Три миллиарда лет до нашей эры

Учёным из Вашингтонского университета страшно любопытно, каким было атмосферное давление в архейскую эру. Любопытство не праздное - ответ на этот вопрос поможет многое прояснить в истории зарождения жизни на Земле.

"Относительная влажность - 60%, давление - 750 мм ртутного столба," - слова эти вполне обыденные и мы часто слышим их по радио или телевидению. С другой стороны, на Марсе, например, нормальный показатель атмосферного давления составляет всего 6 мм ртутного столба. Да и на Земле в разные геологические периоды оно достаточно сильно изменялось. Но давайте сначала посмотрим, откуда же взялись эти "миллиметры ртутного столба" и почему они так важны.

Ртутный столб

Казалось бы, что можно сказать об атмосферном давлении, кроме унылой констатации того факта, что безобразным образом давит на нас каждый день атмосферный столб? А всего-то четыре сотни лет назад люди и знать не знали, что таскают на плечах эдакую тяжесть. Сие счастливое неведение было отнято у просвещенной общественности в 1643 году, когда итальянец Еванжелиста Торричелли, ученик Галилея, показал, что воздух имеет вес, поставив эксперимент с метровой стеклянной трубкой, запаянной с одного конца. Полученную гипертрофированную пробирку наполнили ртутью. Открытый конец учёный закрыл пальцем, а затем опустил в сосуд с ртутью же, где палец был убран и ртути предоставили возможность опускаться. Столб остановился на высоте 760 мм. С тех пор Торричелли считается изобретателем барометра, а трубка и миллиметр ртутного столба получили имя автора эксперимента (трубка Торричелли и торр соответственно).

Сегодня, как и в тот погожий итальянский день, 760 мм ртутного столба и считается нормальным атмосферным давлением. Но, как мы уже говорили, так было не всегда. Например, считается, что жизнь зародилась на молодой Земле при давлении в 10 атмосфер. Что же делают ученые, для того, чтобы проверить это предположение - ведь машиной времени мы пока что не располагаем?

Выбоины и пузырьки

Ответ есть у Роджера Бьюика из Вашингтонского университета (США). Он вместе со своими коллегами занимается изучением вулканического камня архейского эона (в геологической терминологии эон - наиболее крупный квант времени, объединяющий несколько и без того немаленьких - эр). Прежде всего, учёные изучают древнюю лаву. Она остывает очень быстро и потому, зачастую, в её "объятия" попадает воздух, образующий в базальте полости.

Полости в австралийском базальте, сформировавшемся 2,74 миллиарда лет назад, указаны стрелкой (Фото - Роджер Бьюик)

Величина "пузырька" в камне зависит от двух факторов: атмосферного давления и того, какая масса лавы давит на пузырь. В зависимости от этого получаются полости от 5 мм в диаметре (на поверхности) до 1 мм (в нижней части потока). Сравнивая размеры "пузырьков", вполне можно получить достаточно точную информацию об атмосферном давлении в те времена, когда эта лава остывала.

Другой метод еще более экзотичен. В его основе лежит удивительная находка - отпечатки дождевых капель архейских времен, застывших в камне (2,7 миллиарда лет назад он был грязью, на которой оставил свой след дождь) - сделанная Бьюиком в составе команды исследователей в прошлом году в ЮАР. Интересно, что учёный пока не желает делиться с обществом точным местоположением этих камней и на вопрос "где?" предпочитает отшучиваться, говоря, что "это место охраняется бабуинами, шакалами и другими злобными зверями". Смысл же методики заключается в том, что, зная максимальный размер капель, возможный при том или ином атмосферном давлении (чем оно выше, тем мельче капли), вполне можно вычислить, на какой отметке остановился бы ртутный столб во время того ливня, случись барометру присутствовать при сем знаменательном событии. Для справки - в настоящий момент их максимальный размер около 6,5 мм. Кстати, тот факт, что своей наибольшей величины капли достигают в засушливой местности, тоже может пригодиться для пополнения копилки знаний о прошлом.

Почему Архей?

Архейский эон интересен учёным еще и потому, что в те удаленные от сегодняшнего дня на два с половиной и более миллиарда лет времена (Архей начался 3,8 и закончился 2,5 млрд. лет назад) молодое Солнце светило на 25-30% слабее, чем сейчас. Не совсем понятно, каким образом Земля оставалась тёплой. В первую очередь на ум приходит версия парникового эффекта. Но исследование палеопочв, относящихся к этому периоду позволяет говорить о том, что содержание основного "парникового" газа - двуокиси углерода - в атмосфере было достаточно ограниченным, а значит и такой сценарий был маловероятен.

Возможно, конечно, это была не двуокись углерода, а метан, парниковый эффект от одной молекулы которого сравним с эффектом от 25 молекул CO₂. Но хоть сколько-нибудь точно сказать, каково было процентное соотношение газов в атмосфере, пока что невозможно.

Если результаты исследования, которое проводит Бьюик, покажут, что давление в архейском эоне было высоким, то это послужит дополнительным подтверждением существования парникового эффекта в те времена. Ну и, к тому же, эти данные позволят уточнить состав атмосферы молодой Земли, что, в свою очередь, даст возможность делать более обоснованные предположения о самых ранних формах жизни, относившихся к этому периоду.

В настоящее время наиболее распространено мнение, что атмосфера планеты тогда не была богата кислородом, а первые жизненные формы были представлены анаэробными бактериями. Если обнаружатся свидетельства высокого уровня метана, это может подтвердить существование "метаногенов", архейских бактерий, производящих метан. Если же Бьюик выяснит, что высокое атмоферное давление было обусловлено повышенным уровнем содержания кислорода в воздухе, то в этом вполне могут быть обвинены ранние фотосинтезирующие сине-зелёные водоросли.

Но этому методу можно найти применение не только на Земле. Точно также можно будет узнать и о том, какими была в прошлом атмосфера других планет. Например, аппараты "Викинг" в 70-х годах прошлого столетия обнаружили уже упоминавшиеся пузырьки воздуха в базальте красной планеты. А там уж и ответ на несколько изменившийся за последнюю сотню лет вопрос "Была ли жизнь на Марсе?", вполне возможно, удастся получить существенно быстрее.