Краткая история Земли. 1. От Земли-расплава до Земли-снежка.
Ни разу я не геолог и не биолог. И познавать эти науки в деталях нет ни сил, ни времени, ни желания. Но знать историю Земли, разумеется, не слишком детально, хотелось бы. Читать для этого книги и пространные статьи считаю бессмысленным занятием - многое замыливается кучей деталей и целостный Образ истории Земли не создается. Поэтому решил изнасиловать себя один раз и написать для себя краткий конспект истории Земли на базе серии достаточно свежих обзорных статей и заметок в Википедии. Истории Земли с точки зрения физика. Обозначив главные процессы, а также их причины и последствия. Как ни странно, но этот конспект уложился в два небольших поста. Итак, ...
1. Катархей. Земля возникла примерно 4,6 млрд. лет назад. Первый этап ее истории длительностью ~ 600 млн. лет геологи называют катархеем. В самом начале этого периода недра Земли начали структурироваться, на поверхность выходили расплавленные массы, атмосфера состояла не менее чем на 90-95% из углекислого газа и около 5% молекулярного азота. Кислорода в атмосфере не было (так, кстати, и ныне обстоят дела на Венере и Марсе). К концу первой трети катархея поверхность Земли отвердела и на ней образовались водоемы. Температура атмосферы была еще высокой, но вода в жидком состоянии может существовать и при температурах существенно выше 100°С при достаточно высоком давлении. О чем говорит фазовая диаграмма воды:
Изобилие жидкой воды и атмосферного углекислого газа естественным образом запустило простейший вариант фотосинтеза (вода + углекислый газ + солнечный свет = глюкоза + молекулярный кислород). Кислород в атмосфере не накапливался, а сразу полностью шел на окисление земной тверди. Но углекислый газ из атмосферы изымался, его концентрация падала и росла доля азота. Заметим, что углекислый газ может изыматься из атмосферы не только фотосинтезом, но и так называемым "химическим выветриванием", то есть его расходом на превращение горных пород в карбонаты.
От катархея не осталось в прямом понимании горных пород и их геологических слоев. Находят лишь отдельные зерна минералов. Останки древнейших живых структур в таких минералах ищут по соотношению изотопов С12/С13 (оба изотопа стабильны, равновесная доля С13 = 1,07%). В останках живых структур доля С13 заметно ниже, чем в неорганических структурах. Поскольку при создании органики изотоп С12, как менее массивный, приходит в место химической реакции быстрее, чем С13. Наиболее древние следы вкраплений с биоорганическим соотношением С12/С13 находят в минералах с возрастом ~ 3,8-4,1 млрд. лет. Чаще в зернах циркона. То есть, следы жизни находят даже в позднем катархее. Более ранних следов живых структур пока не находили.
Светимость Солнца в эпоху катархея составляла ~ 70% от нынешней. Поэтому парниковый эффект, создаваемый плотной углекислой атмосферой Земли была весьма кстати для зарождающейся жизни.
2. Архей. Эта эпоха в истории Земли началась 4,0 млрд. лет назад и закончилась 2,5 млрд. лет назад. Почти с самого начала архея в сохранившихся цельных горных породах находят следы развитой прокариотической жизни (следы клеток без ядер). А в слоях возрастом ~ 3,4 млрд. лет - останки анаэробных бактерий. В целом весь архей - период расцвета анаэробной прокариотической жизни. То есть, форм жизни, которым кислород для их развития и существования не нужен.
Фотосинтез и химическое выветривание шли своим чередом, концентрация углекислого газа в атмосфере благодаря этим процессам продолжала убывать, концентрация молекулярного азота - возрастать, а кислород по-прежнему практически полностью уходил на окисление горных пород. К концу архея концентрация кислорода в атмосфере не достигала и 0,001%. Концентрация углекислого газа понизилась до ~ 15-25% и дополнительно накопилась заметная концентрация метана ~ 1%. Метан - гораздо более мощный парниковый газ, чем углекислый. Его эффективность как парникового газа примерно в 30 раз больше, чем у углекислого газа. Что сыграло свою роль в последующей кислородной революции.
3. Протерозой, кислородная революция и скучный миллиард. Эпоха протерозоя началась 2,5 млрд. лет назад и закончилась 542 млн. лет назад. Она весьма драматична. Ибо почти с самого ее начала разразилась так называемая первая кислородная революция.
Дело в том, что к началу протерозоя почти все поверхностные и прилегающие к поверхности горные породы были уже окислены. Вырабатываемому в процессе фотосинтеза кислороду деваться было некуда и пришлось накапливаться в атмосфере. С изначальной концентрации в 0,001% до, как показывает этот график,
почти нынешнего уровня ~ 20%. Весь этот процесс, как видно из графика, занял не более 200-250 млн. лет. На начальном его этапе часть кислорода ушла на окисление упомянутого 1% метана в углекислый газ. Что чрезвычайно резко снизило парниковую защиту Земли. А светимость Солнца в те времена была не выше 80-85% от нынешней. В итоге Землю охватило глобальное гуронское оледенение и произошло массовое вымирание большей части прокариотных организмов. Длилось это оледенение ~ 300 млн. лет и распространилось на всю поверхность Земли.
