Происхождение всего: От Большого взрыва до человеческой цивилизации

Однако, как ни привлекательна гипотеза о пыльном космическом облаке, «сплющенном» в диск благодаря вращению, она приводит к серьезным парадоксам. Если бы такое облако действительно вело себя, как фигурист, выполняющий «винт», то Солнечная система сегодня вращалась бы намного быстрее и под воздействием центробежной силы не сжалась бы до нынешнего, весьма небольшого, размера. Даже если бы изначально облако вращалось очень медленно, сжатие должно было охватить огромные расстояния, и потому наше облако уже нельзя сравнить с обычным фигуристом, который в «винте» подтягивает ничем не занятые руки к корпусу, – скорее это фигурист, у которого на руках повисли стопудовые гири, а сами руки при этом раскинуты на многие километры.

Отдаленные туманности, похожие на облако, из которого родилась Солнечная система, вращаются крайне медленно. Энергия вращения, особенно кинетическая, обычно составляет несколько процентов от общей энергии облака и по природе своей является преимущественно гравитационной – полученной в результате сжатия облака, разогревающей газ и запускающей термоядерные реакции водорода и формирование звезд. Если бы гигантское облако сжалось до размеров Солнечной системы, даже такая небольшая энергия вращения заставила бы Солнце вращаться намного быстрее, чем мы наблюдаем сейчас. Сама Солнечная система вращалась бы гораздо быстрее, чем позволяют нынешние орбиты наших планет. Тем не менее центробежная сила не позволила бы Солнечной системе сжаться до ее нынешнего размера, и Юпитер, расположенный в пять раз дальше от Солнца, чем Земля, оказался бы за пределами орбиты Нептуна, который отстоит от Солнца в 30 раз дальше, чем Земля. Каким‑то образом Солнечная система в процессе сжатия потеряла энергию вращательного движения или, что не совсем то же самое, «момент импульса». Это подводит нас к парадоксу момента импульса в физике Солнечной системы, парадокса, который до сих пор не объяснен. Его объясняют разными влияниями – от магнитных полей до турбулентности, «отнимающей» момент импульса Солнца и выталкивающей его из Солнечной системы, но ни одна из догадок не утвердилась в качестве основной. В любом случае Солнечная система смогла (непонятно каким образом) решить проблему с моментом импульса, и протосолнечное облако сжалось в хорошенький диск размером с Солнечную систему, что в итоге позволило Юпитеру двигаться по его текущей орбите. Это первоначальное сжатие было очень быстрым (в геологической шкале времени) – вероятно, около 100 000 лет.

Пора рассказать, что такое момент импульса. Понимание этого явления так или иначе пригодится нам далее. Импульс – это физическая величина, являющаяся мерой механического движения тела и способная передавать это движение другим объектам соответственно его массе и скорости. Импульс равен произведению массы тела на его скорость. Автомобиль, который едет со скоростью 100 км/ч, имеет больший импульс, чем едущий с той же скоростью мотоцикл, и передаст больший импульс силы другому объекту при столкновении с ним. Так же рассчитывается момент импульса вращающегося тела (на месте или вокруг точки по орбите), только масса тела умножается на угловую скорость (обычно в оборотах в минуту) и затем на квадрат действительного размера системы. Под «действительным размером» я подразумеваю расстояние от оси вращения до места, где сосредоточена бóльшая часть массы тела. Колесо велосипеда, бóльшая часть массы которого сосредоточена в ободе, весящее 1 кг и совершающее 100 оборотов в минуту, будет иметь больший момент импульса, чем, например, тонкое веретено весом 1 кг, вращающееся с такой же скоростью. Разницу в движении, которое эти два тела передадут другим объектам, легко визуализировать – просто представьте, как вы останавливаете тот и другой объект рукой.

Поскольку бóльшая часть планетарной массы Солнечной системы досталась Юпитеру, а сам он находится весьма далеко от Солнца, момент импульса Солнечной системы должен быть на орбите Юпитера. Если бы на каком‑то этапе момент импульса протосолнечного облака не был утрачен, Солнце вращалось бы намного быстрее, момент импульса Юпитера был бы значительно больше и сама эта планета располагалась бы намного дальше от Солнца, чем сейчас.

Первоначально протосолнечный диск состоял из газа и примесей: водород, некоторое количество гелия, пыль, лед, элементы, созданные в гигантских звездах за несколько миллиардов лет… Все это вращалось вокруг центральной массы облака, которая вскоре должна была стать Солнцем. Это движение создавало эффект центробежной силы, препятствующей дальнейшему сжатию диска внутрь себя. Однако газ обращается вокруг центральной массы облака не так, как планеты обращаются вокруг Солнца.

Движение планеты по околосолнечной орбите – результат баланса между центростремительной силой притяжения Солнца и центробежным выталкиванием наружу в результате обращения планеты вокруг своей оси. Положение планеты на орбите определяется законами Кеплера. Протосолнечный диск ведет себя иначе: к центру он уплотняется, формирующееся Протосолнце разогревает газ, отчего давление здесь выше, чем в более холодных окраинных частях. Из‑за этой разницы давлений диск слабее притягивается к Протосолнцу, чем летящая в вакууме планета. Поэтому облако движется по орбите чуть медленнее, чем планета и все небесные тела, движущиеся по Кеплеровым орбитам. Что и говорить, звучит это весьма загадочно, но без этого нельзя понять еще одну загадку формирования нашей Солнечной системы.

