Австралийские палеоархеологи изучили химический состав 60 древнейших ископаемых микрометеоритов, возраст которых составляет около 2,7 млрд лет (архейский период), и обнаружили, что они могли быть обогащены кислородом в верхних слоях атмосферы в архейскую эру от 3,9 до 2,5 млрд лет назад. Исследование было опубликовано в последнем номере журнала Nature.
Микрометеориты являются уцелевшими кусочками метеоритов, однако их размер существенно отличается от тех метеоритов, что мы привыкли видеть в музеях или по телевизору, — диаметр этих крошечных гостей из космоса составляет от 8,6 до 50 микрометров (один микрометр равен одной миллионной доле метра).
Отобранные для исследования микрометеориты представляют собой сферулы — округлые образцы, расплавившиеся при прохождении атмосферы Земли. Предполагается, что процесс плавления пескообразных частиц происходит на высоте от 75 до 90 км при условии, что плотность атмосферы точно такая же, как в наши дни.
На образцах отчетливо видны следы окислительных процессов. Сферулы, датированные археем, похожи на сферулы, образовавшиеся в результате падения метеорита Чиксулуб, вероятно, погубившего динозавров. До 90% современных микрометеоритов диаметром 100 микрометров полностью расплавляется, поэтому ученые предположили, что ископаемые микрометеориты, добытые в осадочных породах, несут в себе информацию о химическом составе верхних слоев атмосферы Земли.
Ранее ученые полагали, что в течение всего архея концентрация кислорода в атмосфере была крайне низкой, а возросла уже около 2,5 млрд лет назад. В ранней атмосфере Земли содержалось не более 0,001% от современного объема атмосферного кислорода, и почти весь он был предположительно сосредоточен в нижних слоях атмосферы. Доказательством низкой концентрации кислорода в приземных слоях атмосферы являются находки обломочного пирита и уранинита в древних отложениях, образовавшиеся в результате процессов выветривания горных пород суши.
Однако количество газа, содержащегося в верхних слоях атмосферы — в мезосфере, до недавнего времени проверить было невозможно.
Эндрю Томкинс и его коллеги из университета Монаша в Мельбурне, Университетского колледжа в Лондоне и специалисты, работающие на Австралийском синхротроне, извлекли и исследовали около 60 образцов окаменелых микрометеоритов из известняковых осадочных пород в австралийском регионе Пилбара. Перед ними стояла задача понять, как именно произошло окисление микрометеоритов. Исследователи выдвинули гипотезу, что концентрация кислорода в верхних слоях атмосферы в архейскую эру была схожей с современными условиями.
Среди отобранных для анализа образцов бóльшая часть окисленных микрометеоритов представляет собой магнитные железняки (Fe3O4), а их морфология указывает на быстрое охлаждение. Другие образцы являются вюститами (монооксид железа FeO). Для того чтобы получить эти образцы, палеоархеологи достали породу с глубины 30–50 м с территории, практически не подвергавшейся деформации с длительным осадконакоплением. К тому же известняк легко растворяется кислотой, и это позволило извлечь из него относительно крупные образцы микрометеоритов.
Доктор Томкинс прокомментировал: «С помощью передовых микроскопов мы обнаружили, что бóльшая часть микрометеоритов содержали частички железа и в верхних слоях атмосферы они окислились.
Это указывает на то, что содержание кислорода в мезосфере было выше, чем ожидалось. Возможно, в рассматриваемый промежуток времени у Земли была слоистая атмосфера с минимальным вертикальным перемешиванием.
Средний слой представлен метановой дымкой, которая поглощает УФ-излучение и выделяет тепло, что, в свою очередь, препятствует перемешиванию воздушных масс».
До текущего исследования химический состав верхних слоев ранней атмосферы Земли был неизвестен. В дальнейшем будущем полученные результаты могут помочь ученым в поиске живых организмов в космосе и продвинуться в понимании истории происхождения планеты, ее атмосферы, оксигенации и возникновения углеродных форм жизни.
Ранее ученые из Университетского колледжа Лондона уже изучали эволюцию оксигенации Земли и предположили, что в период 770–20 млн лет назад общее содержание кислорода резко выросло с 1 до 10%. В эту эпоху значительно увеличилась популяция планктона, который после гибели становится донными отложениями с высоким содержанием углерода, а последующее изменение в содержании углерода оказало колоссальное влияние на климатические условия Земли. Это поспособствовало резкому развитию сложных форм жизни и появлению многоклеточных организмов.