6. Автоматический механизм, ограничивающий содержание в атмосфере кислорода, образующегося в результате неорганической фотодиссоциации воды, на уровне 0,001 его современного содержания

Теперь мы можем решить самый существенный вопрос истории атмосферы. Вот он: не мог ли весь свободный кислород нашей атмосферы возникнуть в результате неорганического процесса - фотодиссоциации паров воды при облучении их ультрафиолетом Солнца? Раньше происхождение свободного кислорода именно так и объясняли, и теория допускала такое объяснение. На Земле с тех пор, как она охладилась, всегда, по-видимому, была много воды, а ведь, как известно, водяные пары под действием жесткого ультрафиолета диссоциируют.

Но количество образующегося таким образом кислорода, как показал Г. Юри, строго ограничено. Регулирующий механизм связан с различиями в вертикальном распределении водяных паров и кислорода. Как мы видели, водяные пары задерживаются в "холодной ловушке", а кислород распределен по экспоненциальному закону. Значит, кислород заходит в атмосфере гораздо выше, чем вода. Кроме того, ультрафиолет тех длин волн, которые способны разлагать воду, поглощается кислородом. Значит, кислород должен эффективно защищать водяные пары от дальнейшего воздействия ультрафиолетового излучения, от дальнейшей диссоциации.

Расчеты показывают, что содержание кислорода, продуцируемого при неорганической фотодиссоциации воды, не может подняться выше 0,001 его современного содержания в атмосфере [2].

Фотодиссоциация воды происходит за счет энергии, которую передают молекуле воды кванты света, поглощаемые ею. Значит, этот процесс должен вызываться светом тех длин волн, которые сильно поглощаются водяными парами. Фиг. 86 показывает, что наиболее высокие коэффициенты поглощения наблюдаются для длин волн от 150 до 200 нм. На том же графике мы можем видеть, что и СО₂ и О₂ тоже сильно поглощают в этой области. На фиг. 92 показано, что солнечные лучи должны преимущественно поглощаться именно кислородом и двуокисью углерода. Если в атмосфере присутствует достаточное количество этих газов, то они распределяются по вертикали экспоненциально, экранируя жесткое излучение выше "холодной ловушки", в которой остается вода.

Фиг. 92. Интегрированные длины путей в водяном паре (при современном его содержании в атмосфере) и в кислороде (при 0,001 его современного содержания) [1]. (При таком содержании кислорода водяные пары защищены от диссоциирующего действия ультрафиолета при длине пути 35 см (в нормальных условиях). Этот защитный эффект достигается уже на высоте 12 км от поверхности Земли, т. е. выше зоны 'холодной ловушки', в которой задерживается почти вся парообразная вода. Не забудьте, что длины пути отложены по логарифмической шкале, поэтому длина пути при перемещении по графику влево резко уменьшается. Влияние двуокиси углерода близко к действию кислорода, но, как показано на фиг. 93, оно менее значительно, так как содержание этого газа в атмосфере меньше

На фиг. 93 представлены суммарные графики поглощения света с длиной волны от 150 до 180 нм для двух моделей ранней атмосферы с различным содержанием кислорода. Содержание водяных паров принято в обоих случаях одинаковым, так как вода на Земле была одинаково широко распространена в течение всей геологической истории. В одной модели содержание СО₂ также принято равным современному, а в другой - в десять раз выше. Поглощение мало зависит от содержания СО₂, так как этого газа в атмосфере немного. Основная роль здесь принадлежит О₂. Можно, не боясь ошибиться, сказать, что автоматический регулирующий механизм действует при содержании кислорода в атмосфере, составляющем 0,001 современного.

Фиг. 93. Автоматический механизм регуляции неорганического производства-кислорода в первичной атмосфере [2]. Рассмотрены два варианта первичной атмосферы, в обоих содержание воды принято равным современному. Содержание СО₂ в одном варианте также равно современному (сплошные кривые), а в другом - в 10 раз выше (прерывистые кривые). Кривые описывают поглощение до величины 1 эрг/(см²⋅с) при ширине полосы 5 нм всего солнечного ультрафиолета с длинами волн от 150 до 180 нм. При содержании О₂ в атмосфере ниже 0,001 современного поглощение излучения водой превышает поглощение кислородом. Но при более высоком содержании кислорода его роль сильно возрастает. Тогда водяной пар защищен от солнечного ультрафиолета и диссоциация воды прекращается. Порог срабатывания саморегулирующего механизма, ограничивающего производство О₂ неорганическим путем, лежит там, где пересекаются кривые поглощения Н₂О и О₂

Беркнер и Маршалл [2] совершенно правильно подчеркнули, что этот очень важный механизм не позволяет никакому неорганическому процессу поднять содержание кислорода выше 0,001 современного. Следовательно, содержание кислорода могло повыситься только тремя способами: 1) за счет некоего неизвестного внеземного воздействия, 2) за счет вмешательства сверхъестественных сил и 3) в результате биогенного образования свободного кислорода. Из следующих разделов мы узнаем, как современная земная атмосфера могла развиться благодаря биогенной продукции кислорода.

Здесь следует обратить внимание еще на одну деталь. Описанный автоматический механизм в любой атмосфере зависит только от присутствия водяных паров. Уровень содержания кислорода, при котором этот механизм действует, может слегка изменяться в зависимости от колебаний содержания СО₂, однако это изменение незначительно. Следовательно, данный механизм должен был действовать не только в примитивной земной атмосфере, но и в любой другой примитивной атмосфере. Он является общим для всех примитивных планетных атмосфер.

Самое важное в предложенной Юри модели автоматического механизма ограничения уровня кислорода в атмосфере состоит в том, что кислород любого происхождения всегда будет подниматься выше, чем вода, остающаяся в "холодной ловушке". Следовательно, за счет высвобождения кислорода при органическом фотосинтезе содержание кислорода в атмосфере также вначале не сможет повыситься. Фотосинтез и фотодиссоциация - неаддитивные процессы. Появление в атмосфере кислорода, высвободившегося при фотосинтезе, должно привести к уменьшению скорости неорганической фотодиссоциации воды.

Только когда фотосинтез стал настолько распространенным, что только за его счет, без помощи других процессов содержание кислорода в атмосфере смогло подняться выше 0,001 его современного уровня, "барьер Юри" был преодолен.