Планеты Солнечной системы сформировались из мельчайших частиц в газопылевом диске в то же время, когда бóльшая часть массы диска смещалась к центру облака, чтобы сформировать Солнце. Потребовались бы десятки миллионов лет, чтобы Солнце поглотило всю массу диска, только после этого Солнце бы загорелось и в нем начались термоядерные реакции. А прямо перед началом термоядерных реакций Протосолнце сделало бы невозможным дальнейшее формирование планет (мы вкратце обсудим почему). Таким образом, планетам, особенно большим, следовало бы поторопиться сформироваться до того, как Солнце бы зажглось, – и это была не единственная их проблема.

Как только в облаке сформировался диск, твердые частицы пыли и льда стали присоединяться друг к другу посредством электростатических сил (таких, как статическое электричество и некоторые другие явления, например силы Ван‑дер‑Ваальса, которые я оставлю читателю для самостоятельного ознакомления), поскольку они еще были недостаточно массивными, чтобы притягиваться друг к другу силой гравитации. Турбулентные завихрения газа, вероятно, позволили частицам льда и пыли зависнуть поблизости друг от друга и вращаться достаточно долго, чтобы сцепиться. Весьма похоже на то, как образуются комки пыли (по крайней мере, у меня дома).

Но для создания даже маленькой планеты первые частички пыли, минеральные и ледяные, должны были расти, чтобы силой собственной гравитации притягивать больше массы и увеличиваться. Проще сказать это, чем сделать. Когда собирающиеся частички были очень малы (порядка микрона, примерно размером с бактерию), они свободно летали по газовому диску, двигаясь с газом и в то же время присоединяясь друг к другу электростатическими силами. Став достаточно большими, скажем, диаметром 1 см или больше того, частицы стали сильнее испытывать притяжение Протосолнца и слабее – силу выталкивания наружу давлением газа. В результате их вращение вокруг Протосолнца стало походить на то, как обращаются по орбитам планеты, уже точнее соблюдая траектории Кеплеровых орбит. Эти сформированные куски будут лететь по орбите быстрее, чем газ в диске, и поэтому встретят сопротивление газа – оно замедлит их движение и направит по спирали к центру облака.

Если этим кускам удается стать достаточно большими и достичь размера планетезимали (небесного тела размером с маленький астероид, скажем, от 10 м до 1 км), они могут двигаться сквозь газ, почти не испытывая встречного сопротивления и не скручиваясь по спирали к центру облака (или скручиваясь, но очень медленно), и уцелеть в противостоянии с газом (который будет вытеснен, о чем пойдет речь ниже). Достигнув километрового диаметра, эти тела, уже достаточно тяжелые, смогут притягивать еще больше массы и расти еще быстрее.

В то же время объекты среднего размера, от нескольких сантиметров до метра в диаметре, подвергнутся сильному встречному сопротивлению газа, которое заставит их быстро закручиваться по спирали и сгинуть в Протосолнце всего через 200 лет – мгновение по космическим меркам! Вдобавок эти куски будут недостаточно тяжелыми, чтобы притягивать друг друга, наоборот, они будут взаимно отталкиваться.

Образовавшиеся из крошечных пылинок планеты должны нарастить массу и вырасти с нескольких сантиметров до метра (а из‑за своего размера они не очень‑то хорошо схватывались друг с другом), чтобы не улететь по спирали прямо в Протосолнце. И дорасти до метрового размера планеты должны невероятно быстро – за несколько сотен лет, в противном случае они сгинут. Этот парадокс, называемый барьером одного метра, также пока не разрешен. Однако новые исследования показывают, что давление растущих комков пыли на газ заставляет их сбиваться в кластеры – сплотившись в кучи большей массы, они защищают друг друга от встречного сопротивления газа, прямо как велосипедисты на «Тур де Франс».

В то время как накапливались первые комочки пыли, коллапсирующая масса в центре облака нагревалась, становясь звездой. Еще до начала термоядерных реакций эта масса уже была достаточно горячей, чтобы нагреть внутреннюю часть газового диска. Комочки пыли, собравшиеся в более горячем внутреннем диске, представляли собой в основном минеральные соединения, в конечном счете из них образовались камни. Во внешних частях будущей Солнечной системы было достаточно прохладно, там могли скапливаться льды и жидкости, такие как вода, метан и аммоний. Граница между двумя этими областями называется снеговой линией, она проходит недалеко от орбиты Юпитера – между орбитами Марса и Юпитера.

Из‑за давления газа на мелкие частицы, о котором говорилось выше, крупицы и кусочки льда, стремящиеся по спирали к центру облака, испарились бы при пересечении снеговой линии, и высвобождение газа привело бы к появлению зон с относительно высоким давлением. Газ в диске за пределами зон высокого давления испытывал бы воздействие силы, направленной наружу, что способствовало бы дальнейшему ослаблению гравитации, заставляя газ двигаться по орбите Протосолнца еще медленнее. Это вызвало бы еще большее встречное сопротивление и давление на летящие быстрее твердые частички, что ускорило бы их движение по спирали в снеговую линию. Газ в пределах снеговой линии и зон высокого давления вызвал бы дополнительное давление, направленное внутрь, по направлению к Протосолнцу, что усилило бы гравитационное притяжение, заставляя газ вращаться быстрее, чем твердые частицы, уже не оказывая им сопротивления, а создавая «попутный ветер». Частицы могли подняться на более высокую орбиту и выйти по спирали в обратную сторону. По существу, частицы будут втягиваться в обладающую высоким давлением снеговую линию с обеих сторон, и она будет действовать как ловушка для крупиц льда. (Весьма неожиданный эффект, ведь жидкости обычно устремляются к зонам низкого давления, достаточно вспомнить обычный слив. Но взаимодействие газа и частиц во вращающемся диске гораздо сложнее, чем поток воды, стекающей из ванны.)

