Коли з’явився кисень на Землі?

Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.

У атмосфері Землі багато вільного кисню. Але чи завжди було так? Вивчаючи еволюцію земної атмосфери, за традицією, що склалася, дослідники довгий час вважали, що кисень у помітних кількостях з’явився тільки протягом останніх 570 мільйонів років, тобто в епоху, коли на Землі вже були різноманітні форми життя. Зелені рослини (і особливо водорості) – ось основне джерело вільного кисню в нашій атмосфері, так вважали донедавна.

Дослідники дійшли висновку, що кисень був в атмосфері Землі й у добіологічну епоху і рівень його у ті далекі часи міг коливатися від одного до п’яти відсотків. Виходив такий кисень у процесі фотодисоціації води. В останні роки вимірювання за допомогою ракет та супутників дозволили отримати точні дані про верхні шари атмосфери, у тому числі і про швидкість розкладання молекул водяної пари під дією ультрафіолетового випромінювання Сонця.

Молекула води складається з двох атомів водню та одного – кисню. Звільнившись від хімічного зв’язку, легкі атоми водню поступово проникають у вищі верстви, десь на висоті 200—400 кілометрів вони вже не утримуються силами земного тяжіння і «втікають» у міжпланетний простір. За оцінками фахівців, витік водню нині становить 10 відсотків від кількості, яка надходить в результаті фоторозкладання молекул води.

Максимальна інтенсивність фотодисоціації водяної пари посідає шари атмосфери, розташовані на висоті 70-80 кілометрів. Розрахунок показує, що енергії сонячних променів достатньо для того, щоб фоторозклад йшов у тисячі разів вищими темпами, ніж у наші дні. При цьому в принципі планета могла б втратити всю водну оболонку досить швидко, протягом близько одного мільярда років (при тому, що вік Землі дорівнює 4,6 мільярда років).

Що ж захистило Землю? А той самий кисень, що народжується під дією ультрафіолетових променів. Атоми кисню самі поглинають ультрафіолетові промені, хіба що конкуруючи з молекулами водяної пари за енергійні кванти світла. Іншими словами, процес фотодисоціації автоматично сам себе гальмує. Якщо уявити, що у якісь далекі часи у атмосфері був кисень, він мав з’явитися. І, за розрахунками вчених, за геологічно короткий час, близько десятків мільйонів років, мала встановитися рівновага між фоторозкладом і його гальмуванням: така, що вміст кисню в атмосфері становив не тисячні частки, як раніше припускали деякі, а не менше десяти відсотків від сучасної його кількості.

При цьому дослідження показали, що такий кисневий шар захищав поверхню Землі від ультрафіолету лише трохи гірше за сучасний. Вочевидь, такий екран мав сприяти біологічній еволюції Землі.