Окислившиеся микрометеориты указали на насыщенную углекислым газом атмосферу в архее

Ученые промоделировали химический состав найденных в известняке возрастом 2,7 миллиарда лет микрометеоритов. Полученные результаты указывают на крайне высокое (более 70 процентов по объему) содержание углекислого газа в атмосфере того времени. Газовая оболочка с такими свойствами может объяснить высокую температуру на Земле в позднем архее, несмотря на то, что Солнце в то время должно было быть существенно тусклее, пишут авторы в журнале Science Advances.

Состав атмосферы Земли претерпевал значительные изменения на протяжении существования планеты. В ранние периоды в газовой оболочке практически отсутствовал необходимый для дыхания кислород, так как это вещество химически очень активно.

Одним из ключевых событий в эволюции Земли является кислородная катастрофа, произошедшая около 2,45 миллиарда лет назад. В это время в воздухе начал появляться чистый кислород, что связывают с деятельностью фотосинтезирующих организмов. Этот этап настолько сильно повлиял как на биосферу, так и на геологию земной коры, что он разделяет древнейший период истории планеты, архей, от последующей истории.

Концентрация углекислого газа в архее известна плохо. Существуют отдельные оценки, основанные на разных методах которые дают значения от 3 × 10^-3 до 0,75 бар, то есть отличаются примерно на три порядка. Вопрос о составе древней атмосферы важен в контексте климата ранней Земли и условий существования первичной жизни. С одной стороны, настолько давно в прошлом Солнце было на 20–30 процентов тусклее, но с другой — на планете однозначно присутствовала жидкая вода, а по некоторым данным ее характерная температура достигала 70 градусов Цельсия.

Американские ученые при участии Оуэна Лемера (Owen Lehmer) из Вашингтонского университета оценили раннее содержание углекислого газа с помощью моделирования окисления микрометеоритов, сохранившихся в известняковых породах возрастом 2,7 миллиарда лет. В предыдущих работах было показано, что наблюдаемый состав тел можно объяснить взаимодействием с атмосферой с современной долей кислорода, что не соответствует текущим представлениям. Согласно результатам нового исследования, в случае углекислого газа понадобится содержание не менее 70 процентов.

Когда железно-никелевые микрометеориты входят в атмосферу на большой скорости, то они могут расплавляться вследствие нагрева от трения. В случае перехода в жидкое состояние такие тела вступают в активную реакцию с кислородом или углекислым газом, окисляясь до вюстита или магнетита. При этом такие тела могут затвердевать задолго до соударения с поверхностью, а в окисленном состоянии оказывают химически инертными и сохраняются на протяжении геологического времени.

Ученые создали численную модель и провели 15 тысяч симуляций падения микрометеоритов сквозь атмосферу из углекислого газа и азота с давлением, равным современному. Также вычисления повторили для случая атмосферы с добавлением чистого кислорода с концентрацией не более процента, который может возникать вследствие фотодиссоциации углекислого газа в верхних слоях атмосферы.

В итоге авторы приходят к выводу, что для объяснения имеющихся данных по окислению микрометеоритов нужного возраста необходима атмосфера с содержанием углекислого газа примерно в 64 процента. Полученная оценка практически не зависит от наличия примеси кислорода и общего давления, но ее ошибки весьма велики — два стандартных отклонения составляют от -58 до +36, то есть охватывают диапазон от 6 до 100 процентов. Ученые отмечают, что такая невысокая точность в первую очередь связана с большим разбросом двух единственных на данный момент качественных измерений окисленности микрометеоритов — 0,555 и 0,003. В то же время, для получения практически полностью окисленного тела вне зависимости от параметров его траектории требуется не менее 70 процентов углекислого газа в атмосфере (против 0,04 процентов в современной).

Климатические модели с таким высоким содержанием углекислого газа предсказывают глобальную среднюю температуру на Земле в позднем архее на уровне 30 градусов Цельсия (ниже, если давление было меньше современного). Также исследователи отмечают, что известно немало железных микрометеоритов, упавших в следующий эон — протерозой. Если измерить степень окисления вещества в них, то опробованным методом можно будет оценить концентрацию углекислого газа и в течение других эпох, по крайней мере, пока содержание кислорода на небольших высотах была низка.

Ранее ученые нашли свидетельства, что атмосферное давление на древней Земле было в два раза ниже современного. Также есть ограниченные свидетельства, что кислород присутствовал в атмосфере и до кислородной катастрофы. 

Тимур Кешелава