Скопление газа и льда в снеговой линии, возможно, создало благоприятную почву для формирования планеты‑гиганта – Юпитера. По массе – и орбитальной энергии или моменту импульса – это самый крупный планетный объект Солнечной системы. Если не принимать во внимание тот факт, что на Земле живем мы, то основная часть содержимого Солнечной системы, в терминах массы, энергии и момента импульса, приходится на счет Солнца и Юпитера. Но это лишь показывает, что размер не всегда имеет значение (по крайней мере, мы, земляне, так бы и сказали).

Как только Юпитер начал формироваться, это ускорило рост ближайших газовых гигантов, например Сатурна. В частности, гравитационное притяжение Юпитера ускоряло бы медленное вращение масс за пределами его орбиты, заставляя их уходить по спирали во внешнее пространство. Частицы пыли и льда, закручивающиеся по спирали по направлению к Юпитеру с еще более высоких орбит, слились бы с этим уходящим потоком, что привело бы к накоплению массы и образованию фидерной зоны для другой гигантской планеты, например Сатурна.

Первые протопланеты, формировавшиеся из частиц пыли, должны были поторапливаться и расти очень быстро. Словно мало было таких помех на пути их развития, как уменьшение момента импульса и преодоление барьера одного метра, – им еще приходилось постоянно соревноваться в скорости с Солнцем. Пока комочки пыли соединялись в большие куски, растущая протозвезда поглощала массу диска и была готова положить начало термоядерным реакциям и зажечься. Непосредственно перед тем как зажечься, протозвезда нагревала внутренние части Солнечной системы и выбрасывала газ, создавая сильный солнечный ветер. Он выдувал из облака остатки пыли и газа, которые не успели присоединиться к относительно массивным телам. Потеря газа и интенсивный солнечный ветер длились несколько десятков миллионов лет после начала коллапса протосолнечного облака в диск, это очень мало по геологическим и космологическим меркам. Это значит, что протопланетам, особенно гигантским планетам с их массивной газовой оболочкой, следовало очень поспешить и успеть сформироваться до того, как их элементы будут поглощены или унесены прочь. Вырастить из этих комочков пыли планетезималь, а потом и планету – задача чрезвычайно трудная, но у Солнечной системы это получилось, хотя ученые до сих пор не могут понять, как ей это удалось. И это еще одна из многих не дающих покоя загадок формирования Солнечной системы.

Каменные протопланеты, которым удалось уцелеть и сформироваться в более горячей внутренней части Солнечной системы, были сначала, вероятно, размером с крупные астероиды. Некоторые из этих небесных тел были достаточно большими, чтобы нагреваться и плавиться; бóльшая часть этого тепла происходила от столкновений, а остальная – от интенсивного нагрева от короткоживущих радиоактивных элементов, например нестабильных изотопов алюминия и калия. Если камень расплавляется и начинает снова застывать, концентрация железа в остаточной магме (расплавленной породе) становится невероятно высокой, поскольку железо легче растворяется в сплавах. Этот затвердевший сплав столь богат железом, что становится тяжелее окружающих его каменных пород, и проваливается к центру этих небесных тел (если, конечно, они достаточно велики, чтобы иметь значительную гравитацию), образуя железное ядро. Такие крупные астероиды, как Веста и Церера, также имеют железное ядро. (Метеориты, которые достигают Земли и содержат чистое железо – их вполне логично называют железными и железокаменными метеоритами, – предположительно, являются остатками тех ядер, которые были выброшены после разрушения астероида в столкновениях.) Многие из астероидов были слишком малы, чтобы это произошло, потому они остались нерасплавленными и примерно в том же составе, в каком изначально сформировались. Большинство таких метеоритов называются хондритами, и они, возможно, представляют собой строительные блоки Солнечной системы. Многие метеориты, достигающие Земли, также относятся к классу хондритов.

Эти ранние планетезимали быстро перемещались по Солнечной системе по различным эллиптическим и случайным орбитам, и лишь те, чьи орбиты были более‑менее круглыми, смогли выжить. Небесные тела, летящие по одной круговой орбите или близко к ней, двигались более медленно по отношению друг к другу, и потому их столкновения были «мягкими», они смогли соединиться, не разрушив друг друга. Спустя десятки миллионов лет эти небесные тела стали намного больше и уже не разрушались и не теряли свои части при столкновениях (из‑за возросшей собственной гравитации) с объектами астероидных размеров; и, таким образом, они стали еще больше, превращаясь в конце концов в планеты земной группы, которые существуют сейчас в Солнечной системе.

