Моделирование климата Земли показывает, что более чем через миллиард лет количество кислорода в атмосфере нашей планеты уменьшится почти в 100 раз. Что ждет планету после?

Атмосфера Земли

Атмосфера— газовая оболочка небесного тела, удерживаемая около него гравитацией. Поскольку не существует резкой границы между атмосферой и межпланетным пространством, то обычно атмосферой принято считать область вокруг небесного тела, в которой газовая среда вращается вместе с ним как единое целое. Толщина атмосферы некоторых планет, состоящих в основном из газов (газовые планеты), может быть очень большой.

Атмосфера Земли содержит кислород, используемый большинством живых организмов для дыхания, и диоксид углерода, потребляемый растениями и цианобактериями в процессе фотосинтеза. Атмосфера также является защитным слоем планеты, защищая ее обитателей от солнечного ультрафиолетового излучения и метеоритов.

Атмосфера есть у всех массивных тел — газовых гигантов и большинства планет земного типа в Солнечной системе, кроме Меркурия. 

  • Границы атмосферы

Атмосферой принято считать ту область вокруг Земли, в которой газовая среда вращается вместе с Землёй как единое целое. Она переходит в межпланетное пространство постепенно, в экзосфере, начинающейся на высоте 500–1000 км от поверхности Земли.

По определению, предложенному Международной авиационной федерацией, граница атмосферы и космоса проводится по линии Кармана, расположенной на высоте 100 км, выше которой авиационные полеты становятся полностью невозможными.

NASA использует в качестве границы атмосферы отметку в 122 км (400 000 футов), где «шаттлы» переключались с маневрирования с помощью двигателей на аэродинамическое маневрирование.

  • Состав

Атмосфера Земли возникла в результате двух процессов: испарения вещества космических тел при их падении на Землю и выделения газов при вулканических извержениях (дегазация земной мантии). С выделением океанов и появлением биосферы атмосфера изменялась за счет газообмена с водой, растениями, животными и продуктами их разложения в почвах и болотах.

В настоящее время атмосфера Земли состоит в основном из газов и различных примесей (пыль, капли воды, кристаллы льда, морские соли, продукты горения).

История образования атмосферы

Согласно наиболее распространенной теории, атмосфера Земли на протяжении истории последней перебыла в трех различных составах. Первоначально она состояла из легких газов (водорода и гелия), захваченных из межпланетного пространства. Это так называемая первичная атмосфера.

На следующем этапе активная вулканическая деятельность привела к насыщению атмосферы и другими газами, кроме водорода (углекислым газом, аммиаком, водяным паром). Так образовалась вторичная атмосфера. Эта атмосфера была восстановительной. Далее процесс образования атмосферы определялся следующими факторами:

  • утечка легких газов (водорода и гелия) в межпланетное пространство;
  • химические реакции, происходящие в атмосфере под влиянием ультрафиолетового излучения, грозовых разрядов и некоторых других факторов.

Постепенно эти факторы привели к образованию третичной атмосферы, характеризующейся гораздо меньшим содержанием водорода и гораздо большим — азота и углекислого газа (образованы в результате химических реакций из аммиака и углеводородов).

Кислород в атмосфере

Состав атмосферы начал радикально меняться с появлением на Земле живых организмов, в результате фотосинтеза, сопровождающегося выделением кислорода и поглощением углекислого газа.

Первоначально кислород расходовался на окисление восстановленных соединений — аммиака, углеводородов, закисной формы железа, содержавшейся в океанах и другом.

По окончании данного этапа содержание кислорода в атмосфере стало расти. Постепенно образовалась современная атмосфера, обладающая окислительными свойствами. Поскольку это вызвало серьезные и резкие изменения многих процессов, протекающих в атмосфере, литосфере и биосфере, это событие получило название Кислородная катастрофа.

Почему кислород исчезает из атмосферы?

