Как появился воздух: неожиданные факты о том, без чего нельзя прожить

Когда вы последний раз были на море? Белый песок, лазурные волны, голубое небо. Если бы 4 миллиарда лет назад вы решили отправиться в свой законный отпуск на побережье, то перед глазами предстала бы другая картина. Черный песок из неокисленных горных пород. Оранжевое море, состоящее из всё тех же горных пород, но уже в расплавленном виде.

Над водой стелется туман из метана и диоксида углерода, придавая небу зловещий огненный цвет. Ни о каком свежем воздухе не может быть и речи — на планете нет ни грамма свободного кислорода. Не существует и защиты от ультрафиолетовых лучей Солнца, потому что озонового слоя тоже нет. Чтобы не обуглиться и вернуться из такого отпуска живым, вам наверняка бы пригодился специальный купальный скафандр, титановый зонт и канистра крема от загара. Хорошо, что сейчас всё не так, правда?

В Солнечной системе восемь планет, и только на одной образовалась и существует по сей день атмосфера, пригодная для жизни. Если вы еще со времен школы помните, что в нашей родной системе их девять, то поясню: Плутон с 2006 года разжалован в карликовые планеты. Сейчас ведутся споры на этот счет, и, возможно, ему когда-нибудь вернут прежний статус.

Но давайте продолжим разговор об атмосфере Земли. То, что она получилось такой, какая есть сегодня, конечно, большое везение! Наша планета прошла весьма бурный путь становления. В ней менялось все, в том числе и состав воздуха. И этот воздух, которым вы дышите сейчас, сильно отличается от самого первого, который появился на планете.

Мнений об эволюции атмосферы достаточно много. Большинство из них противоречат друг другу. Я разделяю точку зрения палеонтолога Андрея Юрьевича Журавлева, профессора кафедры биологической эволюции биофака Московского государственного университета: нашу планету развила жизнь. Именно живые организмы внесли судьбоносный вклад в становление Земли, и им мы должны сказать спасибо за воздух, которым дышим.

А теперь давайте вернемся в прошлое.

4,5 миллиарда лет назад

Солнечная система еще только зарождается. Облако из космического газа и пыли начинает сжиматься. Солнце располагается в центре — основной массе этого облака. Вокруг Солнца из хаотично сталкивающихся между собой частиц начинают образовываться сгустки. Они постепенно увеличиваются и формируют планеты.

Мы не знаем точного расположения планет в то время, поэтому будем опираться на тот порядок, который существует сейчас.

Совсем по-другому устроены планеты-гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Их массу образуют более легкие вещества: водород и гелий (Юпитер, Сатурн) и твердый лед под высоким давлением (Уран, Нептун).

Как дела у Земли? Она захватывает из космического пространства водород и гелий. Образуется первичная атмосфера, которая надолго не задерживается: легкие газы улетучиваются обратно в космос, а из-за постоянных извержений вулканов добавляются водяной пар, углекислый газ, метан и аммиак.

Кислорода еще нет. Озона и озонового слоя тоже. Без озоновой защиты, под влиянием солнечного ультрафиолета на планете начинают протекать интенсивные химические реакции. Благодаря этому появляются органические вещества — основа будущей жизни. Сказать наверняка, когда зародилась жизнь на Земле, невозможно, но по наличию следов жизнедеятельности одноклеточных организмов можно утверждать, что 4 миллиарда лет назад она уже существовала — в виде бактерий.

Появление жизни на Земле меняет всё. Микроорганизмы перерабатывают одни вещества в другие, даже не подозревая, насколько велик их вклад. Бактерии, словно микроскопические фабрики, днем и ночью трудятся над новым составом атмосферы.

2,7 миллиарда лет назад

Атмосфера — парниковая, в ней много углекислого газа и метана. Модель солнечной эволюции, предложенная астрономами в XX веке, показала, что древнее Солнце было не таким горячим, как сейчас, и согревало земной шар лишь на 70% от своей нынешней интенсивности.

К этому пришли и советские ученые Л. М. Мухин и В. И. Мороз, и американские — Карл Саган и Джордж Маллен. Получается, раз Солнце грело слабо, на Земле должно было быть холодно? Тогда почему все геологические исследования показывают, что климат на Земле в древние времена был влажный и теплый? К сожалению, не осталось ни одного старца, который почешет свою миллиардолетнюю бороду и четко ответит на этот вопрос.

Если энергию нельзя получить извне, значит, придется сохранять ту, что уже есть. Ученые приходят к выводу, что тепло на Земле удерживалось и накапливалось атмосферой, а значит, она не была похожа на современную.