Часть кислорода в ходе кислородной революции была потрачена на окисление метана, но основная часть пошла на окисление выбрасываемых вулканами на протяжении 300 млн. лет оледенения продуктов. Постепенно концентрация кислорода снизилась до 1-2% и держалась на этом уровне более миллиарда лет. А сток углекислого газа в процесс "химического выветривания" на протяжении гуронского оледенения оказался закрытым льдом. Вдобавок этот газ добавлялся в атмосферу выбросами вулканов. В результате парниковый эффект восстановился и глобальное гуронское оледенение закончилось.
Кислородная революция, приведшая к массовому вымиранию большей части прокариот, вывела на лидирующие позиции приспособленные к кислороду эукариоты (клетки с ядрами). Причем почти сразу стали возникать и многоклеточные эукариотные организмы, не получившие, однако, особо массового распространения. По завершении кислородной революции и гуронского оледенения наступил "скучный миллиард" лет. В ходе которого доля кислорода в атмосфере Земли держалась практически на уровне не более 1-2% и процветали эукариоты.
К концу скучного миллиарда эукариотные организмы, такие, как лишайники, водоросли, грибы и другие, начали распространяться на сушу. Что привело к постепенному росту концентрации кислорода в атмосфере (фотосинтез). Параллельно суперматерик Родиния, расположенный вблизи экватора и вытянутый вдоль него, начал раскалываться на мелкие материки.
На разломах интенсифицировался процесс химического выветривания, особенно сильно в связи с экваториальным положением Родинии. Сток СО2 из атмосферы на образование карбонатов усилился, а поставка в атмосферу того же СО2 вулканами оказалась недостаточной для поддержания должного уровня парникового эффекта. В результате Земля пережила два глобальных оледенения длительностью ~ 60 млн. лет и ~ 15 млн. лет. Этот период принято нахывать эпохой "Земли-снежка".
В максимумах этих оледенений (километровой толщины ледники даже на экваторе) сток СО2 в карбонатирование горных пород практически прекратился, а вулканы работать продолжали. В итоге парниковый эффект снова заработал и оба глобальных оледенения обратились вспять. Эпоха "Земли-снежка" закончилась примерно 635 млн. лет назад.
P.S. от 23.01.2020. Похоже, что в окончание глобального гуронского обледенения достаточно весомый вклад внес и упавший примерно 2,2 млрд. лет назад весьма приличный астероид.
1. Катархей. Земля возникла примерно 4,6 млрд. лет назад. Первый этап ее истории длительностью ~ 600 млн. лет геологи называют катархеем. В самом начале этого периода недра Земли начали структурироваться, на поверхность выходили расплавленные массы, атмосфера состояла не менее чем на 90-95% из углекислого газа и около 5% молекулярного азота. Кислорода в атмосфере не было (так, кстати, и ныне обстоят дела на Венере и Марсе). К концу первой трети катархея поверхность Земли отвердела и на ней образовались водоемы. Температура атмосферы была еще высокой, но вода в жидком состоянии может существовать и при температурах существенно выше 100°С при достаточно высоком давлении. О чем говорит фазовая диаграмма воды:
Изобилие жидкой воды и атмосферного углекислого газа естественным образом запустило простейший вариант фотосинтеза (вода + углекислый газ + солнечный свет = глюкоза + молекулярный кислород). Кислород в атмосфере не накапливался, а сразу полностью шел на окисление земной тверди. Но углекислый газ из атмосферы изымался, его концентрация падала и росла доля азота. Заметим, что углекислый газ может изыматься из атмосферы не только фотосинтезом, но и так называемым "химическим выветриванием", то есть его расходом на превращение горных пород в карбонаты.
От катархея не осталось в прямом понимании горных пород и их геологических слоев. Находят лишь отдельные зерна минералов. Останки древнейших живых структур в таких минералах ищут по соотношению изотопов С12/С13 (оба изотопа стабильны, равновесная доля С13 = 1,07%). В останках живых структур доля С13 заметно ниже, чем в неорганических структурах. Поскольку при создании органики изотоп С12, как менее массивный, приходит в место химической реакции быстрее, чем С13. Наиболее древние следы вкраплений с биоорганическим соотношением С12/С13 находят в минералах с возрастом ~ 3,8-4,1 млрд. лет. Чаще в зернах циркона. То есть, следы жизни находят даже в позднем катархее. Более ранних следов живых структур пока не находили.
