Древняя Земля была адом для жизни — почему все изменилось?

Земля — ​​единственная известная нам планета, на которой есть жизнь. Разумеется, ученые предполагают, что жизнь может существовать в подледных океанах спутников газовых гигантов, на Марсе и даже в атмосфере Венеры, на что указывает возможно находящийся там газ фосфин. Но подтвержденная жизнь есть только на Земле.

Делает ли это нашу планету особенной? Ученые на протяжении многих десятилетий размышляли о том, какие факторы важны или полезны для жизни. Ответы помогут нам определить иные потенциально обитаемые планеты в других частях галактики.

Давайте перенесемся на 4.5 миллиарда лет назад, когда наша планета только-только образовалась. Чтобы понять, какими были условия в первое время существования Земли, исследователи пытаются воссоздать химический баланс кипящего океана магмы, покрывавшего нашу планету миллиарды лет назад, что позволяет провести дополнительные эксперименты, дабы увидеть, какая в итоге атмосфера должна была образоваться на древней Земле.

В итоге Энтони Бернхэм и Хью О'Нил, научные сотрудники Исследовательской школы наук о Земле при Австралийском национальном университете, работая с коллегами из Франции и США, обнаружили, что первая атмосфера Земли, вероятно, представляла собой густой негостеприимный для жизни суп из углекислого газа и азота, очень похожий на то, что мы видим на Венере сегодня.


Поверхность Венеры. Земля могла быть такой же, но не стала. Почему?

Как Земля получила свою первую атмосферу

Каменистая планета, такая как Земля, рождается в результате процесса, называемого аккрецией, при котором первоначально маленькие частицы пыли из газопылевого диска вокруг молодой звезды слипаются под действием силы тяжести, образуя все большие и большие тела. В результате получается большое количество планетезималей — зародышей планет, которые выглядят как астероиды.

Однако выживают и продолжают расти из них далеко не все. Находясь на нестабильных орбитах, они постоянно сталкиваются друг с другом, в результате чего мы видим лишь четыре каменистых планеты — Меркурий, Венеру, Землю и Марс.

Причем столкновения на поздних стадиях аккреции бывают поистине разрушительными, высвобождающими огромное количество энергии. Так, современная гипотеза о происхождении Луны предполагает, что уже в конце эпохи аккреции с Землей столкнулся эмбрион планеты размером с Марс. В результате этого гигантского удара на орбиту нашей планеты было выкинуто огромное количество материи, которое в итоге и образовало Луну. Собственно, это объясняет, почему вещество на поверхности нашего спутника так похоже на земное.

Что касается Земли, то из-за гигантских энергий при этом столкновении наша планета должна была полностью покрыться расплавленными горными породами, так называемым океаном магмы. Разумеется, для образования гидростатического равновесия из магматического океана должны были утекать водород, углерод, кислород и азот, чтобы сформировать первую атмосферу Земли.


Художественное изображение процесса образования и формирования Луны.

Какой была первая атмосфера

Разумеется, ученые хотят точно знать, что это была за атмосфера и как она изменялась по мере охлаждения и затвердевания океана магмы внизу. Однако, увы, машины времени у нас нет, а с той эпохи никаких физических свидетельств не осталось. Поэтому в ход идут теоретические модели, благодаря которым исследователи хотят понять, что тогда происходило с таким элементом, как кислород, потому что именно он контролирует многие соединения других элементов.

Если на древней Земле было мало кислорода, то первичная атмосфера должна была быть богата водородом (H2), аммиаком (NH) и оксидом углерода (CO).

При избытке кислорода он сделал бы атмосферу из гораздо более дружелюбной для жизни смеси газов: диоксида углерода (CO2), водяного пара (H2O) и молекулярного азота (N2).

Итак, исследователям нужно было выяснить химию кислорода в океане магмы, существовавшем несколько миллиардов лет назад. Ключевым моментом здесь является определение того, сколько кислорода было химически связано с железом. Если кислорода много, то он связывается с железом в соотношении 3:2, а если его меньше, мы видим соотношение 1:1. Фактическое соотношение может варьироваться между этими крайностями.

Когда магматический океан в конце концов остыл, он стал мантией Земли (слоем расплавленной породы между корой и ядром планеты). И здесь исследователи из Австралийского университета сделали важное предположение: отношение кислорода к железу в древнем магматическом океане было таким же, как и в мантии сегодня.


В процессе застывания океана магмы менялся и состав атмосферы, и ученые выяснили, как именно.

А уж образцов современной мантии у ученых хватает: некоторые из них были вынесены на поверхность в результате извержений вулканов, другие — в результате тектонических процессов. Исходя из этого, Бернхэм и О'Нил смогли «собрать» из химических соединений похожую на первичную атмосферу среду в лаборатории.

Земля в пробирке

В итоге исследователи определили, что изначально атмосфера на Земле состояла из CO2 и H2O. При этом азот был в элементарной форме (N2), а не в виде токсичного газообразного аммиака (NH3).

Окей, но что произошло с атмосферой в дальнейшем, когда океан магмы застыл и образовал кору нашей планеты? Судя по всему, когда ранняя Земля достаточно остыла, водяной пар стал конденсироваться из атмосферы, образуя океаны жидкой воды, которые мы видим сегодня. Но в результате этого процесса в атмосфере остались только 97% CO2 и 3% N2 при общем атмосферном давлении примерно в 70 раз превышающем сегодняшнее. Это должно было вызвать сильнейший парниковый эффект и превратить нашу планету в еще один филиал ада, каковым является Венера, но этого не произошло. Почему?

Как Земля избежала участи Венеры

Такое отношение CO2 к N2 при таком давлении поразительно похоже на нынешнюю атмосферу Венеры. Так почему же Венера сохранила адски горячую и токсичную среду, которую мы наблюдаем сегодня, а Земля превратилась в гостеприимный для жизни мир?


Венера не попадает в зону, где может существовать жидкая вода на поверхности планеты.

Все дело в том, что Венера расположена слишком близко к Солнцу (которое к тому же на заре своего существования светило куда ярче, чем сейчас). Она просто никогда не остывала настолько сильно, чтобы на ней могли начать образовываться океаны из воды. Вместо этого H2O в атмосфере оставался в виде водяного пара и медленно, но неумолимо улетал в космос.

А вот на ранней Земле водные океаны вместо этого медленно, но неуклонно вытягивали CO2 из атмосферы в результате так называемой реакции Юри, в которой диоксид углерода попадает в океан с кислотными дождями и там осаждается в виде карбонатов на дне. Также благодаря этой реакции, очевидно, стало падать атмосферное давление, тем самым окончательно предотвращая сценарий парникового эффекта.

Вот так и случилось, что хотя Земля и Венера начинали свою жизнь почти одинаково, разные расстояния от них до Солнца сыграли здесь ключевую роль. В итоге наша планета стала благоприятной для жизни, а Венера превратилась в космический филиал ада.