Атмосфера молодой Земли перевернула представления учёных о прошлом планеты

Учёные из Вашингтонского университета (США) провели анализ пузырьков воздуха, сохранившихся в породах древностью 2,7 миллиарда лет. Исследователи пришли к парадоксальному выводу, что тогдашняя земная атмосфера по плотности вдвое уступала современной. Открытие довольно трудно совместить с имеющимися представлениями о молодой Земле. Ранее считалась, что её атмосфера была, напротив, куда плотнее нынешней. К тому же неясно, откуда могли бы взяться "лишние" газы, присутствующие в атмосфере теперь и отсутствовавшие тогда. Соответствующая статья опубликована в журнале Nature Geoscience.

Одной из ключевых проблем возникновения жизни на нашей планете всегда был так называемый парадокс тусклого молодого Солнца. Известно, что наша звезда миллиарды лет назад, во времена своей молодости, была на 20—25 процентов тусклее, чем сегодня. Если поток солнечных лучей, падающий на нашу планету сейчас, уменьшить на 20 процентов, она замёрзнет от полюсов до экватора. Возникает естественный вопрос: как вообще могла появиться земная жизнь и почему никаких следов льдов в отложениях древнее 2,5 миллиарда лет попросту нет?

Стандартный ответ на него прост. Известно, что со временем планеты теряют часть своей атмосферы, которую уносит солнечный ветер и другие воздействия. Значит, миллиарды лет назад газовая оболочка Земли должна была быть плотнее и лучше сохранять тепло. Это и позволило земной жизни возникнуть и успешно развиваться в условиях, долгое время исключавших оледенение.

Увы, новая работа американских учёных делает эту логичную разгадку не стыкующейся с фактами. Чтобы "взвесить" древнюю атмосферу, они нашли образец базальтовой лавы, застывшей 2,7 миллиарда лет назад на уровне моря (солёная морская вода оставила характерные следы в лаве). Затем исследователи сравнили размер пузырьков воздуха в одном и том же лавовом потоке сверху вниз. В самом верху пузырьки были больше всего, а в более нижних слоях давление лавы сжимало их. Сравнивая размеры пузырьков одного потока, учёные смогли определить плотность древнего земного воздуха с высокой точностью. Она оказалась в два с лишним раза ниже современной.

Это означает, что на Земле 2,7 миллиарда лет назад были условия, которые исследователи обозначают как "инопланетные". Давление, измеренное учёными, сегодня встречается лишь на высоте более пяти километров — там, где человек не может дышать без кислородного баллона. При этом не совсем понятно, как тогда вообще мог быть устроен климат. Дело в том, что при вдвое сниженном давлении вода начинает кипеть при температуре намного ниже 100 градусов, а значит, она легче испаряется, да и замерзает при температуре слегка выше нуля. Всё это резко усугубляет проблемы холодного климата: Земля должна была легче покрываться льдом и медленнее "размораживаться".

Из геологических изысканий других научных групп известно, что планета в ту пору располагала океанами и не имела полярных шапок типа нынешних. Значит, её климат был, несмотря на тусклое Солнце и тонкую атмосферу, теплее современного. Это возможно только в том случае, если концентрация углекислого газа и/или метана была намного выше современной. Фактически, отмечают исследователи, она должна была быть невозможно высокой, едва ли не больше, чем современная концентрация кислорода в воздухе. Всё это значит, что азота в тогдашней атмосфере, наоборот, должно было быть в разы меньше, чем сегодня.

Где он тогда находился, понять очень сложно. Азот не приходит в атмосферу с вулканическими извержениями. Ранее вообще считалось, что весь современный азот неизменно присутствовал в атмосфере Земли все 4,5 миллиарда лет с момента её возникновения, лишь постепенно убывая за счёт поглощения живыми организмами. Если его концентрация резко колебалась в одну или в другую сторону, то геологическая, климатическая и частично даже биологическая история планеты нуждается в некотором пересмотре.

Авторы новой работы спекулятивно предполагают, что какие-то бактерии могли связать азот биохимическим путем. Потом последовали неизвестные события, которые привели к гибели всей тогдашней экосистемы и высвободили азот, ранее связанный бактериями. Это событие сделало атмосферу в два с лишним раза плотнее. Если такое предположение верно, то экосистемы древней Земли должны были функционировать не так, как считалось ранее.

Открытие может повлиять и на наши представления об обитаемости планет в целом. Дело в том, что если бы планета, во всём идентичная Земле, какой она была 2,7 миллиарда лет назад, попала бы в поле зрения учёных, те вполне могли бы оценить её как непригодную для жизни. Соответственно, возможен пересмотр условий так называемой "зоны обитаемости" и для экзопланет.