Уже 2,7 миллиарда лет назад в верхних слоях земной атмосферы кислорода было не меньше, чем сегодня, и объяснить этот факт с научной точки зрения чрезвычайно непросто.
Учёные из Австралии и Великобритании установили, что вопреки общепринятому мнению свободный кислород в атмосфере Земли был ещё до Великой кислородной катастрофы, случившейся 2,4 миллиарда лет назад. Более того, в верхних слоях атмосферы его было не меньше, чем сегодня. В то же время в приземных слоях кислород действительно отсутствовал. Всё это означает, что структура Земной газовой оболочки в ту пору была совершенно необычной. По сути на одной планете существовали две не перемешивающиеся атмосферы (одна над другой) с разным химическим составом. Соответствующая статья опубликована в Nature.
Существует множество надежных признаков того, что до 2,4 миллиардов лет назад в воздухе Земли не было кислорода. В геологических отложениях того времени находят неокисленные соединения железа, зато не находят окисленных, как и вообще каких-либо следов процессов, характерных для кислородной атмосферы. Всё это давно привело научное сообщество к консенсусу: до кислородной катастрофы (2,4 миллиарда лет назад) этого газа в атмосфере Земли было в сотни или даже тысячи раз меньше, чем сегодня.
Авторы новой работы нашли ещё один способ проверить содержание кислорода на древней Земле. Для этого они взяли известняки из региона Пилбара в Австралии, где сохранились древнейшие осадочных породы планеты. В таких известняках часто сохраняются микрометеориты или сферулы. Это застывшие капли расплавившейся метеоритной или астероидной массы, своего рода метеоритные брызги. Исследователи изучили химический состав таких сферул и показали, что он демонстрирует чёткие следы сильного окисления при нагреве. Железо в них превратилось в вюстит, что служит надёжным признаком его расплавления в кислородной атмосфере. По расчётам, концентрация данного газа там такая же, как если бы эти сферулы образовались в атмосфере с современным содержанием кислорода.
На первый взгляд речь идёт о парадоксе. Невозможно наличие двух надёжных комплексов свидетельств, согласно одному из которых кислорода в воздухе не было, в то время как согласно другому он был. Однако учёные предложили вариант, способный объяснить эту загадку. По их мнению, газовая оболочка планеты в ту пору была чем-то вроде матрёшки. Микрометеориты окислялись при падении через верхние слои атмосферы (выше 75 километров). В то же время, данные по отсутствию следов кислорода в геологических отложениях основываются на породах, находившихся на уровне моря. Если предположить, что этот газ присутствовал лишь в верхних слоях, но отсутствовал в нижних, всё кажется довольно легко объяснимым.
Правда, такая теория порождает другую загадку. Сейчас газовая оболочка Земли имеет близкий химический состав и в верхних, и в нижних слоях. Почему 2,7 миллиарда лет эти слои практически не перемешивались — большой вопрос. Существующие модели циркуляции атмосферы такого не предполагают (их разработчикам подобный вариант просто не приходил в голову), а значит, нужно разработать какие-то иные модели такого рода.
Открытие имеет большое значение для понимания истории планеты и эволюции жизни на ней. Если в стратосфере была та же концентрация кислорода, что и сегодня, там был озон. Озоновый слой поглощает ультрафиолет. Соответственно, он меньше угрожал жизни на поверхности и меньше разрушал метан, производимый бактериями. В этом случае метан мог накапливаться в необычайно высоких концентрациях и давал мощный парниковый эффект. Это может объяснить недавние парадоксальные выводы другого исследования, согласно которому атмосфера Земли те же 2,7 миллиарда лет назад на уровне моря была в два с лишним раза разрежённее современной (как на высоте 5—6 километров сегодня). Такое открытие остро ставит вопрос о том, почему планета в ту эпоху не покрылась сплошным слоем льда. Однако если метан в тропосфере мог накапливаться интенсивнее обычного, создаваемый им парниковый эффект мог компенсировать "тонкую" атмосферу.
Обнаружение кислорода в газовой оболочке древней Земли ставит под вопрос попытки поиска следов жизни на экзопланетах. Раньше считалось, что кислород может быть её надёжным индикатором. Но если другие планеты также могут иметь атмосферу-матрёшку с неперемешивающимися слоями, то данные новых космических телескопов могут создать у астрономов неверное представление о ситуации на их поверхности.
