Кислород в атмосфере Земли 2,7 млрд. лет назад

Существует такое понятие — «кислородная катастрофа». Этим страшноватым термином называют этап в эволюции земной атмосферы, который для нас теперешних был скорее благоприятным. Предполагается, что в ходе кислородной катастрофы примерно 2.4 млрд. лет назад произошло существенное обогащение земной атмосферы молекулярным кислородом. До этого времени воздушная оболочка нашей планеты кислорода практически не содержала. Большинство учёных считает, что наполнение земной атмосферы кислородом имело биологическую природу: кислород выделялся в процессе жизнедеятельности живых организмов. Их роль в синтезе молекулы O2 считается настолько значительной, что молекулярный кислород рассматривается в качестве одного из потенциальных биомаркеров, то есть соединений, наличие которых указывает на возможное существование жизни.

В работе Эндрю Томкинса с соавторами (http://vk.cc/5fI1lZ), опубликованной 12 мая 2016 года в журнале Nature, высказывается предположение, что значительное количество кислорода могло содержаться в земной атмосфере и до кислородной катастрофы, но кислородный слой находился на достаточно большой высоте. На существование этого слоя указал анализ микрометеоритов, которые Томкинс и его коллеги нашли в австралийских осадочных породах возрастом около 2.7 млрд. лет. Эти микрометеориты представляют собою шарики диаметром 8.6-50 мкм, полностью расплавившиеся и застывшие в процессе прохождения через атмосферу. Из шестидесяти микрометеоритов 59 оказались железными, в которых железо в значительной степени окислилось и превратилось в минералы вюстит и магнетит. Структура шариков и распределение в них оксидов железа свидетельствуют, что окисление произошло именно в процессе падения микрометеоритов, а не позже.

В принципе, окисление метеоритного железа могло произойти в реакциях с двумя молекулами — молекулярным кислородом и (или) углекислым газом. Однако эксперименты показывают, что реакции железа с CO2 происходят медленно и приводят к формированию только вюстита, тогда как реакции железа с O2 протекают быстро, что больше соответствует условиям нагрева метеорита в атмосфере, и образуют наблюдаемую смесь вюстита и магнетита.

В большинстве изученных микрометеоритов металлического железа практически не осталось; всё оно перешло в оксиды. Это говорит о том, что в архейской верхней атмосфере кислород не просто был — его было много. Однако при этом свидетельства того, что в нижней атмосфере того времени кислорода практически не было, никто не отменял. Значит, химический состав атмосферы 2.7 млрд. лет назад был сильно неоднородным. В современной атмосфере перемешивание слоёв подавлено там, где есть инверсия температуры, то есть рост температуры с высотой. Можно предположить, что инверсия температуры могла существовать и в архейской атмосфере, однако установить её положение, исследуя одни только микрометеориты, невозможно. Анализируя их, можно лишь установить, что на высотах порядка 70-80 км (там, где происходило их плавление), 2.7 млрд. лет назад содержание молекулярного кислорода было близко к современному. Если предположить, что обогащение верхней атмосферы молекулами O2 происходило в результате фотодиссоциации углекислого газа, кислородный слой мог начинаться на высоте порядка 50 км.