Палеоатмосфера представляет собой состав и физико-химические характеристики атмосферы Земли в различные геологические эпохи. Изучение её состава и динамики основано на анализе геохимических, изотопных и минералогических данных, позволяющих восстановить условия, существовавшие миллиарды лет назад. Эволюция атмосферы тесно связана с процессами дегазации мантии, геохимическими циклами литосферы, гидросферы и биосферы, а также с изменениями солнечной радиации и активности Земли.
Самая ранняя атмосфера Земли сформировалась в процессе аккреции планетезималей и была сходна по составу с газовыми оболочками гигантских планет. Она включала водород, гелий, метан, аммиак и водяной пар. Эта первичная атмосфера была нестабильной: слабое гравитационное поле молодой планеты не удерживало лёгкие газы, и под действием солнечного ветра они были утрачены в течение первых десятков миллионов лет после образования Земли.
С исчезновением первичной оболочки начался процесс вторичной дегазации, в результате которого из мантии выделялись водяной пар, углекислый газ, сероводород, азот, метан и другие летучие компоненты. Эти газы стали основой для формирования восстановительной атмосферы, существовавшей в архее.
Архейская атмосфера отличалась почти полным отсутствием свободного кислорода. Господствующими газами были CO₂, CH₄, NH₃, H₂S и H₂O. Отсутствие озонового слоя приводило к высокой интенсивности ультрафиолетового излучения, что стимулировало фотохимические реакции и синтез органических соединений.
Основные сведения о составе архейской атмосферы получены из анализа железисто-кремнистых формаций (БИФов), сернистых минералов и углеродистых включений. Присутствие пирита и уранита, не подвергшихся окислению, свидетельствует о восстановительной среде. Изотопные отношения серы (δ³⁴S и Δ³³S) демонстрируют эффекты масс-независимого фракционирования, что возможно только при отсутствии озона и свободного кислорода.
Около 2,4–2,1 млрд лет назад произошёл резкий переход от восстановительной атмосферы к окислительной — так называемая Великая кислородная революция. Этот процесс был связан с деятельностью фотосинтезирующих цианобактерий, выделявших кислород в качестве побочного продукта. Накопление кислорода в океанах привело к окислению растворённого железа и выпадению железистых осадков, после чего началось насыщение атмосферы O₂.
Геохимические индикаторы — исчезновение масс-независимого фракционирования серы, появление окисленных форм урана и молибдена, а также изменение изотопного состава углерода — подтверждают постепенное повышение окислительного потенциала атмосферы.
В протерозое содержание кислорода продолжало расти, однако значительные колебания уровня O₂ происходили на фоне тектонических и биогеохимических изменений. Развитие эвкариотических организмов и формирование континентальной коры усилили круговорот элементов и стабилизировали атмосферный состав.
К началу фанерозоя концентрация кислорода достигла современных пропорций, что позволило сформироваться озоновому слою и обеспечило защиту биосферы от ультрафиолетового излучения. Уровень CO₂, напротив, постепенно снижался вследствие активного выветривания силикатов и поглощения углерода биогенными процессами.
Палеозой характеризовался значительными колебаниями содержания CO₂ и O₂: в каменноугольном периоде уровень кислорода достигал 30–35%, что коррелирует с появлением гигантских членистоногих и интенсивным углеобразованием. В мезозое и кайнозое содержание CO₂ уменьшалось, а кислород стабилизировался около 21%.
Реконструкция состава древних атмосфер базируется на комплексе геохимических методов, включающих:
Биосфера выступает важнейшим фактором регуляции газового состава атмосферы. Появление фотосинтетических организмов радикально изменило геохимическую обстановку, обеспечив переход к кислородной атмосфере. Биогенные процессы определяют круговорот углерода, азота, серы и фосфора, создавая устойчивую связь между живым веществом и неорганическими резервуарами элементов.
В разные геологические эпохи биосфера действовала как источник или поглотитель углекислого газа, метана и кислорода. Эволюция растительности на континентах в палеозое усилила фиксацию углерода в осадочных породах, что способствовало глобальному охлаждению. В мезозое же вулканическая активность и разложение органических веществ увеличивали содержание парниковых газов, поддерживая более тёплый климат.
Эволюция палеоатмосфер определила направление химических взаимодействий между литосферой, гидросферой и биосферой. Повышение содержания кислорода привело к окислению железа, серы и органического вещества, изменению состава осадочных пород и формированию новых типов рудных месторождений. Снижение концентрации CO₂ в фанерозое вызвало увеличение интенсивности химического выветривания силикатов и образование карбонатных отложений.
Таким образом, палеоатмосферы не только отражают историю газового состава Земли, но и служат ключом к пониманию глобальных геохимических циклов, термодинамических условий поверхности планеты и эволюции жизни.