Земля имела атмосферу Марса — и поэтому не станет Венерой

Земля в архее (4,0-2,5 миллиарда лет назад) в представлении художника / ©Simone Marchi (SwRI), SSERVI, NASA

Земная атмосфера 2,7 миллиарда лет назад состояла в основном из углекислого газа — и было его там до тысячи раз больше, чем сегодня. При этом азота почти не было, хотя сегодня его в воздухе 78%. Выходит, наша газовая оболочка по составу была близка к марсианской. Как ни странно, эти дела давно минувших дней актуальны для ответа на вопрос о будущем выживании человечества. Похоже, предсказание Стивена Хокинга о гибели всего живого из-за превращения Земли в Венеру не сбудется. Разбираемся, почему так и как одно связано с другим.

Чтобы понять, куда идти, надо сначала понять, откуда мы идем. Ряд ученых предполагают, что заметная прибавка СО2 в атмосфере сегодняшней Земли может переключить ее в состояние неудержимого парникового эффекта. Так называют ситуацию, когда перегрев тропосферы из-за парниковых газов ведет к попаданию водяного пара в стратосферу.

Водяной пар — мощный парниковый газ, но пока Земля прохладна, как сейчас, подняться в стратосферу он не может: замерзает еще на ее границе. При достаточном его количестве в верхних слоях атмосферы на планете может стать так жарко, что все океаны попросту выкипят.

Жизнь на поверхности в таком случае погибнет, причем это не чистая теория: по всем признакам именно это произошло на Венере. Там сейчас крайне мало водяного пара, но в нем преобладают молекулы с атомами тяжелого водорода (дейтерия). Самые тяжелые молекулы воды чаще остаются при прошлой сильной потере воды в космос — и, судя по дейтерию, океаны Венеры именно выкипели, а потом их вода из стратосферы улетела в космическое пространство.

По расчетам астрономов, чтобы Земля вошла в такое состояние и стала необитаемой, ей надо получать от Солнца лишь на 1-2% больше энергии. Это очень мало: если их расчеты верны, судьба всей нашей биосферы висит на тонкой нити. Прибавь в газовую оболочку планеты парниковых газов — и это вполне заменит рост светимости Солнца.

Известный климатолог Джеймс Хансен так и заявлял несколько лет назад:

«Если мы сожжем все запасы нефти, газа и угля, есть большой шанс, что мы запустим неудержимый парниковый эффект. Если мы вдобавок сожжем запасы из нефтеносных песков и сланцев, то, я считаю, синдром Венеры станет для нас неизбежным».

Страшно? Надо сказать, напуганы не только вы. Известный физик Стивен Хокинг тоже серьезно боялся такого варианта: «Мы приближаемся к переломному моменту, когда глобальное потепление станет необратимым. Действия Трампа могут столкнуть Землю с обрыва, она станет как Венера — с температурой в 250 градусов (на Венере — 450 градусов: видимо, Хокинг имел в виду, что Земля дальше Венеры. — Прим. авт.) и дождями из серной кислоты».

Похоже, избыток углекислого газа крайне опасен. Поэтому важно узнать, каким было его количество в древней атмосфере и что на планете было тогда.

Тонкая атмосфера, вместо азота — углекислый газ

Однако достоверные данные о СО2 из прошлого получить сложно. Последние два миллиона лет на планете было намного холоднее обычного: сейчас на Земле в среднем +15 градусов, а в норме температура ближе к +20. Поэтому ледяные керны из разных мест можно собрать всего за миллион-другой лет.

И даже Антарктида 40 миллионов лет назад ледовых шапок не имела, поэтому в теории узнать состав совсем древнего воздуха напрямую нереально. Не помогут здесь и янтарь, и пузырьки воздуха в древней лаве: при высоких температурах часть СО2 может прореагировать с веществом самого янтаря либо лавы — или просто диффундировать через стенки.

Авторы новой работы в Science Advances взяли образцы 59 микрометеоритов, надежно датированных 2,7 миллиарда лет назад (их нашли в одном известняковом слое того периода), и попытались оценить их степень окисления. Когда железно-никелевые метеориты такого рода влетают в атмосферу Земли, они начинают плавиться, и железо окисляется до его оксидов — но только несколько секунд. Затем торможение метеорита о воздух на высоте в 75-90 километров над землей понижает его скорость до такой, когда он снова отвердевает и остается химически стабильным далее.

