. Более вероятно, что Земля уже в самом начале своего существования содержала небольшое количество летучих. Редкие газы в процессе образования Земли захватывались ее веществом и до сих пор выносятся из ее недр, о чем свидетельствует обнаружение высокого отношения ³Не/⁴Не во многих вулканических газах, газовых включениях в вулканических стеклах и алмазах, а также океанической воде, особенно в пределах СОХ. Оценка количества ³Не выносимого из недр позволила оценить скорость выноса первичных редких газов. По имеющимся немногочисленным данным современная скорость выноса ³⁰Ne и ³⁶Ar составляет около 13% от средней в течение всего геологического времени. Это послужило отправной точкой для построения моделей дегазации Земли. Все предложенные модели имеют своим следствием существование на раннем этапе истории Земли периода быстрой дегазации. В пользу ранней дегазации свидетельствует высокое ⁴⁰Ar/³⁶Ar в мантии (то есть в ней к настоящему времени осталось мало ³⁶Ar) (судя по MORB), превышающее это изотопное отношение атмосферного воздуха. Вынос летучих мог происходить как путем испарения при падении твердых частиц в процессе аккреции, так и при плавлении вещества в момент соударения или после него. От механизма выноса зависит соотношение редких газов, СО2и Н2О в атмосфере к концу аккреции. Если происходило широкомасштабное плавление, тогда большая часть Н2О, накопившейся в атмосфере, растворилась бы в магматическом океане.

Состав вулканических газов на раннем этапе (4,5-3,8 млрд.лет)

Интенсивность вулканизма и состав вулканических газов определяли химизм атмосферы на раннем этапе. Одним из главных параметров вулканических газов является их окислительное состояние. Данные расчетов фугитивности кислорода при равновесии основных расплавов с силикатными мантийными фазами и металлическим железом, присутствие которого в первичной мантии считается вероятным, показывают, что она могла составлять fO₂=10-12атм, а сами вулканические газы, по-видимому, состояли в основном из H2 и H2O, а также подчиненных CO, H2S, N2. Окислительное состояние современных вулканических газов совершенно иное. Величина fO2 10-8атм, в составе газов преобладает Н2О, Н2- в подчиненном количестве, другие элементы в составе иных соединений СО2, SO2. Для современных вулканических газов характерными компонентами являются H2O, CO₂, SO2.

Существенных изменений окислительного состояния базальтов за последние 2,5 млрд. лет не зафиксировано, но из косвенных данных следует, что в архее fO2 была ниже, чем в настоящее время, так как от ее величины зависит содержание Cr в магме, которое возрастает за счет привноса Cr2+. Древние расслоенные интрузии, такие как Стиллуотер и Бушвельд богаче Cr, чем молодые аналоги. После удаления из мантии металлического Fe, степень окисления вулканических газов снижалась и определялась количеством FeO и H2O в мантийных силикатах, так как Н2О выступала в роли окислителя FeО. В целом для газов, связанных с базальтовым вулканизмом, вероятно, происходило изменение от довольно восстановленного состояния во время или вскоре после аккреции до значительно более окисленного в настоящее время.

В отличие от ранних представлений о сильно восстановленной ранней атмосфере, сейчас представляется более вероятным, что быстрое отделения ядра, вызвало деплетирование Fe верхней мантии, что позволило стать более окисленным источнику вулканизма. Поэтому сразу после завершения аккреции и ядрообразующих событий в течение первых десятков млн.лет, сформировались океаны, а в атмосфере доминировали CO2, N2, H2O и меньшие количества CO и H2, т.е. она была умеренно восстановленной. В течение первых 0,5 млрд.лет в атмосферу поступила большая часть инертных газов.

Атмосфера в раннем докембрии (3,8-3,0 млрд.лет)

Геологические свидетельства.

Ограничения на состав атмосферы в этот период могут быть наложены из геологических данных.

Содержание СО2 и температура

1. Присутствие осадочных карбонатов с возрастом 3,8 млрд.лет (комплекс Исуа, ЮЗ Гренландия) показывает, что СО2присутствовал в достаточном количестве в атмосфере в это время. Свидетельства древних глобальных Т важны в оценке состава атмосферы, так как они ограничивают содержание газов, вызывающих парниковый эффект, который требуется для поддержания климата.

2. Отсутствие свидетельств оледенения древнее 3 млрд.лет по крайней мере, согласуются с возможностью того, что глобальные Т были равны или превышали современные.

3. Величины 18О в архее были ниже, чем в молодых кремнистых сланцах, и это согласуется с той интерпретацией, что поверхностные Т в архее были относительно высоки, возможно, даже более 70оС. Но к таким заключениям нужно относится с осторожностью, так как эти породы могли быть перекристаллизованны позднее при повышенных Т.

4. О повышенных Т и содержании атмосферного СО2свидетельствует высокая скорость химического выветривания.

5. Наличие эвапоритов в тектонически не стабильных обстановках архея указывает на высокую скорость их образования, чему также могли благоприятствовать повышенные Т.