Атмосферное давление на древней Земле было в два раза ниже современного

Лавовые потоки захватывают пузырьки воздуха

Лавовые потоки захватывают пузырьки воздуха и, затвердевая, сохраняют образчики атмосферы для исследователей; а их дело — расшифровать эти метеорологические послания. Фото с сайта deviantart.com

В архейских вулканических базальтовых породах возрастом 2,74 млрд лет сохранились следы газовых пузырьков, захваченных из окружающей среды жидкой лавой. Международная команда геофизиков, ориентируясь на размер этих следов, рассчитала атмосферное давление на древней планете. Оно оказалось в два раза ниже современного. По мнению ученых, столь низкое давление связано с малым количеством азота в архейской атмосфере. Низкая плотность атмосферы означает, что характеристики важных физико-химических процессов должны быть скорректированы. Кроме того, раньше считалось, что подогрев планеты был обусловлен усиленным поглощением инфракрасного излучения плотной атмосферой. Новые данные заставляют пересмотреть и эту гипотезу. Наиболее вероятная замена — высокая концентрация парниковых газов, предположительно метана.

Трудно вообразить себе тему более манящую, но и менее доступную для изучения, чем начало земной жизни. Основную проблему здесь составляет не недостаток идей, а редкость надежных материальных свидетельств тех давно минувших эпох. Речь идет об архее, то есть о временах примерно 3,8–2,7 млрд лет назад. С тех пор мало что уцелело в бурной истории планетарных преобразований. Тем ценнее те твердые крупицы фактической информации, на основе которых можно строить здание проверяемых гипотез. Новый блок такой информации использовали ученые из Вашингтонского университета вместе с коллегами из Университета Западной Австралии и Музея природы и науки в Денвере (США) для реконструкции древнейшей атмосферы Земли. Их выводы заставляют серьезно пересмотреть или, по крайней мере, задуматься о принятом на сегодня гипотетическом портрете древней Земли.

Эта команда уже несколько лет занимается изучением архейских отложений в районе Пилбара (Pilbara) в Австралии. В данном случае они работали с породами формации Бунгал (Boongal Formation). Возраст этих отложений оценивается как поздний архей, то есть 2,75 млрд лет. Это вполне интересный возраст: атмосфера планеты в этот период не слишком далеко ушла от своего состояния в начале земной жизни. По крайней мере, до старта кислородной революции оставалось еще 300 миллионов лет.

В формации Бунгал имеются вулканические слои, местами, как показывают особенности их строения, формировавшихся в прибрежной морской полосе. Для геологов это означает, что лавовые языки застывали на земной поверхности, а не под землей или под толщей воды на океаническом дне, и на нулевой высоте над уровнем моря, а не на километровом вулканическом кратере. Именно такие участки древних ландшафтов и подбирали ученые для решения задачи об измерении атмосферного давления. При прочих неизвестных параметрах — сомнительно реконструированные вышележащие слои земных пород, или глубина океана, или высота над уровнем моря — задача решалась бы в лучшем случае с большим допуском, а скорее, не решалась бы вовсе. Но для подобранных палеоландшафтов этими факторами можно было пренебречь.

Материальной основой для реконструкций послужили следы газовых пузырьков, захваченных лавовыми потоками из атмосферы при застывании. Естественно, за миллиарды лет от самой атмосферы в этих пузырьках практически ничего не осталось. Они заместились элементами материнской породы и вторичными минералами, превратившись в пятна другого цвета, состава и текстуры. Но при этом сохранилась неизменной их круглая форма. Если бы сама порода деформировалась или по тем или иным причинам испытывала дополнительное давление, то пузырьки бы сплющились, появились бы микротрещины. А раз нет ни того, ни другого, значит и размер пузырьковых пятен не изменился за долгую историю преобразований пород. Следовательно, опираясь на размер пятен, можно рассчитать и то давление, при котором они образовались. Размер пузырьков на поверхности лавы контролируется только атмосферным давлением, а с увеличением глубины лавового потока к атмосферному давлению прибавляется давление самого лавового материала. У поверхности пузырьки больше, внизу — меньше. Зная разницу в размерах пузырьков на разных глубинах и параметры вулканического материала, определяющего давление в толще потока, можно оценить атмосферное давление. Этот метод уже был с успехом опробован для измерения атмосферного давления на разных высотах над уровнем моря для более молодых вулканических отложений Турции и Китая.