Сегодня в Солнечной системе насчитывают восемь планет и Плутон, который переживает кризис идентификации. Хотя Международный астрономический союз лишил в 2006 г. Плутон ранга планеты, открытия зонда НАСА «Новые горизонты» в 2015 г. позволили утвердить Плутон в звании карликовой планеты. Тем не менее во внутренней области Солнечной системы располагаются сухие каменистые планеты, а гигантские газовые и водные планеты – во внешней. Эти области разделяет линия, наличие которой лучше всего объясняется гипотезой снеговой линии. Однако Солнечная система не совсем обычна, даже планеты в ней не обязательно сформировались там, где они находятся сейчас. Самые впечатляющие примеры – это Уран и Нептун, расположенные далеко на окраине Солнечной системы (соответственно в 20 и 30 раз дальше от Солнца, чем Земля). Они должны были бы иметь доступ к большому количеству материала диска, поглощать его и таким образом становиться больше. По идее, эти планеты должны были быть намного больше, чем они есть сейчас. Принято считать, что они формировались, находясь гораздо ближе к Юпитеру и Сатурну (которые, в свою очередь, были ближе друг к другу), и потому были обделены строительным материалом, доставшимся их большим соседям. Сатурн, Уран и Нептун были выброшены на более дальние орбиты во многом из‑за того, что сильнейшее гравитационное притяжение Юпитера выбрасывает небесные тела с их орбит во внешние части Солнечной системы. Пожертвовав часть своего момента импульса для того, чтобы «выселить» соседние планеты, сам Юпитер мог переместиться ближе к центру. Смещение орбит этих огромных планет, вероятно, заставило большое количество объектов уходить по спирали с орбиты Юпитера во внутреннюю область Солнечной системы, что вызвало около 4 млрд лет назад так называемую позднюю тяжелую бомбардировку – планеты земной группы были подвержены массированным ударам астероидов. Теория, описывающая перемещение планет в Солнечной системе, называется «модель Ниццы», в честь научно‑исследовательской группы Университета Ниццы во Франции.

Во внутренней области Солнечной системы находятся небольшие каменистые планеты, в то время как астрономические наблюдения других планетных систем показывают, что в их внутренних областях небесные тела размером с Юпитер располагаются очень близко, почти «на орбите Меркурия», к звезде. Лучше всего это объясняется тем, что эти «горячие юпитеры» образовались во внешней области системы, а потом мигрировали к центру, как, вероятно, и планеты Солнечной системы.

Но из всех историй о формировании Солнечной системы и ее планет одну из самых больших загадок задает наша собственная планета. Как у Земли появилась эта странная Луна? Даже само существование естественного спутника такого большого размера очень странно, потому что Луна почти такая же большая, как многие из спутников Юпитера и Сатурна. Самый большой спутник Юпитера – Ганимед – лишь в два раза массивнее нашей Луны (ничто в космических масштабах). Для сравнения, масса Юпитера в 300 раз больше, чем масса Земли, а Сатурна – почти в 100 раз. Остается загадкой, как такая маленькая планета, как Земля, заполучила такой большой естественный спутник.

Наша необычно крупная Луна, возможно, оказала важное влияние на эволюцию жизни. Приливы и отливы океана, вызываемые притяжением Луны (лунные приливы), становятся причиной появления приливных заводей, где, как предполагал Дарвин и другие ученые, возникли благоприятные условия для развития жизни. Благодаря приливам также образуются литоральные зоны – участки берега, которые затопляются морской водой во время прилива и осушаются (ну, не совсем осушаются, а остаются влажными) во время отлива. Организмы, развивавшиеся в этой зоне, приспособились жить в двух средах, что в конечном счете стало причиной их переселения (или нашествия, в зависимости от вашей точки зрения) на сушу.

Этим странности Земли и Луны не ограничиваются. Радиус орбиты Луны равняется примерно 60 радиусам Земли, и сейчас Луна совершает оборот вокруг Земли примерно за месяц (на самом деле за 27 дней). Однако раньше орбита Луны была намного ближе к Земле. Из‑за того что Земля и Луна притягивались друг к другу посредством взаимных гравитационных сил, а Луна располагалась близко к Земле, наша планета вращалась вокруг своей оси быстрее, подобно тому как это происходит у вращающегося на льду фигуриста, когда он прижимает к себе руки. Действительно, ископаемые остатки кораллов, по которым можно определить суточные и сезонные циклы роста, а также пласты осадочных горных пород возрастом в сотни миллионов лет подтверждают, что дни раньше были значительно короче, чем сейчас. Если бы мы прилепили Луну к Земле, период обращения вокруг своей оси этой объединенной планеты составлял бы 4 часа. Скорость вращения вокруг своей оси объединенной системы Земля – Луна будет намного больше, чем у самой быстро вращающейся планеты Солнечной системы (легок на помине!) – Юпитера, период обращения которого равен 10 часам. Орбита Луны стала такой, какой мы ее наблюдаем сейчас, потому, что лунные приливы на поверхности быстро вращающейся Земли вызывают приливные выступы на поверхности нашей планеты, которые опережают вращение Луны. Гравитационное притяжение этих сил тянет Луну вперед, медленно «выбрасывая» (если вы, конечно, можете себе представить медленное выбрасывание) ее на более высокую орбиту. Из‑за приливного трения Луна удаляется и замедляет вращение Земли. Хотя Земля отдает свой момент импульса Луне, момент импульса системы Земля – Луна остается постоянным.

Еще об одной загадке Луны мы узнали благодаря искусственным спутникам и посадочным модулям, которые кое‑что рассказали нам о внутреннем строении Луны. Большинство небесных тел – планеты, спутники, крупные астероиды – имеют каменистый наружный слой, мантию, кору и довольно большое металлическое, по большей части железное, ядро (это объясняется теми же причинами, что и наличие ядер у планетезималей: нагрев и плавление отделяют каменистые части от металлических). Но ядро Луны очень маленькое, значит, железо составляет лишь небольшую часть ее массы, а остальное приходится на каменные породы. По сравнению со строением других небесных тел это выглядит весьма странно.

