Ученые смогли определить состав древней атмосферы Земли

Кислород в атмосфере Земли образовался в достаточном для дыхания количестве задолго до появления первых животных, выявил анализ древних пород. Эти результаты, хотя и с лишившей их сенсационности поправкой, опубликованы в журнале Gondwana Research.

Капсулы времени

Состав атмосферы меняется постоянно, хоть и медленно. Судить о нем в динамике можно по пузырькам древнего воздуха, оставшимся в полярных ледяных кернах, — но лишь за последние 6 миллионов лет. Чтобы заглянуть глубже в прошлое, нужен принципиально иной подход.

Он заключается в анализе крошечных включений древних жидкостей и газов, сохранившихся в солях, кварцевых жилах и кристаллизованной магме, рассказал геохимик Морган Шаллер из Политехнического института Ренсселера в США.

Он уверен, что это большой шаг вперед в изучении истории Земли: «Я не думаю, что кто-то ожидал получить нетронутые образцы воздуха из этих источников».

Геологи давно знают, что горные породы могут сохранять следы атмосферы. Например, при остывании магмы дефекты в растущих кристаллах могут захватывать окружающие жидкости и газы в виде включений. Однако получить доступ к этим «капсулам времени» непросто.

«Кажется, все просто: найди газ и проанализируй, — говорит геохимик Рэймонд Берджесс из Манчестерского университета. — Но когда речь идет о таких далеких геологических эпохах, все становится сложнее».

Благородный подход

Чтобы извлечь газы, исследователи измельчают горные породы. В вакуумном прессе они постепенно увеличивают давление. Разные части образца разрушаются при разном давлении, высвобождая отдельные порции захваченных газов, которые затем анализируются с помощью масс-спектрометра. Повторяя процедуру на достаточном количестве образцов, можно собрать достаточно газа для анализа.

Одним из первых, кому такой подход принес удачу, стал геохимик Бернар Марти из Университета Лотарингии. В начале 2010-х годов он выделил благородные газы из кварца и барита в Западной Австралии. Изотопный анализ показал, что им более 3 миллиардов лет — и поначалу этот результат был скептически встречен коллегами.

«Это архейский воздух. Очень древний воздух», — заметил сотрудничавший ранее с Марти геохимик Гийом Авис из Парижского института физики планет.

Его группа недавно работала в 11-километровом ударном кратере Дхала в центральной Индии, где около 2 миллиардов лет назад упал крупный метеорит. После удара горячая вода заполнила трещины в ландшафте, а растворенные минералы со временем выпали в осадок в виде гидротермального агата. Извлеченные из него благородные газы представляют собой первый образец атмосферы протерозойской эры, следующей за архейской. Количество аргона-40 было лишь немного выше, чем в архейскую эру, говорит Авис, что позволяет предположить, что вулканическая активность тогда могла замедлиться на несколько сотен миллионов лет.

Шаллер и его коллеги для определения состава древней атмосферы изучают галиты — соли, отложившиеся в очень мелких озерах, вроде тех, что плещутся в Долине Смерти. Днем, когда вода нагревается, соль кристаллизуется и образует на поверхности пласты, которые могут захватывать пузырьки воздуха и воды — и они, по словам геохимика, «могут сохраняться очень долго».

Проблема в том, что в замкнутом пространстве часть воздуха растворяется в воде, искажая измерения химического состава. Но усовершенствуя свой метод анализа галитов, Шаллер нашел способ учета этого процесса.

Сенсация с поправкой

Исследование галитов дает поистине удивительные результаты: задолго до появления первых животных уровень кислорода уже был достаточным для дыхания.

Геохимик Найджела Блейми из Университета Западного Онтарио сообщил в статье 2016 года в журнале Geology, что 815 миллионов лет назад воздух содержал 11% кислорода. В другом исследовании, которое еще не опубликовано, обнаружено, что в породах из России возрастом 2 миллиарда лет уровень кислорода составляет 16% — близко к современному. Оба результата значительно выше ожидаемых — традиционно считалось, что уровень кислорода оставался очень низким, за исключением нескольких кратковременных всплесков, примерно до 800 миллионов лет назад, когда его рост спровоцировал эволюцию животных.

Шаллер сомневается в этих результатах в основном потому, что они не учитывают растворенный газ, как это делает он. С поправкой на этот фактор выходит, что 815 миллионов лет назад атмосфера содержала не 11%, а 6,6% кислорода — все еще выше косвенных оценок, но не намного.