Cледы от газовых пузырьков в базальтовой породе формации Бунгал

Cледы от газовых пузырьков в базальтовой породе формации Бунгал. Стрелка показывает на след с концентрическими кругами, подтверждающими постепенное и более позднее заполнение пузырька. Форма следов округлая и трещин вокруг пузырьков не видно. Длина масштабного отрезка 1 см. Фото из обсуждаемой статьи в Nature

Итак, вот размер пузырьков в разных слоях вулканического базальта, вот мощности вулканических слоев с пузырьками, вот плотность расплавленного базальта. Из этих данных легко высчитывается давление древней атмосферы: 0,23±0,23 атм. Оценить достоверность столь низких значений непросто. Но ученые сослались на свои предыдущие заключения (S. M. Som et al., 2012. Air density 2.7 billion years ago limited to less than twice modern levels by fossil raindrop imprints), которые были сделаны на основе изучения следов древних дождевых капель, сохранившихся примерно в тех же архейских слоях. При известном романтическом настрое можно вообразить, как в безветрии падают на черный пепел капли дождя, покрывая его оспинами мокрых лунок, в воздухе пахнет нашатырной свежестью, метановое безмолвие нарушается визгливым перестуком капель. Эта древнейшая инталия, запечатанная слоями тонкой пыли, навсегда сохранила в каменном прошлом память о том дожде.

Но сухие физические выкладки оставляют за скобками изумление перед природным чудом, принимая в расчет лишь глубину лунок от тех дождевых капель. Их можно измерить, и по этим измерениям оценить скорость падения капель, а зная эту скорость, перейти к плотности атмосферы. Дождевые капли дали величины давления порядка 0,52–1,1 атм, при этом более вероятной ученым виделась нижняя оценка в 0,52 атм, а не верхняя в 1,1 атм. С учетом прежних и новых данных была принята величина в 0,5 атм для атмосферы позднего архея. Низкое атмосферное давление объясняется существенно более низким содержанием в ней азота. В отсутствии кислородного выветривания магматических пород его количество должно быть по крайней мере вполовину меньше, чем в современной атмосфере. Предположительно, азот присутствовал в атмосфере в виде аммиачных и цианистых соединений.

Что дает столь низкое атмосферное давление для реконструкций других, опосредованных, условий на древнейшей Земле? Известно, что в то время на планете существовала текучая, не замерзшая вода, оледенения не было. При низком свечении Солнца — а оно было тогда примерно на 20% бледнее современного — какие-то условия должны были обеспечить сохранение тепла. Считалось, что такими утеплителями могли служить плотная атмосфера, поглощающая инфракрасное излучение, и высокое содержание углекислого газа, обеспечивающего парниковый эффект. Но если атмосферу из этого списка вычеркнуть, то остается только углекислый газ. А его доля в атмосфере, по имеющимся данным, не была настолько высока, чтобы поддержать должный подогрев планеты. Значит, основная роль в этом процессе принадлежала другим парниковым газам, например метану.

Кроме того, низкое атмосферное давление предполагает, что вода закипала при существенно более низкой температуре — 58°С. Значит, скорости и направления химических процессов отличались от современных. Также отличались и скорости фотохимической реакции фракционирования изотопов серы (см. Mass-independent fractionation), протекающие под действием ультрафиолета. По всей вероятности, потребуются новые расчеты масс-независимого фракционирования с подкорректированными атмосферными параметрами. Ведь на них базируется значительная часть рассуждений о климатических условиях и жизни на древней планете.

Источники:
1) Sanjoy M. Som, Roger Buick, James W. Hagadorn, Tim S. Blake, John M. Perreault, Jelte P. Harnmeijer and David C. Catling. Earth's air pressure 2.7 billion years ago constrained to less than half of modern levels // Nature Geoscience. Published online 09 May 2016. DOI: 10.1038/ngeo2713.
2) Sanjoy M. Som, David C. Catling, Jelte P. Harnmeijer, Peter M. Polivka, Roger Buick. Air density 2.7 billion years ago limited to less than twice modern levels by fossil raindrop imprints // Nature. 2012. V. 484. P. 359–362. DOI: 10.1038/nature10890.