Светимость Солнца в эпоху катархея составляла ~ 70% от нынешней. Поэтому парниковый эффект, создаваемый плотной углекислой атмосферой Земли была весьма кстати для зарождающейся жизни.
2. Архей. Эта эпоха в истории Земли началась 4,0 млрд. лет назад и закончилась 2,5 млрд. лет назад. Почти с самого начала архея в сохранившихся цельных горных породах находят следы развитой прокариотической жизни (следы клеток без ядер). А в слоях возрастом ~ 3,4 млрд. лет - останки анаэробных бактерий. В целом весь архей - период расцвета анаэробной прокариотической жизни. То есть, форм жизни, которым кислород для их развития и существования не нужен.
Фотосинтез и химическое выветривание шли своим чередом, концентрация углекислого газа в атмосфере благодаря этим процессам продолжала убывать, концентрация молекулярного азота - возрастать, а кислород по-прежнему практически полностью уходил на окисление горных пород. К концу архея концентрация кислорода в атмосфере не достигала и 0,001%. Концентрация углекислого газа понизилась до ~ 15-25% и дополнительно накопилась заметная концентрация метана ~ 1%. Метан - гораздо более мощный парниковый газ, чем углекислый. Его эффективность как парникового газа примерно в 30 раз больше, чем у углекислого газа. Что сыграло свою роль в последующей кислородной революции.
3. Протерозой, кислородная революция и скучный миллиард. Эпоха протерозоя началась 2,5 млрд. лет назад и закончилась 542 млн. лет назад. Она весьма драматична. Ибо почти с самого ее начала разразилась так называемая первая кислородная революция.
Дело в том, что к началу протерозоя почти все поверхностные и прилегающие к поверхности горные породы были уже окислены. Вырабатываемому в процессе фотосинтеза кислороду деваться было некуда и пришлось накапливаться в атмосфере. С изначальной концентрации в 0,001% до, как показывает этот график,
почти нынешнего уровня ~ 20%. Весь этот процесс, как видно из графика, занял не более 200-250 млн. лет. На начальном его этапе часть кислорода ушла на окисление упомянутого 1% метана в углекислый газ. Что чрезвычайно резко снизило парниковую защиту Земли. А светимость Солнца в те времена была не выше 80-85% от нынешней. В итоге Землю охватило глобальное гуронское оледенение и произошло массовое вымирание большей части прокариотных организмов. Длилось это оледенение ~ 300 млн. лет и распространилось на всю поверхность Земли.
Часть кислорода в ходе кислородной революции была потрачена на окисление метана, но основная часть пошла на окисление выбрасываемых вулканами на протяжении 300 млн. лет оледенения продуктов. Постепенно концентрация кислорода снизилась до 1-2% и держалась на этом уровне более миллиарда лет. А сток углекислого газа в процесс "химического выветривания" на протяжении гуронского оледенения оказался закрытым льдом. Вдобавок этот газ добавлялся в атмосферу выбросами вулканов. В результате парниковый эффект восстановился и глобальное гуронское оледенение закончилось.
Кислородная революция, приведшая к массовому вымиранию большей части прокариот, вывела на лидирующие позиции приспособленные к кислороду эукариоты (клетки с ядрами). Причем почти сразу стали возникать и многоклеточные эукариотные организмы, не получившие, однако, особо массового распространения. По завершении кислородной революции и гуронского оледенения наступил "скучный миллиард" лет. В ходе которого доля кислорода в атмосфере Земли держалась практически на уровне не более 1-2% и процветали эукариоты.
К концу скучного миллиарда эукариотные организмы, такие, как лишайники, водоросли, грибы и другие, начали распространяться на сушу. Что привело к постепенному росту концентрации кислорода в атмосфере (фотосинтез). Параллельно суперматерик Родиния, расположенный вблизи экватора и вытянутый вдоль него, начал раскалываться на мелкие материки.
На разломах интенсифицировался процесс химического выветривания, особенно сильно в связи с экваториальным положением Родинии. Сток СО2 из атмосферы на образование карбонатов усилился, а поставка в атмосферу того же СО2 вулканами оказалась недостаточной для поддержания должного уровня парникового эффекта. В результате Земля пережила два глобальных оледенения длительностью ~ 60 млн. лет и ~ 15 млн. лет. Этот период принято нахывать эпохой "Земли-снежка".
В максимумах этих оледенений (километровой толщины ледники даже на экваторе) сток СО2 в карбонатирование горных пород практически прекратился, а вулканы работать продолжали. В итоге парниковый эффект снова заработал и оба глобальных оледенения обратились вспять. Эпоха "Земли-снежка" закончилась примерно 635 млн. лет назад.
P.S. от 23.01.2020. Похоже, что в окончание глобального гуронского обледенения достаточно весомый вклад внес и упавший примерно 2,2 млрд. лет назад весьма приличный астероид.