Космическая пыль раскрывает историю земной атмосферы
Геохимики проанализировали микроскопические метеориты, в большом количестве падавшие на Землю в разные геологические эпохи и оставшиеся в горных породах. Из-за взаимодействия материала метеорита с кислородом атмосферы частицы образуют микросферы из оксидов железа и никеля. Их химический и изотопный состав даёт возможность реконструировать состав земной атмосферы во время падения метеорита.
Метеориты самых разных размеров от глыб в несколько сотен метров до микрочастиц размером в микроны падают на Землю постоянно на протяжении всей геологической истории. В ясную ночь, например, можно увидеть следы их падения в виде метеоров и метеорных дождей. Такие частицы, если полностью не сгорят в атмосфере и достигнут поверхности, могут остаться в составе горных пород и быть впоследствии через несколько миллионов или сот миллионов лет извлечены оттуда геологами. Обычно метеориты рассматривают в контексте изучения вещества Солнечной системы на ранних её этапах или современного состава планет, таких, как Марс (если метеорит прилетел с него). Но оказывается, метеориты могут рассказать и о геологическом прошлом Земли, в частности, о её древней атмосфере.
Металлические микрометеориты, попадая из космоса в земную атмосферу, подвергаются плавлению. Кроме этого, из-за нагревания и трения поверхность метеорита вступает в химическое взаимодействие с кислородом атмосферы. Железо и никель (основные материалы железных метеоритов) в контакте с кислородом окисляются. При этом возникают микроскопические сферические структуры из таких оксидов. Поскольку с кислородом эти металлы встречаются только во время пролёта сквозь атмосферу, микрочастица становится резервуаром, содержащим кислород из атмосферы на Земле в момент падения. Далее частица может войти в состав земной породы, как правило, речь идёт об осадочных породах типа известняка или песчаника. Микрочастицы именно от железных метеоритов в отличие от каменных затем сохраняются лучше, так как металлы в них меньше подвержены выветриванию. Таким образом есть неплохие шансы, что частица в породе доживёт до наших дней относительно неизменной и состав её кислородных атомов удастся исследовать.
Геохимики разработали новый метод определения изотопов в атмосфере Земли по составу этих структур из различных геологических периодов. Отношения различных изотопов во включениях, в частности, изотопов кислорода или железа, дают представление о составе ранней атмосферы. Кроме того, по этим данным можно вычислить, сколько в определённый период в древней атмосфере содержалось углекислого газа. В свою очередь сведения о концентрации углекислого газа позволяют сделать вывод о том, как изменялась биомасса на Земле в разные эпохи.
Изотопный «отпечаток», позволяющий судить о происхождении того или иного образца — это отношение содержания трёх устойчивых изотопов кислорода — 16O, 17O и 18O. Первый из них, как можно догадаться, доминирует с огромным отрывом, а остальные встречаются в микроскопических концентрациях. Так, типично изотопа 18O порядка 0,2%, а 17O — 0,04%. Тем не менее исследуя различия этих следовых концентраций в разных породах, воде или воздухе, можно проследить происхождение образца. В свою очередь, содержание различных изотопов кислорода в атмосфере Земли связано с содержанием в ней углекислого газа и концентрацию последнего также можно вычислить исходя из избытка или недостатка 17,18O по сравнению с опорными значениями, например, в современной атмосфере. Механизмы корреляции углекислого газа с изотопным составом кислорода довольно сложны, но связаны прежде всего с фотосинтезом и дыханием — в этих процессах участвуют кислород и CO2 у поверхности, и переработка разных изотопов кислорода происходит немного по-разному (для подробностей можно погуглить про эффект Доула или прочитать оригинальную статью в Nature Communications). Вкратце — чем больше содержание CO2, тем меньше должна быть кислородная аномалия, то есть отклонение содержания тяжёлых изотопов кислорода от «нормы». Поэтому у геохимиков давно имеются инструменты, позволяющие, зная по каким-либо признакам изотопный состав кислорода воздуха, судить о содержании углекислого газа и по нему — о том, насколько была активна земная биомасса. Что касается изотопов железа, в этом случае необходимы два его изотопа 56Fe и 57Fe. Сами по себе они для определения состава воздуха, разумеется, не нужны, но их соотношение позволяет определить, насколько «обветрился» наш метеорит во время полёта в атмосфере, то есть сколько и каких изотопов кислорода он растерял по дороге, уже превратившись в смесь оксидов железа.
Микросферы оказываются перспективным инструментом для реконструкции палеоклимата Земли, в частности, исследования концентрации углекислого газа в прошлом. Микрометеоритов много и они сохранились с самых разных времён. Так, ежедневно на Землю выпадает от десяти до сотен тонн метеоритного вещества (остаётся только его найти). К примеру, в исследовании в основном рассматривали микрометеориты из образцов периодов плиоцена (8 миллионов лет назад) и мела (88 миллионов лет). Собрав их побольше, можно нарисовать графики изменений климата во времени и получить независимую шкалу в дополнение к имеющимся методам палеореконструкции. Но здесь сразу же появляется очевидное возражение. Выводы из изотопного состава оксидных включений можно делать при предположении, что такие метеориты приносят с собой отпечаток древней земной атмосферы и сохраняют его на протяжении всех этих миллионов лет, фоссилизировавшись внутри горной породы. Но после приземления эти микрочастицы, пока не станут частью породы, подвергаются воздействиям воды, почвы и той же атмосферы в такой же степени, как и «земные» породы, поэтому их химический состав не обязан быть неизменным. Как работать с таким возражением и всё же извлекать значимую палеоинформацию из звёздной пыли — геологам ещё предстоит придумать.