Елена Наймарк


32
Показать комментарии (32)
Свернуть комментарии (32)

  • denis_73  | 12.05.2016 | 07:03 Ответить
    "Естественно, за миллиарды лет от самой атмосферы в этих пузырьках практически ничего не осталось".

    А куда она делась? Допустим, там метан был вместо углекислого газа. Он никаких следов в породе не оставил?
    Ответить
    • niki > denis_73 | 12.05.2016 | 08:27 Ответить
      Улетела конечно. Там даже другие минералы образовались.
      Меня обратное удивляет, что иногда находят сохранившиеся газы. Такое, видимо, бывает лишь в монокристаллах.
      Ответить
  • Kyu  | 12.05.2016 | 08:46 Ответить
    Судя по смелости авторов, эта оценка со временем изменится в разы. Поэтому в заголовке нужно добавить "Кое-кто считает, что".
    Ответить
  • Олег Чечулин  | 12.05.2016 | 08:57 Ответить
    По одной оценке - 0,52-1,1, по другой - 0-0,56. По-моему, перекрытия этих интервалов маловато для вывода о 0,5 :)
    Ответить
    • naimark > Олег Чечулин | 12.05.2016 | 11:27 Ответить
      Для получения этих оценок использовались очень разные методы и очень разные данные. Особенно ненадежны оценки по дождевым каплям. В том исследовании проводились такие эксперименты: из пипетки капали с высоты 90 м на вулканический грунт (не помню его точные характеристики) и по лункам получали экспериментальный размер. И таким образом калибровали максимальную скорость падения капель(а отсюда и расчетное давление) относительно размеров лунок. Эта калибровка может быть не совсем адекватной, потому что неизвестно, какие еще параметры атмосферы, кроме давления и силы трения изменились и что еще следует подкорректировать. Поэтому нужно обсуждать не приведенные конкретные цифры, а то, что обе оценки дают низкие давления, а не высокие, как предполагалось раньше.
      Ответить
      • niki > naimark | 12.05.2016 | 12:13 Ответить
        Да, именно это и интересно.
        Ответить
  • Kostja  | 12.05.2016 | 15:57 Ответить
    Земля могла быть дальше или ближе к Солнцу в описываемые времена. Так же считается что Земля вращалась быстрее, и Луна была существенно ближе, значит приливы были выше и освещенность лунным светом существенно больше (сейчас лень считать и искать данные, но например лунная ночь как современный пасмурный день).
    Ответить
    • makeyev > Kostja | 13.05.2016 | 02:27 Ответить
      Луна в прошлом была, конечно, ближе к Земле - на несколько десятков тысяч километров. И Земля была существенно ближе к Солнцу - на несколько десятков миллионов километров.
      Ответить
      • Kostja > makeyev | 13.05.2016 | 10:22 Ответить
        Сейчас считается наиболее вероятной гипотеза столкновения в результате образовалась Луна и отдалилась с тех пор на 300000 км или больше. Скорость удаления была разная в разное время. Когда Луна была ближе приливное воздействие было сильнее, но пишут оно реализуется в основном когда вода упирается в материки, а они стали разрастаться только 3 - 2,5 миллиарда лет назад
        http://elementy.ru/novosti_nauki/432680/Elementnyy_sostav_kontinentalnoy_kory_pomog_datirovat_nachalo_tektoniki_plit
        Ответить
        • Пащенко Дмитрий > Kostja | 13.05.2016 | 15:44 Ответить
          Поговорите с Николаем Горькавым, например. Он вам объяснит, почему результаты анализа лунного грунта говорят о совершенно независимом происхождении Луны; а гипотеза "столкновения" является ныне просто самоподдерживающейся из-за того, что на неё дают гранты.
          Ответить
          • Kostja > Пащенко Дмитрий | 13.05.2016 | 17:23 Ответить
            Прочел в викии, в статье о нем есть суть предположения о происхождении Луны в результате многих столкновений вместо одного. Получается тоже самое в смысле образования и изменения орбиты, даже наверно Луна должна была образоваться еще ближе, т.к. удары выбрасывающие вещество в космос были слабее.
            Ответить
      • akb > makeyev | 13.05.2016 | 13:43 Ответить
        "Земля была существенно ближе к Солнцу - на несколько десятков миллионов километров"
        ... и потому гравитация на поверхности Земли была раза в два ниже. Соответственно и давление атмосферы могло быть меньше, и растения и животные могли вырастать до бОльших, чем сейчас, размеров.
        Ответить
        • Kostja > akb | 13.05.2016 | 13:46 Ответить
          Почему потому?
          Ответить
          • akb > Kostja | 14.05.2016 | 23:47 Ответить
            потому что ближе к Солнцу гравитационное поле Земли т.с. "растворяется" в более сильном гравитациионном поле Солнца и его действие менее выражено, чем вдали от Солнца
            Ответить
            • veniaminr > akb | 16.05.2016 | 04:59 Ответить
              Это что за бред?
              Ответить
              • akb > veniaminr | 19.05.2016 | 13:54 Ответить
                ржаной ))
                Ответить
  • radion  | 12.05.2016 | 16:27 Ответить
    Где же тогда был азот на Земле? В цианидах что ли?
    Ответить
    • olegov > radion | 13.05.2016 | 13:44 Ответить
      Внутри земли в составе магмы
      Ответить
      • naimark > olegov | 13.05.2016 | 14:59 Ответить
        Написано вот что: "A balance of N source and sink fluxes that differs from the modern balance is needed to explain an unusually low Archaean air pressure (much less than obtained by subtracting 0.2 bar of the current O2 level). At present, a N source flux of 0.33 ± 0.08 TmolNyr-1 (composed of 0.15 _ 0.03 TmolNyr-1
        weathering of organic nitrogen plus 0.18 ± 0.07 TmolNyr-1 outgassing) is balanced by loss of N to organic burial of 0.4 ± 0.2 TmolNyr-1, which includes a minor input flux into subduction zones of 0.094 ± 0.015 TmolNyr-1 today (Supplementary Information). Modern geologic N fluxes imply that
        a lack of oxidative weathering before the Great Oxidation Event (GOE) at 2.4 -2.3Gyr would remove about half of the N source flux to the atmosphere. So, a lower Archaean nitrogen partial pressure (pN2) is consistent with a smaller, pre-GOE nitrogen source flux." и приведены две ссылки на публикации.
        Ответить
      • niki > olegov | 14.05.2016 | 09:42 Ответить
        А сейчас он там есть?
        Ответить
  • sancho  | 12.05.2016 | 16:30 Ответить
    слишком много неизвестных.
    вода ли капала? а может кислота, если а атмосфере было много метана? какое было атмосферное давление? какая была сила притяжения (есть теория, что гораздо выше за счет меньших линейных размеров планеты)? какая была плотность у грунта и не вступал ли грунт в хим реакцию с тем, что капало (если капнуть ацетоном на пластик и измерить "воронку" сразу или через полчасика)? и при какой температуре? о! кстати, и размер капель! а от чего он зависит?