Чтобы проверить эту гипотезу и выяснить, что же укрывало и согревало Землю, геофизики высчитали давление атмосферы того времени и сравнили его с тем, что есть сегодня. Благодаря этому выяснилось, что парниковым газом 2,7 миллиарда лет назад был метан.

Как можно исследовать атмосферу, которой давно нет, да еще и узнать ее давление? По каплям дождя. Вернее, по следам, которые остаются от них на вулканических породах при извержении вулканов.

В XIX веке британский геолог Чарлз Лайель заметил связь между давлением атмосферы и диаметром следов дождевых капель. Конечно, никто не бегал по вулкану с линейкой и не замерял отпечатки отдельных брызг. Это сложный математический расчет с выводом среднестатистических значений.

Именно он и показал, что диаметр следов дождевых капель 2,7 миллиарда лет назад был в два раза меньше. А значит, давление атмосферы было вдвое ниже, чем сейчас. Она была менее плотной и более разреженной.

Результат исследования позволил расшифровать состав парниковой атмосферы, которая существовала в то время. Углекислый газ в одиночку подобного эффекта создать не мог. Если бы ему помогали соединения азота, то их бы потребовалось большое количество, что в итоге дало бы существенно большее атмосферное давление, а оно, напротив, было аж в два раза ниже! Вызвать столь сильный парниковый эффект при общем низком давлении атмосферы мог лишь один газ — метан.

Откуда ему взяться в атмосфере того времени в таком большом количестве? Внутренние процессы планеты увеличивали концентрацию этого газа и раньше. Однако над Землей в то время висел настоящий метановый туман, а значит, случилось что-то по-настоящему масштабное, и метан стал поступать из другого источника. Этим источником считают жизнь: одноклеточные существа — метанопроизводящие бактерии.

Именно благодаря их жизнедеятельности атмосфера Земли стала наполняться парниковым газом, свойства которого изолировали планету, укутали ее, словно шарфом, и не дали теплу уйти. Жизнь продолжила развиваться.

2,5 миллиарда лет назад

Появляется кислород. Кстати, если бы не он, Земля бы попросту перегрелась. К этому времени мощность излучения Солнца увеличилась, и тепла на нашу планету стало поступать значительно больше. Чрезмерно концентрированная парниковая атмосфера из метана перестала быть полезной.

На помощь снова пришла жизнь. Примерно 2,5 миллиарда лет назад появились синезеленые водоросли — цианобактерии. Они расщепляли воду, запасали органические вещества и выделяли побочный продукт своей жизнедеятельности — кислород. Конечно, удивительно называть такой важный газ побочным продуктом, ведь с его появлением началась новая, кислородная эра Земли, но с биологической точки зрения это именно так.

После появления кислорода концентрация метана снизилась, и парниковый эффект уменьшился. Кислород стал постепенно накапливаться и обогащать собой атмосферу. В более высоких слоях под действием солнечного ультрафиолета начал образовываться озоновый слой. Конечно же, всё это не происходило в одночасье и заняло миллионы лет. И вот, спустя еще каких-то пару миллиардов этих самых лет мы видим привычную нам картину.

Наши дни

Земля — настоящий зеленый оазис, полный жизни. Трудно говорить о всей Вселенной, но то, что в Солнечной системе сейчас такая планета одна, — это точно. Атмосфера Земли насыщена кислородом и сбалансирована по составу. Для нас свами он самый удачный и лучший из всех, что был и когда-либо будет.

То, что состав атмосферы не сразу был пригодным для жизни, — факт. Но почему лучше уже не будет? Дело в том, что перемены не закончились. Жизнь продолжает вмешиваться в состав атмосферного воздуха, и в наши дни один из самых главных влияющих на него факторов — это человек. Химическая промышленность, транспорт, фабрики и заводы медленно, но верно меняют состав воздуха.

Конечно, полностью оценить всю силу вмешательства и сделать окончательный вывод — к чему это привело, можно только по прошествии миллионов, а может, и миллиардов лет. Но процесс идет довольно быстро, изменения заметны уже сегодня. Прогнозы неутешительные и намекают нам, что, возможно, в будущем оценивать атмосферу будет попросту некому.

Воздух сегодня — это что-то привычное, некая константа, существующая повсюду. Но, если на секундочку задуматься, можно поразиться, ведь в создании «просто воздуха» приняли участие все: начиная с космоса и заканчивая живыми организмами. Вы только представьте, благодаря каким сложным процессам он появился! Мы столько тысячелетий им пользуемся, так, возможно, стоит сказать хоть раз спасибо? И осознать, как он хрупок и как легко всё испортить?

_{Отрывок из книги Натальи Голубевой «Воздух. Неожиданные факты о том, без чего нельзя прожить». М.: Издательство Альпина Паблишер, 2022.}