Почему же у Земли оказался такой большой и столь странный естественный спутник? Этот вопрос о формировании нашей планеты не давал покоя людям сотни лет. В 1960‑х, когда я был маленьким, нас учили, не предлагая никаких альтернативных теорий, что Луна откололась от Земли, оставив после себя бассейн Тихого океана. Это объяснение «из учебника», называющееся гипотезой центробежного разделения, позднее было развенчано: нельзя так просто взять и оторвать спутник от тела планеты. Вот и разберись.

Тем не менее огромная скорость вращения системы Земля – Луна и чрезмерная каменистость (и недостаток железа) Луны позволили высказать лучшую на сегодняшний день рабочую гипотезу. В начале формирования Солнечной системы, когда планеты уже были почти того же размера, как сейчас, а по орбитам беспорядочно летало много более мелких объектов, небесное тело размером с Марс – названное по некоторым причинам Тейей (возможно, по тем же причинам, по которым бомбам дают имена, прежде чем сбросить) – предположительно столкнулось с Протоземлей. К счастью, удар пришелся по касательной. В результате этого столкновения было выброшено много каменистых пород мантии Земли и каменистых пород задевшего нашу планету небесного тела. Ядро Тейи, потеряв большую часть своего импульса, погрузилось в расплавленную Протоземлю, которая аккумулировала в себе ядра обоих тел. Мелкие частицы каменистых пород мантий обеих планет были выпарены во время столкновения и затем образовали облако, вращающееся на орбите Земли. За несколько тысяч лет это облако сконденсировалось и его части объединились в Луну, которая тогда почти полностью состояла из каменных пород и практически не имела железного ядра. А так как столкновение произошло вскользь, оно заставило Протоземлю вращаться быстрее, и в конце концов Земля через приливы и отливы передала свое вращение, а точнее, свой момент импульса орбитальному движению Луны. Модель ударного формирования Луны, или сценарий гигантского столкновения, была впервые предложена в середине 1970‑х гг. планетологом Уильямом Хартманном, но лишь компьютерное моделирование, начатое в конце 1980‑х гг. и растянувшееся на два десятилетия, показало, что такое столкновение и все вытекающие из него последствия действительно были возможны.

Как бы то ни было, теория гигантского столкновения и компьютерное моделирование не позволяют разгадать все лунные тайны. К примеру, почему детальный химический состав Луны (в соотношениях концентраций изотопов кислорода) столь похож на земной? Если Тейя быстро переместилась из другой части Солнечной системы, почему химический состав Луны больше напоминает состав Земли? Тайна происхождения Луны еще не разгадана до конца.

Кроме восьми больших планет с их спутниками в Солнечной системе имеется значительное количество материала, который не был вовлечен в создание планет. Далеко за пределами орбит Нептуна и Плутона находится обволакивающее Солнечную систему огромное сферическое облако, заполненное мелкими ледяными телами. Эта область называется облаком Оорта (в честь астронома Яна Оорта) и расположена она примерно в 50 000 раз дальше от Солнца, чем Земля, и почти в 2000 раз дальше, чем Нептун. Расстояние от облака Оорта до Солнца составляет почти световой год. Облако Оорта служит источником долгопериодических комет, которые проходят через внутреннюю область Солнечной системы каждые 200 или более лет. Их огромные и медленные орбиты лежат во всех плоскостях, а не только в плоскости Солнечной системы. Предполагается, что они приходят из очень далеких областей из сферической оболочки, состоящей из ледяной материи. Ближе к Солнцу располагается пояс Койпера, который представляет собой еще одну группу малых тел, состоящих из ледяного кометного материала. Пояс Койпера находится в непосредственной близости от орбиты Нептуна, в 30–50 раз дальше от Солнца, чем Земля. В 2006 г. Плутон, считавшийся планетой, был переквалифицирован в объект пояса Койпера, тем более что было обнаружено еще несколько таких тел (как уже отмечалось, впоследствии Плутону вернули звание карликовой планеты). Пояс Койпера является главным источником короткопериодических комет с орбитальными периодами менее 200 лет, например кометы Галлея, которая возвращается в близкие к нам области каждые 76 лет. И облако Оорта, и пояс Койпера сохранили материал, который мог бы быть использован для появления газовых планет, планет‑океанов и ледяных спутников.

Наиболее заметное место скопления материала, из которого могли образоваться планеты земной группы, – это главный пояс астероидов, располагающийся между Марсом и Юпитером. Его составляет множество астероидов размером от камня и автомобиля до больших объектов неправильной формы, как Веста, диаметром примерно 500 км, и даже более крупных, хорошо сформированных сферических карликовых планет, подобных Церере, диаметром 950 км (оба этих объекта были предметом исследования недавней миссии НАСА Dawn ). В поясе астероидов достаточно материала для образования большой планеты земного типа, но из‑за Юпитера шансов на это образование нет: гравитационное притяжение этого гиганта разрушит любое тело с прирастающей массой, как только оно станет достаточно большим. Гравитационные силы Юпитера до сих пор оказывают влияние на пояс астероидов: проходя по одному и тому же месту своей орбиты, Юпитер может периодически сближаться с орбитами объектов пояса (так называемый орбитальный резонанс), выталкивая с них тела и открывая так называемые щели Кирквуда в поясе астероидов. Как предполагают, материал, выбрасываемый из щелей Кирквуда, образует большинство метеоритов, достигающих Земли.

Пояс астероидов и все метеориты, которые из него прилетают, – отличные примеры «кирпичиков», из которых построены планеты внутренней области Солнечной системы. Некоторые классы астероидов (и метеоритов), называемые хондритами, которые не были расплавлены и вообще избежали серьезных изменений, существенно повторяют изначальный химический состав Солнечной системы, сохранившийся в Солнце. Это нетронутые строительные блоки Земли. Состав хондритов играет важную роль в понимании того, как образовалась Земля и проходила эволюция внутренней структуры нашей планеты, состоящей из горных пород, а также океанов и атмосферы (мы обсудим это в следующей главе).

