Maad eristab teistest Päikesesüsteemi planeetidest tema hapnikurikas atmosfäär. Kuid nagu teistelgi Maa-tüüpi planeetidel, ei olnud hapnik meie planeedi atmosfääri algne koostisosa. Esmakordselt ilmus vaba hapnik 2,4 miljardit aastat tagasi Suure Hapnikusündmuse käigus. Siis küündis hapniku sisaldus vaid 1%-ni tänapäevasest.

Mis on Suur Hapnikusündmus?

Peamiseks hapniku allikaks on bioloogiline fotosüntees. Suur Hapnikusündmus tähistab Maa geoloogilises ajaloos seda hetke kui fotosünteesivate bakterite poolt "toodetud" hapniku hulk ületas hapniku tarbimise koguse oksüdeerimisreaktsioonides. See põhimõtteline muutus atmosfääri koostises mõjutas rohkem või vähem kõiki erinevaid aineringeid.

Tsüanobakterid on ühed mikroskoopilistest vetikatest, tänu kellele tekkis hapnikurikas atmosfäär. Autor: Wikimedia Commons

Just hapnikurikastes oludes intensiivistus kivimite erosioon ja keemiline murenemine, mis vabastavad maakoore kivimitest eluks vajalikke toitaineid nagu fosfor, väävel ja mikroelemendid. Nende ainevahetuses oluliste ühendite osakaalu suurenemine ookeanides soodustas omakorda mikroorganismide kasvu. Tõenäoliselt mõjutas see ka ökosüsteemide koosluste ülesehitust ja võimaldas seeläbi keerukamate organismide arenemist.

Paraku on tänaseni ebaselged need mehhanismid, mis viisid Suure Hapnikusündmuse tekkimiseni. Tuginedes settekivimite keemilise koostise uuringutele on isegi pakutud välja, et Suurele Hapnikusündmusele järgnes suur atmosfääri hapniku sisalduse langus. Pärast seda hakkas Maa atmosfääri hapniku sisaldus uuesti tõusma alles miljardi aasta möödumisel, ligikaudu 700-800 miljonit aastat tagasi. Seepärast on Suurele Hapnikusündmusele vahetult järgnenud hapniku langusega seonduv ajaperiood ja tollaste keskkondade info taastamine on olnud juba aastakümneid teadlasi üks enim köitnud probleeme.

Doktoritöös uuriti, kuidas Suur Hapnikusündmus mõjutas väävli aineringet

Arvatavasti kõige paremini säilinud ja põhjalikumalt uuritud geoloogilised läbilõiked sellest ajaperioodist asuvad Äänisjärve (Onega) piirkonnas, Karjalas, Venemaal – ja sellele piirkonnale Tartu Ülikooli geoloogi, Kärt Paiste, doktoritöö keskenduski. Selle piirkonna kivimitest on võimalik uurida muutusi, mis toimusid mereliste settebasseinide väävliringes Suurele Hapnikusündmusele järgnenud ajaperioodil.

Kärt Paiste uuris Eesti-Norra koostöös kahe miljardi aasta vanuseid kivimeid. 

Väävli aineringe on otseselt seotud nii merevee ja atmosfääri hapnikustumise kui ka väävli bioloogilise käitlemisega. Paljud mikroorganismid kasutavad oma elutegevuses väävlit. Pikaajaline väävli aineringe on tihedalt seotud atmosfääri hapniku sisaldustega.

Väävli teeb huvitavaks uurimisobjektiks ka see, et looduses on väävlil neli erineva aatommassiga stabiilset isotoopi, mis eralduvad (fraktsioneeruvad) erinevates füüsikalistes ja keemilistes (sh bioloogilistes) reaktsioonides. Selle omaduse tõttu on väävli isotoope laialdaselt kasutatud paleokeskkondade muutuste hindamisel.

Näiteks, enne 2,4 miljardit aastat oli ookeanides väga madal lahustunud väävli sisaldus ja väävel esines peamiselt püriidina (FeS2) mida tunneme ka kassikullana. Püriit on hapniku puudumisel väga stabiilne, kuid laguneb kergesti hapnikurikkas keskkonnas. Seetõttu viitab püriidi esinemine setetes hapniku puudumisele atmosfääris ja vastupidi.

Uurides ürgseid jõgede setteid näemegi, et enne Suurt Hapnikusündmust on setetes rohkelt püriiti, aga peale seda enam mitte. Jõgedes olnud püriit lagundati hapniku tekkimisel kiiresti rauaks, mis seoti pinnasesse, ja väävliühenditeks, mis kandusid jõgedega edasi ookeani. Lahustunud mereveesulfaat on aga omakorda oluline sealsete mikroorganismide talituseks ning selle käitlemine põhjustab suuri muutusi setetesse seotud väävli isotoopkoostises.

Seega, uurides väävliosakeste koostist ja hulka ürgsetes meresetetes on võimalik teada saada hapniku taseme muutusi merevees läbi aegade ning sealt omakorda tuletada hapniku tasemete kõikumisi Maa atmosfääris.

Doktoritöö käigus tehtud uuringud näitavad, et pärast Suurt Hapnikusündmust merevee sulfaadi tase mitte ei langenud nagu on siiani arvatud, vaid võis jääda stabiilseks sadadeks miljoniteks aastateks. Lähtudes praegustest teadmistest väävli aineringe ja atmosfääri keemilise koostise vahel, viitab saadud tulemus ka hapnikurikastele keskkonnatingimustele.

Kärt Paiste kaitses oma doktoritöö Norras, Tromso Ülikoolis; töö pealkirjaga "Reconstructing the Paleoproterozoic sulfur cycle" on leitav Tartu Ülikooli geoloogia osakonna raamatukogust.