Наша родная планета Земля прошла продолжительный путь «возмужания» от интенсивного накопления массы метеоритного* вещества миллиарды лет назад до современного состояния и стала средоточием высочайшего достижения в эволюции материи – жизни. В том числе и её триумфального увенчания – разума, который воплощает собой человек.

Остановимся только на одном аспекте этих перемен – эволюции земной атмосферы на протяжении многих миллиардов лет, и как это влияло на развитие жизни на нашей планете.

Напомним нынешний состав земной атмосферы: 78% азота N₂, 21% кислорода О₂, углекислого газа СО₂ – 0,03%, 0,9% аргона и несущественные доли процента занимают водород, гелий, неон и другие газы. В виде раствора в океане содержится в 60 раз больше углекислоты, чем в атмосфере.

Общая масса нашей атмосферы – 5·10¹⁵ т. Изучение глубинных образцов льда в Гренландии и в Антарктиде показало, что за последние 200 лет уровень углекислого газа в атмосфере Земли увеличился на 25%. Это связано с техногенной деятельностью человека, в т. ч. и с вырубкой лесов.

Первичная газовая оболочка Земли появилась в так называемую лунную эпоху, во времена интенсивной бомбардировки планеты метеоритами задолго до даты 4,5 млрд лет назад, которая считается возрастом нашей планеты (рис. 1).

То же самое можно сказать и о первичных атмосферах других планет земной группы (Меркурий, Венера и Марс). Как и вся материя Космоса, они состояли главным образом из легчайших газов – водорода и гелия – и были потеряны из-за малой силы тяжести на этих планетах.

В верхних слоях атмосферы скорость атомов водорода и гелия может достигать второй космической (параболической) скорости v_п, при которой атом или молекула покидает планету:

,

где G – гравитационная постоянная, М – масса планеты, R – расстояние от центра планеты. Для Земли эта скорость близка к 11 км/с.

В противоположность этому планета-гигант Юпитер, имеющий на облачной поверхности силу тяжести в 2,5 раза больше земной, сохранил водородно-гелиевую атмосферу до нашего времени. Считается, что в нём сохранился в первоначальном виде тот состав вещества, из которого образовались планеты Солнечной системы.

Отметим здесь ещё один важный момент. Несмотря на то, что верхняя часть атмосферы представляет лишь незначительную долю всей газовой оболочки нашей планеты, она, тем не менее, играет ключевую роль, защищая поверхность Земли от пагубного ультрафиолета и потоков солнечного ветра, гарантируя тем самым безопасные условия для жизненных процессов на нашей планете.

Касательно прочих компонент земной атмосферы, то вероятность получить вторую космическую скорость более тяжёлыми молекулами существенно меньше (обратно пропорциональна квадратному корню массы молекулы).

Другое дело – планеты меньше Земли. При меньшей массе и, соответственно, меньшей второй космической скорости (см. формулу), они потеряли свою атмосферу (Луна, Меркурий), как и большинство спутников планет. Марс имеет разреженную углекислую атмосферу, а Венера, при массе, близкой к земной, имеет почти в 100 раз более плотную углекислую атмосферу.

Эта, на первый взгляд, удивительная разница объясняется тем, что в геологические процессы на Земле активно «вмешалась» жизнь. Углекислый газ земной атмосферы вместе со скелетами живых организмов (раковины и другие останки) километровыми толщами мрамора, извести и мела (СаСО₃) был в своё время похоронен и вошёл в состав земной коры. Общая масса атмосферы Венеры близка к массе углекислого газа в связанном состоянии в земной коре.

Теряя водородно-гелиевую атмосферу, Земля интенсивно пополняла её за счет дифференциации вещества планеты, когда тяжёлые металлы под действием тяготения погружались вниз и образовали ядро (по радиусу – почти половина земного), а лёгкие компоненты поднимались на поверхность и формировали земную кору, океан и атмосферу.

Нынешний состав газовой компоненты вулканических извержений на 80% по объёму состоит из водяных паров и на 10–15% из углекислого газа.

В 70-х годах прошлого столетия были выполнены первые компьютерные модели постепенных изменений газовой оболочки нашей планеты вплоть до её современного состояния (рис. 2). При этом учитывались такие процессы: выход газов из недр Земли, конденсация водяного пара в океаны, раствор газов в океанах, фотодиссоциация воды в верхних слоях атмосферы и диссипация водорода (рассеяние в космическое пространство), химические реакции, влияние живых организмов и захоронения останков их (рис. 3).

Согласно этой модели эволюции нашей атмосферы, около 3,5 млрд лет назад основными компонентами воздуха были метан СН₄, аммиак NH₃, углекислый газ СО₂ и другие соединения углерода.

В начале «поставку» кислорода в атмосферу осуществлял процесс фотодиссоциации водяных паров в верхних слоях атмосферы. Потом сюда «присоединился» фотосинтез живых организмов растительного типа – процесс преобразования солнечной энергии в химическую, образование органических соединений из углекислого газа и воды. При этом в качестве «побочного продукта», выделяется кислород, роль которого в жизнедеятельности живых организмов нельзя считать «побочной».

В процессе окисления аммиака в реакции:

4NH₃ + 3O₂ = 6Н₂О + 2N₂,

в атмосфере Земли в преобладающем количестве появился азот.

Фотосинтез – это единственный в биосфере процесс, обеспечивающий усвоение и сохранение энергии Солнца и являющийся фундаментом жизни на Земле. Упрощенно реакцию синтеза глюкозы из углекислого газа и воды при помощи света можно записать так:

6СО₂ + 6Н₂О + ε = С₆ Н₁₂О₆ + 6О₂,

где ε – энергия кванта света.