Наконец, во внутренней области Солнечной системы между Венерой и Марсом, в промежутке, где располагается и Земля, находится три семейства астероидов (пусть и не столь плотные, как Главный пояс астероидов), называемых Амуры, Аполлоны и Атоны. Астероиды последних двух семейств иногда пересекают орбиту Земли и периодически падают на нашу планету. Так, 65 млн лет назад один из таких астероидов – возможно, около 10 км в диаметре, размером с небольшой город, – упал на полуостров Юкатан, что вызвало вымирание динозавров. Столкновение с астероидом считается очень редким, но не невозможным событием. Хотя вероятность такого столкновения мала, потенциальные урон и жертвы могут быть столь велики, что шанс погибнуть при этом примерно таков же, как шанс погибнуть в авиакатастрофе. Поэтому подсчет и отслеживание астероидов, а также усилия по предотвращению их падения на Землю (скорее всего, путем медленного изменения их курса при условии, что объект удастся заблаговременно обнаружить) – серьезные задачи таких правительственных организаций, как НАСА. Хотя падение астероида имело бы катастрофические последствия для нас и многих других форм жизни на Земле, но по большому счету наша планета всего лишь занимается очисткой Солнечной системы от старого «строительного мусора».

4. Континенты и строение Земли

Создав Солнечную систему и планеты, мы можем сфокусироваться на нашей родной планете и спросить себя, как же возникла окружающая среда, в которой мы живем. Как и множество других организмов, мы – наземные существа. В какой‑то момент истории Земли нашим очень далеким предкам понадобилась суша и конкретно континенты, чтобы распространиться по всему миру. Континенты с их весьма необычной корой присущи только Земле. Но чтобы понять, как они появились, нам придется совершить путешествие в глубины Земли.

Большую часть информации о планетах, звездах, галактиках и Вселенной дают астрономические наблюдения, физика элементарных частиц, полеты космических аппаратов в пределах Солнечной системы и метеориты. Но чтобы понять что‑либо во внутреннем строении Земли, не говоря уже о строении любой другой планеты, нам нужно «взглянуть» на центр нашей планеты сквозь 6400‑километровую толщу горных пород и металла. Это делает внутренние области Земли еще менее доступными для наблюдения, чем другие галактики, и понимание устройства нашей планеты остается одной из самых важных задач науки.

Большую часть того, что мы знаем о внутренней структуре Земли, нам дала сейсмология – наука о том, как упругие колебания, например звуковые волны, распространяются в недрах Земли. Но мы не можем позволить себе такую роскошь, как проведение сейсмических измерений на других планетах. Пока только на Луне имеется несколько активных сейсмометров, оставленных астронавтами программы «Аполлон», несколько сейсмометров будут доставлены на Марс в рамках будущей миссии InSight. Не густо, но пока это все, что у нас есть. Поэтому нам необходимы другие способы наблюдений. Основной способ – взвесить планету и потом вычислить ее массу. На Земле мы можем с легкостью это сделать, поместив нужный нам объект на весы. Вес объекта – это взаимное притяжение между массой Земли и массой объекта. Таким образом, мы измеряем не только вес объекта, находящегося на Земле, но и вес Земли, находящейся на объекте (если можно так выразиться). Зная также окружность и радиус Земли, которые были впервые рассчитаны древнегреческим философом Эратосфеном, мы можем вычислить массу нашей планеты, а также ее плотность и таким образом произвести приблизительную оценку ее состава. Средняя плотность Земли составляет около 5,5 г/см³, что можно сравнить с плотностью воды (1 г/см³), или камешка, который можно подобрать на дороге (2–3 г/см³), или с большинством металлов, чья плотность составляет около 10 г/см³ (железо – около 8 г/см³, золото – около 20 г/см³). Таким образом, Земля обладает большей плотностью, чем большинство горных пород, но она легче, чем большинство металлов, хотя мы также знаем, что плотность Земли становится выше, чем обычно, в глубине ее недр, где наблюдается экстремальное давление.

Массу других планет можно вычислить путем измерения того, как гравитация планеты влияет на движение проходящего рядом с ней спутника; например, мы можем взвесить Землю, зная орбитальный период Луны (лунный цикл) и расстояние до ее орбиты (с помощью некоторых астрономических измерений: сегодня это в основном метод лазерной локации Луны). Мы также можем узнать чуть больше о внутренних слоях и структуре планеты, наблюдая за осью вращения планеты, которая крутится подобно волчку (это явление называется прецессией). Эта информация может сообщить нам, есть ли в центре планеты плотное ядро. У Земли такое ядро есть, как и у большинства других планет земной группы, за исключением, вероятно, Луны, о чем говорилось в предыдущей главе. Другие измерения со спутников дают более подробные данные, а горные породы, излитые в виде магмы из вулканов, информируют о химическом составе некоторых внутренних областей Земли (подробнее поговорим об этом ниже).

И все же большую часть информации о структуре Земли мы получаем именно с помощью сейсмологии. Для этого необходимо, чтобы мощный источник звука, вроде взрыва, создавал достаточно сильные волны, которые проходят планету насквозь и выходят с другой стороны. Из‑за тектоники плит, про которую мы поговорим совсем скоро, часто происходят сильные землетрясения, которые и служат источником звука. Эти звуковые волны проходят через все более глубокие слои со всевозрастающей (обычно) скоростью звука и доходят до различных сейсмографов на сейсмических станциях по всему миру с разными средними скоростями – в зависимости от того, насколько глубоко они проходили (в более глубоких слоях волны, как правило, движутся быстрее). Эти волны, зарегистрированные на разных сейсмических станциях, затем используются для создания карты, точнее, инфразвуковой картины глубинных слоев Земли.