Оказалось, окисление железных метеоритов той эпохи реально либо для верхней атмосферы современного типа (20% кислорода), либо для атмосферы, в которой СО2 не менее 70% по объему и более 90% по массе. Первую вероятность они отвергли: 20% кислорода в верхних слоях атмосферы значило бы, что у поверхности должна быть хотя бы небольшая его концентрация. Но породы поверхности планеты того времени показывают бескислородные условия: там почти нет оксидов.

Вариант с СО2 в таких условиях остается единственным реальным. Нужного количества водяного пара (H20) в атмосфере Земли можно добиться, только если выкипят океаны, чего явно не было. Молекулы азота, аммиака, метана и других компонентов земной атмосферы не содержат кислорода и не могут дать окисления метеоритов. Как отмечают авторы, из металлургии давно известно, что при нагреве выше 1000 градусов углекислый газ окисляет железо — и лабораторные эксперименты это подтверждают.

Атмосфера, на 70% состоящая из главного парникового газа Земли, должна была обладать исключительными свойствами. За счет хорошего поглощения инфракрасного излучения от земной поверхности температура оставалась бы намного выше, чем сейчас.

Авторы исходят из ранее установленного факта, что атмосферное давление 2,7 миллиарда лет назад было не выше половины от нынешнего (от 0,23 до 0,5 от современного уровня). Газовая оболочка Земли на поверхности была такой же разреженной, как сегодня на пятикилометровой высоте.

Предположительно, воздух «съели» бактерии: они поглощали азот воздуха, а за счет отсутствия кислорода распад азотсодержащей мертвой органики почти не шел. В результате от половины до трех четвертей всего первичного объема земного воздуха было «съедено» — и азота там оставалось немного.

В норме более тонкая атмосфера означает большую потерю тепла и более прохладный климат. Вдобавок Солнце 2,7 миллиарда лет назад было на четверть тусклее нынешнего, ведь термоядерный синтез в звездах нашего типа со временем ускоряется. Опять же, при прочих равных на четверть менее яркое Солнце должно было обеспечить более прохладный климат.

Но, согласно новой работе, даже разреженная атмосфера за счет содержания СО2 выше 70% по объему (и более 90% — по массе) обеспечивала нашей планете среднюю температуру в +30 градусов. Это вдвое выше, чем сегодня. Становится понятно, почему геологам так и не удалось обнаружить следы хотя бы временных оледенений до эпохи кислородной катастрофы, когда фотосинтезирующие растения уронили концентрацию СО2, переработав значительную его часть в О2, кислород.

Работа показывает интересную картину. Выходит, в древней атмосфере газов по массе было примерно как сегодня — около пяти квадриллионов (тысяч триллионов) тонн, примерно по 10 тонн на один квадратный метр поверхности. Однако 90% этой массы составлял углекислый газ, хотя сегодня 75% атмосферы по массе приходится на азот. То есть в воздухе древней Земли содержались квадриллионы тонн СО2.

Сегодня в воздухе всего 3,2 триллиона тонн углекислого газа. Огрубляя, это одна тысячная от его современного количества. Общая масса угля, нефти, торфа и метана в известных и перспективных резервах всех типов заведомо ниже пяти триллионов тонн. СО2 при их сгорании не может образоваться и 10 триллионов тонн.

То есть полное сжигание всего ископаемого топлива может увеличить количество СО2 в атмосфере максимум в несколько раз. Между тем наша планета 2,7 миллиарда лет назад не превратилась в Венеру даже при тысячекратно большем количестве СО2.

Вывод: Джеймс Хансен неправ и Стивен Хокинг — тоже. Полное сжигание всех мыслимых видов топлива не превратит Землю в Венеру, наши океаны не выкипят. Даже тысячекратный рост количества СО2 в газовой оболочке уже был — и жизнь его перенесла.

Подчеркнем: конечно, сегодня увеличивать количество углекислого газа в воздухе в тысячу раз не надо. Мы все начнем испытывать проблемы с дыханием, как только его количество вырастет хотя бы в десяток раз. Все-таки жизнь 2,7 миллиарда лет назад была анаэробной, а мы — аэробные организмы.

Тем не менее важность работы для оценки опасностей будущего велика. Из нее очевидно: никакие человеческие усилия не могут превратить Землю в безжизненный горячий ад типа Венеры. Этого не случится.

Древняя Земля жила в атмосфере древнего Марса?