Оказалось, что в течение этого времени с Земли происходит довольно стабильная утечка кислорода со скоростью примерно 8,4 промилле за миллион лет. В частности за последние 800 тыс. лет в атмосфере стало примерно на 0,7% меньше кислорода.

На диаграмме слева показано, как отличаются результаты научного моделирования соотношения O2/N2 в атмосфере и парциального давления. На диаграмме справа — изменение парциального давления по результатам измерения воздушных пузырьков в ледяных кернах за 800 тыс. лет

Уменьшение количества кислорода в атмосфере происходит довольно медленно. Вероятно, в ближайшие миллионы лет оно не угрожает человеческой жизни. Но информация о природе таких циклов очень важна для науки.

Нужно знать, под влиянием каких факторов происходят изменения. Эту информацию можно использовать в том числе при терраформировании Марса, когда люди начнут заселение Красной планеты. Вероятно, нам придется повышать количество кислорода в марсианской атмосфере.

Почему кислород исчезает?

Ученые еще не пришли к единому мнению, почему атмосфера Земли медленно теряет кислород. Есть две гипотезы.

  • Увеличение скорости эрозии, в результате которой из почвы извлекается больше горных пород, которые окисляются и связывают больше кислорода.
  • Изменение климата. За последние несколько миллионов лет температура немного снизилась, несмотря на резкий рост в последние десятилетия. Из-за снижения температуры могла инициироваться цепочка экологических реакций, в результате которой больше кислорода стало растворяться и связываться в Мировом океане.

Кислород исчезнет полностью?

Да, по крайне мере к такому выводу пришли японский ученый из Университета Тохо Казуми Озаки и его американский коллега Кристофер Рейнхард из Технологического института Джорджии.

Специалисты смоделировали эволюцию атмосферы нашей планеты с учетом геологических, биологических и климатических факторов. В результате они выяснили, что земная атмосфера останется относительно стабильной еще около миллиарда лет, а после этого за несколько тысяч лет она превратится в практически бескислородную.

По мнению ученых, причина катастрофы будет заключаться в возросшей активности Солнца, из-за которой в атмосфере снизится содержание углекислого газа. Когда этот показатель дойдет до критической точки, на планете нарушится процесс фотосинтеза, и кислород перестанет поступать в атмосферу.

Биосфера не успеет адаптироваться к таким значительным изменениям среды. Мир примитивных анаэробных микробов, который сегодня скрывается в тени, снова возьмет верх.

Вывод авторов работы

Как Земля будет без кислорода?

Такое состояние уже было с нашей планетой до кислородной катастрофы. 

Точный состав первичной атмосферы Земли на сегодняшний день неизвестен, однако, как правило, ученые считают, что она сформировалась в результате дегазации мантии и носила восстановительный характер. Основу ее составляли углекислый газ, сероводород, аммиак, метан. В пользу этого свидетельствуют:

  • неокисленные отложения, образовавшиеся явно на поверхности (например, речная галька из нестойкого к кислороду пирита);
  • отсутствие известных значимых источников кислорода и других окислителей;
  • изучение потенциальных источников первичной атмосферы (вулканические газы, состав других небесных тел).

Поскольку подавляющая часть организмов того времени была анаэробной, неспособной существовать при значимых концентрациях кислорода, произошла глобальная смена сообществ: анаэробные сообщества сменились аэробными, ограниченными ранее лишь «кислородными карманами». Анаэробные же сообщества, наоборот, оказались оттеснены в «анаэробные карманы» (образно говоря, «биосфера вывернулась наизнанку»).

В дальнейшем наличие молекулярного кислорода в атмосфере привело к формированию озонового экрана, существенно расширившего границы биосферы, и к распространению более энергетически выгодного (по сравнению с анаэробным) кислородного дыхания.

Источник: hightech.fm

Поделиться с друзьями...
Сентябрь 2021
Пн Вт Ср Чт Пт Сб Вс
 12345
6789101112
13141516171819
20212223242526
27282930