Благодаря сейсмологии мы смогли узнать о многих слоях, лежащих под поверхностью нашей планеты, но три из них наиболее примечательны: сравнительно тонкая кора, состоящая из легких осадочных горных пород (которые в некоторых частях стали толще с течением времени по мере разрастания материков; более подробно об этом ниже); очень плотная мантия, состоящая из более тяжелых пород и занимающая почти половину радиуса Земли, и, наконец, еще более плотное, в основном состоящее из железа ядро, на долю которого приходится вторая половина радиуса Земли. Но так как мантия «обернута» вокруг ядра, ее объем намного больше объема ядра. Действительно, мантия составляет более 80 % общего объема Земли. (Этот факт определяется простой геометрией: объем шара пропорционален кубу его радиуса, так что если ядро составляет половину радиуса Земли, то, соответственно, это одна восьмая часть ее объема, значит, около семи восьмых объема будет приходиться на мантию.)

Для измерения плотности слоев Земли сейсмологи используют различные виды упругих волн, проходящих через внутреннюю часть планеты. Наиболее быстро движущиеся сейсмические волны – звуковые волны – вызваны сжатием и расширением, которые происходят в любой среде. Причиной появления еще одних быстрых волн является сгибание (деформирование) и разгибание вещества, подобно тому как образуются волны на натягиваемой нитке. Эти волны могут проходить только через твердые тела, так как жидкости не могут «разогнуться» сами по себе, если они были деформированы. Скорость этих двух типов волн может быть использована, чтобы узнать, насколько легко вещество подвергается сжатию под действием сильного давления, и, исходя из этого, уже можно вычислить его плотность. (Есть еще два типа сейсмических волн, которые являются более медленными и передаются только по поверхности Земли. Эти волны вызывают сотрясение грунта и его сдвиги и таким образом приводят к разрушительным последствиям землетрясений.)

Используя эти волны, сейсмологи пришли к выводу, что массивное ядро Земли состоит в основном из жидкости, обладая плотностью, характерной для таких металлов, как железо. В частности, так как чистые «изгибные» волны, которые рождаются от землетрясений по всей планете, не могут пройти через ядро Земли, это означает, что оно жидкое. Тем не менее более детальные исследования показали, что внутри этого жидкого железного ядра находится твердое внутреннее ядро, которое также состоит из железа и, скорее всего, медленно остывает и твердеет – как замерзающее озеро, только перевернутое вверх ногами. На самом деле существуют еще более детальные измерения, которые показывают, что и мантию Земли, и земную кору следует делить на разные слои, но мы не будем на этом останавливаться и двинемся дальше.

Сейсмология позволяет нам взглянуть на структуру Земли с точки зрения физики. Например, мы можем определить плотность слоев или узнать, что одни части мантии Земли могут быть горячее или холоднее, чем другие. Но сейсмология не дает сведений о химических свойствах. Химический состав земных недр в основном определяется путем исследования поверхностных горных и вулканических пород, которые были извержены из недр Земли, а также метеоритов и даже Солнца, которое отражает исходный химический состав всей Солнечной системы. Средний химический состав Земли – это то, что мы могли бы вычислить, если бы все слои планеты были однородно перемешаны. Вероятно, это было бы нечто вроде неизмененных хондритовых метеоритов из Главного пояса астероидов (мы рассматривали их ранее), хотя ученые еще не пришли к согласию, какой точно тип хондритов это был бы. Имея некоторое представление об исходном химическом составе Земли и предполагая, каким образом эта «смесь» разделяется на различные слои, которые либо остаются на плаву, либо проваливаются вниз в зависимости от их плотности, можно дать вполне обоснованную оценку состава основных слоев Земли. Можно сделать вывод, что ядро состоит в основном из железа с некоторым количеством никеля и легких элементов, таких как сера, которые легко растворяются в расплавленном железе и переносятся в ядро. Мантия состоит из минералов, в основном из железа, кремния и кислорода, которые, как вы помните, были созданы во время слияния ядер гелия внутри гигантских звезд (посредством альфа‑процесса). Кора также состоит из минералов, в ней даже больше кремния и кислорода и более широкое сочетание легких металлов (помимо магния и железа), включая кальций, калий, алюминий, натрий и т. д. (Я не буду перечислять названия всех горных пород и минералов, потому что вряд ли сам их все вспомню.) Главной причиной разделения всех этих компонентов из однородной массы стало плавление, и это ведет нас к еще одной истории.

Легко представить себе, что после того столкновения с небесным телом, в результате которого сформировалась Луна, Земля стала в значительной степени расплавленной. Однако наша планета могла быть расплавлена и до этого столкновения, в общем‑то большой разницы здесь нет, если только это не повлияло на сам процесс столкновения. Хотя последующие геологические процессы стерли все следы того расплавленного состояния Земли, есть доказательства того, что оно существовало на Луне, где можно найти остатки раннего океана магмы – океана расплавленных горных пород. Вопрос, был на Земле этот океан магмы или же нет, все еще открыт, но, учитывая драматический характер планетных столкновений и аккреции, магматическое начальное состояние – гипотеза, которая хорошо объясняет то, что произошло потом.

