Когда появился кислород на Земле?

Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком

В атмосфере Земли много свободного кислорода. Но всегда ли так было? Изучая эволюцию земной атмосферы, по сложившейся традиции исследователи долгое время считали, что кислород в заметных количествах появился только в течение последних 570 миллионов лет, то есть в эпоху, когда на Земле уже были разнообразные формы жизни. Зеленые растения (и особенно водоросли) — вот основной источник свободного кислорода в нашей атмосфере, так считали до недавнего времени.

Исследователи пришли к выводу, что кислород был в атмосфере Земли и в добиологическую эпоху и уровень его в те далекие времена мог колебаться от одного до пяти процентов. Получался такой кислород в процессе фотодиссоциации воды. В последние годы измерения с помощью ракет и спутников позволили получить точные данные о верхних слоях атмосферы, в том числе и о скорости разложения молекул водяного пара под действием ультрафиолетового излучения Солнца.

Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного — кислорода. Освободившись от химической связи, легкие атомы водорода постепенно проникают во все более высокие слои, где-то на высоте 200—400 километров они уже не удерживаются силами земного притяжения и «убегают» в межпланетное пространство. По оценкам специалистов, утечка водорода в настоящее время составляет 10 процентов от того количества, которое поступает в результате фоторазложения молекул воды.

Максимальная интенсивность фотодиссоциации водяного пара приходится на слои атмосферы, расположенные на высоте 70—80 километров. Расчет показывает, что энергии солнечных лучей достаточно для того, чтобы фоторазложение шло в тысячи раз более высокими темпами, чем в наши дни. При этом в принципе планета могла бы потерять всю водную оболочку довольно быстро, за время около одного миллиарда лет (притом, что возраст Земли равен 4,6 миллиарда лет).

Что же защитило Землю? А тот самый кислород, который рождается под действием ультрафиолетовых лучей. Атомы кислорода сами поглощают ультрафиолетовые лучи, как бы конкурируя с молекулами водяного пара за энергичные кванты света. Иными словами, процесс фотодиссоциации автоматически сам себя тормозит. Если представить себе, что в какие-то далекие времена в атмосфере не было кислорода, то он должен был появиться. И, по расчетам ученых, за геологически короткое время, порядка десятков миллионов лет, должно было установиться равновесие между фоторазложением и его торможением: такое, что содержание кислорода в атмосфере составило не тысячные доли, как ранее предполагали некоторые, а не менее десяти процентов от современного его количества.

При этом исследования показали, что такой кислородный слой защищает поверхность Земли от ультрафиолета лишь немного хуже, чем современный. Очевидно, такой экран должен был благоприятствовать биологической эволюции на Земле.