Формирование атмосферы происходило в ранние этапы аккреции планеты около 4,6 млрд лет назад. Первичная атмосфера представляла собой газовую оболочку, захваченную протопланетным телом из солнечной туманности. Её основной состав определяли лёгкие газы — водород (H₂), гелий (He), а также незначительные количества метана (CH₄), аммиака (NH₃) и водяного пара (H₂O). Сила тяжести молодой Земли оказалась недостаточной для удержания водорода и гелия, поэтому первичная атмосфера была утрачена в результате солнечного ветра и термического рассеяния.
После утраты первичной оболочки атмосфера начала формироваться заново в результате вулканической дегазации. В процессе дифференциации вещества и плавления мантии происходило выделение летучих компонентов: углекислого газа (CO₂), водяного пара, сероводорода (H₂S), аммиака, метана, водорода и азота (N₂). Эти газы образовали вторичную атмосферу, обладавшую высокой плотностью и редуцирующим характером.
Основным источником газов служили глубинные флюиды и дегазация магматических систем. При этом на ранних этапах эволюции Земли активные вулканические извержения обеспечивали интенсивный поток водяного пара, который при охлаждении поверхности конденсировался, образуя первые водоёмы и океаническую гидросферу.
Состав атмосферы постепенно изменялся под воздействием химических и фотохимических реакций. В ранний архейский период (около 3,8–2,5 млрд лет назад) в атмосфере сохранялись высокие концентрации метана и углекислого газа. При отсутствии свободного кислорода окислительно-восстановительный потенциал был низким, что создавало благоприятные условия для синтеза органических соединений.
Фотолиз воды под действием ультрафиолетового излучения приводил к выделению молекулярного водорода, уходящего в космос, и к постепенному накоплению кислорода. Однако значительная часть образующегося кислорода реагировала с восстановленными газами (метаном, сероводородом) и железом в породах, поэтому его концентрация долгое время оставалась крайне низкой.
Резкий рост содержания кислорода произошёл около 2,4–2,0 млрд лет назад, в палеопротерозойскую эпоху. Этот процесс известен как великая кислородная революция (Great Oxidation Event). Главным фактором стало развитие фотосинтезирующих цианобактерий, способных расщеплять воду с выделением O₂. Биологический фотосинтез изменил газовый баланс, поскольку скорость образования кислорода превысила скорость его потребления восстановительными процессами в литосфере и океанах.
В результате атмосфера перешла от восстановительного к окислительному состоянию. Началось формирование озонового слоя (O₃), который поглощал ультрафиолетовое излучение, способствуя стабилизации биосферы и защите органических форм жизни на поверхности.
Эволюцию состава атмосферы прослеживают по геохимическим и изотопным маркёрам. Ключевыми свидетельствами ранней аноксичной атмосферы являются:
После кислородной революции исчезновение подобных аномалий и появление окисленных железных минералов (гематита, лимонита) указывают на установление устойчивого окислительного режима.
К концу протерозоя содержание кислорода приблизилось к 10–15% от современного уровня. Дальнейшие изменения в фанерозое определялись биогеохимическими циклами углерода, азота и серы. Фотосинтез и дыхание, разложение органического вещества, осаждение карбонатов и вулканизм сформировали динамическое равновесие между газовыми компонентами.
Современная атмосфера состоит преимущественно из азота (78,08%), кислорода (20,95%), аргона (0,93%) и углекислого газа (0,04%), а также следовых количеств неона, гелия, метана, криптона и водорода. Этот состав поддерживается балансом между геохимическими и биосферными процессами, включая углеродно-карбонатное равновесие, фиксацию азота и фотосинтетическую активность растений.
Долговременная стабильность атмосферы обеспечивается геохимическими циклами — в первую очередь углеродным и серным. Вулканическая эмиссия CO₂ компенсируется его связыванием в карбонатных минералах и органическом веществе, что регулирует парниковый эффект и климат. Аналогично, баланс серы контролируется чередованием её окисленных и восстановленных форм в гидросфере и литосфере.
Регулятором содержания кислорода выступает фотосинтез и окисление органического углерода, а также погребение органики в осадках, что предотвращает полное восстановление атмосферы. Любые изменения этих процессов — массовые вымирания, интенсивный вулканизм или оледенения — отражаются на химическом составе воздушной оболочки.
В кайнозое наблюдались колебания концентрации CO₂, связанные с тектоническими процессами, горообразованием и развитием фотосинтезирующей флоры. Антропогенная деятельность в последние столетия внесла новый геохимический фактор — промышленное сжигание органического топлива, увеличившее содержание углекислого газа и метана. Это приводит к усилению парникового эффекта, изменению теплового баланса планеты и сдвигу естественных геохимических циклов.
Таким образом, современная атмосфера представляет собой результат длительной геохимической эволюции, в которой взаимодействуют эндогенные и экзогенные процессы, биосфера и литосфера. Её состав отражает равновесие между глубинной дегазацией, биологической активностью и физико-химическими реакциями в системе Земля — атмосфера — океан.