Фотосинтез обеспечил также и ту энергию, которая была «заготовлена впрок» и захоронена в недрах нашей планеты – в виде нефти, газа и угля.

Первые окаменелости, на которых найдены отпечатки нитчатых фотосинтезирующих организмов, относятся к эпохе 3,4 млрд лет назад. В связи с описанными процессами соответственно изменялись средняя температура поверхности планеты и облачность, как показатель наличия водяных паров в атмосфере (рис. 4).

Одной из важнейших функций фотосинтеза является обеспечение энергией (питанием) всего живого на Земле, в т. ч. и человека. Общее количество органических соединений, образующихся на суше и в океанах, – более 100 млрд т/год.

На долю наземных растений приходится 20% этого количества. Основная масса кислорода в атмосфере Земли биогенного происхождения. Ежегодно наземные растения и водоросли производят 145 млрд тонн этого важнейшего для живых организмов химического элемента. В случае если бы приостановилось его поступление в атмосферу, то через 10 тысяч лет он весь бы израсходовался на окисление горных пород.

С появлением фотосинтеза и накоплением достаточного количества кислорода формируется озоновый слой в стратосфере на высоте 10–50 км, который поглощает пагубный для живых организмов ультрафиолет. Этот участок светового спектра не проникает в водную толщу, но на сушу живые организмы смогли выйти только тогда, когда озоновый слой стал достаточно мощным (в начале Палеозойской эры, около 600 млн лет назад).

Фотосинтез также регулирует содержание углекислого газа СО₂ в атмосфере Земли, поглощая его выделения при дыхании, брожении, вулканических выбросах, производственной деятельности человека, противодействуя при этом усилению парникового эффекта. (рис. 5).

Парниковый эффект возникает вследствие рассеяния тепловых (инфракрасных) лучей углекислым газом и аммиаком, в результате чего тепло не излучается планетой в космос, на поверхности планеты температура повышается.

Из-за парникового эффекта температура на поверхности Венеры выше на 500 градусов, на Земле – на 35, а на Марсе – на 7 градусов по отношению к той, которая была бы при отсутствии этого явления.

При увеличении количества углекислоты в атмосфере увеличивается интенсивность жизнедеятельности фотосинтезирующих организмов, которые поглощают «излишек» углекислого газа, а при уменьшении его в воздухе процессы эти ослабляются. Такая же регулирующая роль фотосинтеза на Земле относится к содержанию кислорода в атмосфере, часть которого увеличивается с увеличением интенсивности фотосинтеза.

В этой связи часто приводятся такие цифры: если бы в атмосфере Земли кислорода было 25%, то лес мог бы гореть и под дождём, а если бы кислорода было 10%, то не горело бы даже сухое дерево. Получается, что биосфера как бы сама регулирует состав земной атмосферы, благоприятный для жизни, на протяжении сотен миллионов лет.

По словам академика Владимира Ивановича Вернадского (1863–1945), жизнь образует в окружающей среде условия, благоприятные для своего существования.

Согласно с вышеназванным моделированием эволюции земной атмосферы, 2 млрд лет назад на Земле образовались полярные шапки изо льда. Процесс эволюции климата очень чувствителен к расстоянию Земля – Солнце.

Если бы Земля была немного ближе к Солнцу, быстрый парниковый эффект свершился бы достаточно рано и, очевидно, удерживался бы до нашего времени, а на несколько большем расстоянии неудержимое оледенение охватило бы Землю 2 млрд лет назад.

Но кроме естественных причин, которые влияют на условия на нашей планете, очевидно, все согласны с тем, что главной причиной влияния на жизненное пространство на Земле в данную историческую эпоху является человеческая деятельность.

Особенно это касается негативного воздействия на окружающую среду. В этих обстоятельствах груз забот по охране природы, дарованной нам Высшим Космическим Провидением, человек должен неизбежно взвалить на свои плечи и мужественно нести его до конца. Альтернативы этому нет. Об этом свидетельствует весь опыт нашей жизни.

СЛОВАРИК

Биосфера (от гр. βίος – жизнь и σφαιρα – шар) – оболочка Земли, населенная живыми организмами.
Биогенный (от гр. βίος – жизнь и γενος – род) – всё, происходящее от живых организмов.
Диссипация (от. лат. dissipo – рассеиваю) – здесь рассеивание атмосферы планеты в космическое пространство.
Квант (от лат. quantum – сколько) – доля энергии, излучаемая или поглощаемая атомом при его переходе из одного состояния в другое.
Метеорит (от гр. μετεωρος – который вверху, в воздухе) – малые космические тела, падающие на Землю.
Озон (от гр. οξων – пахучий) – соединение троих атомов кислорода, образуется в частности в стратосфере на высоте 10–50 км под действием ультрафиолетовых лучей.
Параболическая скорость (от гр. παραβολη – приближение) –минимальная скорость, при которой тело по параболе покидает планету.
Солнечный ветер – поток элементарных частиц (электронов, протонов, ядер атомов) из солнечной короны.
Стратосфера (от лат. stratum – слой и гр. σφαιρα – шар) – слой атмосферы на высоте 8–55 км.
Фотодиссоциация (от гр. φοτος – свет и лат. dissociatio – разделение) – разложение молекул под действием света на более простые компоненты.
Фотосинтез (от гр. φοτος – свет и συνθεσις – соединение) – образование зелеными растениями при помощи света органических веществ из воды и углекислоты.

Источники:
Журнал «Sky and Telescope» (иллюстрации).

И.А. Дычко, кандидат физико-математических наук, г. Полтава