    короче, чтобы что-то прояснить необходимо зафиксировать остальные параметры, а это лукавство.
    неужели не осталось какой-то пемзы, что дожила до наших дней и СОХРАНИЛА ВНУТРИ пузырьки атмосферы? хотя количество метана, сероводорода и пр. в непосредственной близи вулкана еще не говорит о его количестве в атмосфере.
    Ответить
    • makeyev > sancho | 13.05.2016 | 02:30 Ответить
      Вы правы, Земля была существенно меньше в массе 2-2,5 миллиардов лет назад - приблизительно на 12-25 процентов меньше.
      Ответить
  • makeyev  | 13.05.2016 | 02:24 Ответить
    Оценка возраста вещества по продуктам распада радиоактивных изотопов элементов завышена с тем большей степенью, чем древнее образцы вещества. Потому что учёные не учитывают равный пропорциональный прирост количества материи объёма пространства физического вакуума и количества Атомных Единиц Массы вещества. Относительная величина этого прироста 6,591*10^-18 в секунду. В грамме любого вещества процесс бытия рождает, приблизительно, 3969198 новых нейтронов в секунду. Захват этих нейтронов ядрами некоторых атомов или захват протонов или электронов, появляющихся при делении свободных нейтронов на протон, электрон и фотон трансмутирует эти атомы в соответствующие изотопы элементов. Эти трансмутации вносят изменения в состав образцов вещества.
    Я считаю, что вместо оценки древних образов вещества 2,75 миллиардов лет следует признать 2,2 или даже 1,9 миллиардов лет.
    Ответить
  • ollik  | 13.05.2016 | 10:46 Ответить
    Откуда температура кипения в 58%?
    при 0,8 атм Т=80 гр. С
    Ответить
    • niki > ollik | 13.05.2016 | 13:30 Ответить
      А откуда 0,8?
      Ответить
  • olegov  | 13.05.2016 | 13:51 Ответить
    Очень интересная статья. Давно обращал внимание что многие статьи о первоначальных условиях о Земле грешат очень интересными выводами и сложнейшими расчетами, сделанными на весьма шатких предположениях. Елена несомненно права сейчас куча работ пойдет в пересчет. А вот чего я не понял почему количество СО2 в исходной атмосфере было мало? Нынешние атмосферы Марса и Венеры содержат как раз много СО2 с чего бы предполагать что на начальной земле его было мало? Тем более один из основных вулканических газов как раз СО2.
    Ответить
    • naimark > olegov | 13.05.2016 | 14:43 Ответить
      Утверждая относительно невысокое содержание углекислого газа, авторы данной статьи ссылаются на эту работу: Sheldon, N. D. Precambrian paleosols and atmospheric CO2 levels. Precambr. Res. 147, 148155 (2006).
      Ответить
    • nicolaus > olegov | 14.05.2016 | 20:35 Ответить
      Связывание углекислого газа в карбонатные осадки произошло в конце архея. После чего произошло гандиозное Гуроновское оледенение. А в архее углекислого газа должно быть много, т.к. следов оледенений не обнаружено, даже на высоте 6км, где были расположены континентальные массивы. (См. раздел 10.5 стр. 299 http://www.samomudr.ru/d/Soroxtin%20O.G.%20_Razvitie%20zemli.pdf)
      Ответить
    • Kyu > olegov | 17.05.2016 | 11:09 Ответить
      Ничего в пересчет не пойдет. Начнутся вялотекущие бесплодные прения.
      Для существенного прорыва нужны модели, дающие достаточно широкий комплекс предсказаний, а не изолированный и непроверяемый другими методами параметр.
      Ответить
  • donPavlensio  | 15.05.2016 | 18:07 Ответить
    К сожалению, у вас в аннотации закралась ошибка

