Как изменялся объем гидросферы на протяжении истории Земли

В расплавленном базальте (в астеносфере) при температуте 1000 °С и давлении 5—10 тыс. атмосфер растворено до 7~8 % Н20: именно столько воды, как установлено вулканологами, дегазируется при излиянии лав. Большая часть этой воды (имеющей, таким образом, мантийное происхождение) пополняла собою гидросферу, но часть ее поглощалась обратно породами океанической коры. Этот процесс называется серпентинизацией. Расчеты геофизиков показывают, что в катархее и архее воды в океанских впадинах было мало, она еще не прикрывала срединно- океанические хребты\ в океаническую кору вода поступала не из океанов, а снизу - непосредственно из мантии. В начале протерозоя уровень океанов достиг вершин срединно-океанических хребтов, но на протяжении всего раннего протерозоя практически весь объем поступавшей в океаны воды поглощался породами океанической коры. К началу среднего протерозоя процессы серпентинизации закончились, и океаническая кора обрела современный состав. С этого времени объем океанов вновь начал нарастать, и процесс этот будет продолжаться, постепенно замедляясь, и дальше — пока на Земле не прекратятся вулканические процессы.

Если спросить человека: «Отчего море соленое?» - он почти наверняка ответит: «Оттого же, отчего солоны бессточные озера (вроде озера Эльтон, снабжающего нас пищевой поваренной солью): впадающие в море реки несут некоторое количество солей, потом вода испаряется, а соль остается». Ответ этот неверен: соленость океана имеет совершенно иную природу, чем соленость внутриконтинен- тальных конечных водоемов стока.

Дело в том, что вода первичного океана имела различные примеси. Одним источником этих примесей были водорастворимые атмосферные газы, другим — горные породы, из которых в результате эрозии (как на суше, так и на морском дне) вымываются различные вещества.

«Кислые дымы», растворяясь в воде, давали галогеновые кислоты, которые тут же реагировали с силикатами — основным компонентом горных пород, и извлекали из них эквивалентное количество металлов (прежде всего щелочных и щелочноземельных - Na, Mg, Са, Sr, К, Li). При этом, во-первых, вода из кислой становилась практически нейтральной, а во-вторых, соли извлеченных из силикатов элементов переходили в раствор;

таким образом, вода океана с самого начала была соленой. Концентрация катионов в морской воде совпадает с распространенностью этих металлов в породах земной коры, а вот содержание основных анионов (С1", В г, S04_, НС03_ ) в морской воде намного выше того их количества, которое может быть извлечено из горных пород. Поэтому геохимики полагают, что все анионы морской воды возникли из продуктов дегазации мантии, а все катионы — из разрушенных горных пород.

Главным фактором, определяющим кислотность морской воды, служит содержание в ней углекислоты (С02 — водорастворимый газ, и в океанах его сейчас растворено 140 трлн т против 2,6 трлн т, содержащихся в атмосфере). В океанах существует динамическое равновесие между нерастворимым карбонатом кальция СаС03 и растворимым бикарбонатом Са(НС03)2: при недостатке С02 «лишний» бикарбонат превращается в карбонат и выпадает в осадок, а при избытке С02 карбонат превращается в бикарбонат и переходит в раствор. Карбонатно-бикарбопатный буфер возник в океане на самом начальном этапе его существования, и с тех пор он поддерживает кислотность океанской воды на стабильном уровне.

Что касается атмосферы, то ее состав стал меняться в протерозое, когда фотосинтезирующие организмы начали вырабатывать (в качестве побочного продукта своей жизнедеятельности) свободный кислород; сейчас считается твердо установленным, что весь свободный кислород планеты имеет биогенное происхождение. Кислород, в отличие от углекислоты, плохо растворим в воде (соотношение между атмосферным и растворенным в воде С02 составляет, как мы видели, 1 : 60, а для 02 оно составляет 130 : 1), и потому почти весь прирост кислорода идет в атмосферу. Там он окисляет СО и СН4 до С02, H2S - до S и S02, a NH3 - до N2; самородная сера, естественно, выпадает на поверхность, углекислота и сернистый ангидрид растворяются в океане, и в итоге в атмосфере остаются только химически инертный азот (78 %) и кислород (21 %).

Атмосфера из восстановительной становится современной, окислительной; впрочем, подробнее историю кислорода на Земле мы обсудим позднее, там, где речь пойдет о ранней эволюции живых существ (глава 5).

Помимо кислорода и азота, в атмосфере содержится небольшое количество так называемых парниковых газов - углекислый газ, водяной пар и метан. Составляя ничтожную долю атмосферы (меньше процента), они тем не менее оказывают важное влияние на глобальный климат. Все дело в особых свойствах этих газов: будучи сравнительно прозрачными для коротковолнового излучения, поступающего от Солнца, они в то же время непрозрачны для длинноволнового — излучаемого Землею в космос. По этой причине вариации в количестве атмосферного С02 могут вызывать существенные изменения теплового баланса планеты: с ростом концентрации этого газа атмосфера по своим свойствам все более приближается к стеклянной крыше парника, которая обеспечивает нагрев оранжерейного воздуха путем «улавливания» лучистой энергии — «парниковый эффект»