Параллельно работа имеет большое значение для понимания истории Марса. Дело в том, что Красная планета в 1,6 раза дальше от Солнца, чем мы, поэтому получает от него в три раза меньше энергии на единицу площади. Однако ученые непрерывно находят там следы озер, рек и целых морей. Причем часть из них существовала менее миллиарда лет тому назад, то есть в эпоху, когда атмосфера там уже была разреженной — за счет ее потери в космос, ведь марсианская гравитация всего 0,38 земной.

Это стало настоящей загадкой для ученых. Как планета, где сейчас среднегодовая температура —64 градуса, могла относительно недавно иметь реки и озера? Проблема получила название «парадокс молодого теплого Марса», и поиски ее решения идут до сих пор. Возможно, новая работа о прошлом нашей собственной планеты способна серьезно продвинуть ситуацию и с прошлым ее соседа.

Марс и Земля различаются по массе в десять раз, но их состав различается далеко не так радикально. Напрашивается предположение, что до того, как земная жизнь съела основную часть СО2 из атмосферы, превратив его в О2, которым мы дышим, воздух Земли и Марса должен был быть похож по составу. В конце концов, сейчас на Красной планете более 95% атмосферы — углекислый газ.

При концентрации СО2 в 70% и атмосферном давлении даже в половину от нынешнего земного на нашей планете 2,7 миллиарда лет назад было в среднем +30 градусов, но на Марсе, получающем меньше энергии, температура была явно ниже. Тем не менее даже при среднегодовой температуре около ноля градусов реки и моря существуют: в Сибири есть и регионы, где реки и озера наличествуют при среднегодовой температуре в минус пять. Соответственно, загадка «молодого теплого Марса» выглядит решенной.

Кто съел марсианский азот

Есть еще один момент. Если атмосферы Земли и Марса в прошлом были так похожи — с главным газом СО2 вместо доминирующего у нас сегодня азота, — не значит ли это, что сходство двух планет зашло дальше?

Ранее считалось, что газовая оболочка двух планет отличалась даже в древности. Мол, на Земле с самого начала был азот в воздухе, а на Марсе не было изначально.

В последние годы выяснилось: земная атмосфера 2,7 миллиарда лет назад была минимум вдвое менее плотной, чем сейчас, так как земные бактерии «съели» азот воздуха. По мере гибели прежних поколений бактерий их биомасса со связанным азотом поступала в почву, обогащая ее нитратами. Азот начал возвращаться в воздух только после того, как фотосинтезирующие организмы наработали из СО2 много кислорода, и микробы с его помощью смогли разложить древнюю мертвую органику (этим и сегодня занимаются денитрифицирующие бактерии).

Но почему азота нет в атмосфере Марса, если в остальном она так похожа на древнюю земную? Не значит ли это, что Красная планета миллиарды лет назад тоже имела много жадных микроскопических обитателей, которые «съедали» азот воздуха, делая атмосферу все более разреженной?

Несколько лет назад марсоход Curiosity обнаружил, что при нагреве марсианского грунта — в любой точке поверхности — выделяются окислы азота. Именно это происходит, когда вы нагреваете грунт с нитратами (не надо делать это дома: окислы азота опасны для здоровья). По оценкам ученых, работающих с марсоходом, 0,11% марсианского грунта — нитраты.

0,11% кажется небольшой цифрой, но только если мы не вспомним, что общая масса верхних 20 метров поверхности Марса больше пяти квадриллионов тонн. Конечно, в молекулах нитратов есть не только азот (обычно его там пара десятков процентов). Но даже тогда N2 — по 15 килограммов на квадратный метр поверхности.

Еще важнее то, что на Земле основная часть азота содержится не в верхних слоях почвы, а на значительной глубине: там его на нашей планете более десяти квадриллионов тонн. Если на Марсе ситуация похожа, то азота там по несколько тонн на квадратный метр поверхности.

В земной атмосфере сейчас по 7,5 тонны азота в воздухе над каждым квадратным метром поверхности. Выходит, не исключено, что азот на Марсе может встречаться не реже, чем на Земле. Только у местных организмов никогда не было достаточно кислорода, чтобы извлечь его обратно в атмосферу.

Разумеется, такая оценка груба: мы не знаем, насколько глубоко тянется нитратный слой вглубь Марса — это может быть и 10 метров, и 30, а вовсе не 20, как в примере выше. Глубинные запасы азота оценить еще труднее. Но общее сходство в составе древних атмосфер определенно наводит на мысли о том, что сценарии развития ранней жизни на обеих планетах могли быть похожи.

Источник: Naked Science