    "сохранились следы газовых пузырьков, захваченных из окружающей среды жидкой лавой."

    Лавы, как правило, не захватывают пузырьки атмосферного воздуха, они получаются в них сами за счет выделения растворенных в магме газов при снятии внешнего давления.
    Давление внутри пузырька и, соответственно, его объем в излившемся лавовом потоке зависит от атмосферного давления и гидростатического давления вышележащей лавы. Сравнивая размер пузырька у поверхности потока (где гидростатическое давление лавы близко к нулю) и на известной глубине внутри него, можно оценить атмосферное давление.

    А вот будь газ захваченным из атмосферы, ничего измерить бы не получилось.
    Ответить
  • Даша  | 16.05.2016 | 11:41
    Комментарий скрыт
    • EuNew > Даша | 16.05.2016 | 22:59 Ответить
      Дашенька, полагаю Вам надо свое предложение именно на РТВ и отправить. Они наверняка знают как с ними связаться. А мы обещаем смеяться не слишком громко:)
      Ответить
    • Suo_Mynona > Даша | 18.05.2016 | 01:11 Ответить
      И - Б-же вас сохрани - не читайте до обеда советских газет. Пациенты, не читающие газет, чувствуют себя превосходно.
      Ответить
Написать комментарий

Другие новости


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»