Когда мы задохнёмся? Названа дата исчезновения кислорода из атмосферы

Вот мы всё жалуемся на выбросы углекислого газа, а на самом деле жаловаться надо на вырубку лесов. Нам нужны растения, а растениям требуется диоксид углерода. Не будет фотосинтеза — не будет кислорода. И, по мнению учёных, это неизбежный финал, что бы мы ни делали. В Университете Тохо (Япония) составили модель будущего Земли, "проиграли" этот сценарий в общей сложности 400 тысяч раз, и исход предстоящих событий оказался в каждом случае примерно одним и тем же: в конце концов атмосфера планеты станет такой, как была 2,5 миллиарда лет назад.

— Атмосфера после сильной деоксигенации характеризуется повышенным содержанием метана, низким уровнем CO2 и отсутствием озонового слоя. Земля, вероятно, будет миром анаэробных форм жизни, — объясняет один из авторов исследования Казуми Одзаки.

Воздух юной Земли состоял в основном из углекислого газа, сероводорода, аммиака и метана

И вдруг примерно два миллиарда 450 миллионов лет назад (или, по данным исследования 2014 года, несколько позже) что-то произошло. Примечательно: вырабатывающие кислород существа тогда давно уже были, такие сине-зелёные водоросли появились ещё за 300–400 миллионов лет до этого. Но они оставались в меньшинстве. Выделяемый ими кислород составлял примерно одну тысячную от его теперешнего количества в атмосфере, он целиком уходил на окисление окружающей среды, и в свободном виде его не оставалось совсем. А подавляющим большинством были разнообразные анаэробные создания, то есть такие, которые не дышат кислородом и вообще в принципе его не выносят, он для них смертелен. Именно поэтому внезапное радикальное изменение в атмосфере назвали Великой кислородной катастрофой.

Что именно случилось? Геологи подозревают, что одним фотосинтезом дело не обошлось, повлияли вулканические процессы. В те времена как раз формировались протоконтиненты и на суше начались активные извержения. Они исправно снабжали углекислым газом цианобактерии (то есть вышеупомянутые микроводоросли), которые на радости такой принялись плодиться и все вместе выделять кислород. А кроме того, в отличие от лавы из подводных вулканов, континентальная не вступает в реакцию с кислородом. Так он и накапливался.

Логичным следствием этого переворота стало снижение количества углекислого газа, а ещё метана — кислород с ним взаимодействовал, а поскольку метан — это атом углерода плюс четыре атома водорода, то из такой реакции получаются вода и углекислота (СО2 в жидком виде). А так как и метан, и двуокись углерода — газы парниковые, то выходит, что с планеты сняли теплицу и её обдало лютым холодом.

На юге Канады, недалеко от озера Гурон, нашли отложения возрастом чуть более двух миллиардов лет, и в них оказался гематит. Он образуется только там, где кислорода много. При этом более ранние породы богаты, например, уранитом, а это признак бескислородной среды. Поэтому резкое похолодание после насыщения воздуха кислородом записали как Гуронское оледенение. Оно продлилось примерно 300 миллионов лет. На экваторе тогда стало примерно как сейчас в Антарктиде. Есть версия, что вся Земля тогда была огромным снежком вроде Европы или Энцелада (это покрытые льдом спутники Юпитера и Сатурна соответственно).

Уровень кислорода вскоре после революционного всплеска несколько упал, притом учёные пока не могут найти этому достаточно убедительное объяснение. В любом случае планета-снежок оттаяла, но в целом следующий миллиард лет геологи прозвали скучным: никаких переворотов и вообще интересных событий, жизнь в режиме спячки.

А 800 миллионов лет назад произошёл второй резкий подъём уровня кислорода. Тогда материки были, предположительно, слиты в единый, но нестабильный суперконтинент Родиния, и примерно в это самое время он начал раскалываться. И вышло так, что в основном земная кора растрескивалась возле экватора, то есть в сравнительно тёплых регионах. Благодаря этому гораздо быстрее шёл процесс под названием "выветривание горных пород": извергающиеся минералы взаимодействовали с воздухом и в том числе с углекислым газом. Получались карбонаты. Двуокись углерода, можно сказать, уходила в землю, и даже вулканы не могли восполнить скудеющие запасы. Итог — ещё один ледниковый период, он именуется криогением. А когда эта большая зима прошла, начался "кембрийский взрыв" — новая многообразная кислородная жизнь.

Когда по Земле ходили первые гигантские ящеры (243–233 миллиона лет назад), уровень кислорода составлял 15%, со временем он вырос до 19%. Но всё равно, по нашим меркам, это мало: сейчас в воздухе около 21%. При этом углекислого газа в атмосфере динозавров было раз в пять больше, чем сейчас при всех наших выхлопных газах. То есть люди бы там задохнулись. Это стоит взять на заметку кинематографистам: в сюжетах про путешествия во времени этого нюанса не учитывают.

Сейчас мы дышим следующей смесью: 78% азота, 20,9% кислорода, 0,9% аргона, 0,038% углекислого газа плюс немного водорода, гелия и других газов. С XIX века диоксида углерода стало заметно прибавляться, и к началу века XXI беспокойство об этом стало темой для разговора на международном уровне. Вот как изменился уровень CO2 за последние полвека, по данным наблюдений в обсерватории Мауна-Лоа на Гавайях.

А между тем при рассмотрении ситуации в масштабах геологических эпох выходит, что катастрофа наступит тогда, когда весь углекислый газ выветрится и переработается. Карбонатно-силикатный цикл идёт себе потихоньку, и в итоге Земля вберёт в себя если не всё, то катастрофически много. Растениям будет нечем дышать и не из чего делать кислород. По расчётам японских учёных, до этого примерно миллиард лет. К тому моменту уровень кислорода будет примерно в сто раз меньше, чем сейчас. При этом Солнце будет светить заметно ярче, чем сейчас: оно продолжит разгораться, пока полностью не израсходует всё своё водородное топливо и не начнёт разрастаться в красный гигант. Так что пекло обеспечено. Ориентировочная дата конца света — 1 000 002 021 год. И в целом получается, что кислородная эра для планеты Земля — в лучшем случае лишь треть её жизни.