Многие крупные планетезимали, столкнувшиеся с аккрецирующей Землей, могли иметь собственные железные ядра. Возможно, на этих небесных телах было значительное количество свободного железа. Его тяжелые бесформенные сгустки провалились к центру Земли на ранней стадии ее формирования и образовали протоядро до столкновения, в результате которого образовалась Луна и которое способствовало накоплению большего количества железа в ядре при плавлении Земли (снова).

Получившийся в результате океан магмы мог составлять значительную часть всего объема Земли. Остывая и затвердевая, он продолжал разделять компоненты Земли, так как различные элементы смеси расплавленных горных пород, называемой магмой, затвердевают при разной температуре и по мере кристаллизации тонут и разделяются. Любой избыток железа, еще растворенного в магме, остался бы в расплавленном состоянии до конца (как и при формировании планетезималей), и в итоге, когда богатая железом магма стала бы достаточно тяжелой, спустился бы к ядру. Бóльшая часть затвердевшего слоя горных пород составила бы мантию, а более легкие компоненты в конечном итоге всплыли бы к поверхности, образовав тонкую земную кору. Океан магмы также мог разделиться пополам по мере затвердевания: более легкие расплавы остались бы в верхней части, более тяжелые, сжатые до высокой плотности в нижней части океана магмы, опустились бы к основанию мантии. Следы этого «нижнего океана магмы» сохранились до наших дней – сейсмологи до сих пор обнаруживают вкрапления магмы в нижней части мантии.

Если океан магмы действительно существовал, то затвердел он очень быстро (по крайней мере та часть, которая не ушла в нижнюю часть мантии). Это могло занять от нескольких десятков миллионов до нескольких сотен миллионов лет, по геологическим меркам – весьма быстро. Фактически с этого времени начинается геологическая история Земли, которая запечатлена в горных породах. Считается, что образование Солнечной системы произошло примерно 4,6 млрд лет назад, но эта информация получена по метеоритам, а не по горным породам Земли. Древнейшим породам на Земле всего около 4 млрд лет, вероятно, они сохранились с тех времен, когда океан магмы окончательно затвердел. (В некоторых местах Земли были найдены крошечные кристаллы циркона, которые на несколько сотен миллионов лет старше, но породы, в которых они содержатся, не такие старые.) Таких древних пород сохранилось очень мало, потому что бóльшая часть коры, которая поднялась к поверхности океана магмы, была размыта и «переварена» последующими геологическими процессами. Также возможно, что она была уничтожена астероидами, частые столкновения с которыми продолжались несколько сотен миллионов лет и прекратились около 4 млрд лет назад. Таким образом, 4 млрд лет назад фактически началась геологическая эра, называемая археем, в которой уже существовали современные горные породы и которая занимает огромный отрезок геологического времени (около 2 млрд лет из общих 4,6 млрд). Эра до архея, когда, вероятно, существовал океан магмы, называется катархей или гадей, в честь Гадеса (Аида), древнегреческого бога подземного царства.

После того как океан магмы окончательно остыл, Земля продолжала развиваться и остывать, хотя и более медленно, выделяя тепло в холодный вакуум космоса. Это развитие в значительной степени определялось и определяется мантией Земли. Мантия настолько огромна и малоактивна, что управляет не только процессом остывания планеты, но и ее геологическим развитием. Мантия осталась горячей со своих первых дней (после того, как затвердел океан магмы), но сейчас она представляет собой почти полностью твердое тело, за исключением нескольких небольших, но важных мест. Мантия все еще нагревается энергией, выделяющейся при распаде таких радиоактивных элементов, как уран, торий, а на ранней стадии – неустойчивого изотопа калия. Он быстро распадается, выделяя много тепла (калий распадается на аргон, который составляет важную часть элементного состава атмосферы в наши дни). Как вы помните, более тяжелые радиоактивные элементы уран и торий возникли в результате нейтронного захвата в процессе эволюции красных сверхгигантов. Внутри звезд этот процесс проходил медленно, но, как только произошла вспышка сверхновой, он стал быстрее. В любом случае мантия остается горячей и остывает, отдавая тепло в космос. Более половины ее тепла осталось со времен образования Земли и океана магмы, остальное получено от нагрева радиоактивными элементами.

Однако мантия не остывает как большое горячее статическое каменное тело – она очень медленно движется. Породы мантии, становясь рядом с более холодной поверхностью прохладными и тяжелыми, опускаются, а породы в нижней части мантии вблизи горячего ядра теплее и легче, поэтому они поднимаются. Этот процесс, при котором горячее вещество всплывает вверх, а холодное опускается вниз, называется тепловой (естественной) конвекцией, она широко распространена в природе – в земной мантии и океанах, в атмосферах планет и звезд, в чашке кофе. Конвекция управляет ураганами, грозами и океанскими течениями, она причина появления гранул на Солнце. Чтобы вещество могло двигаться под действием силы тяжести (которая делает горячее вещество легче, а холодное – тяжелее), оно должно обладать текучестью. Хотя мантия является твердой, а не жидкой, в течение очень долгого времени она ведет себя как флюид, подобно тому как перемещаются ледники – медленно, если они не тают, не разваливаются на части и не происходит обламывания льдов.

То, что твердые частицы ведут себя как флюиды, звучит как‑то нелогично, но, как уже говорилось в предисловии, я не пойду по пути наименьшего сопротивления. Вместо того чтобы снисходительно сказать «это слишком сложно», я попытаюсь объяснить, что к чему, простым языком. (Обратите внимание: слово «флюид» часто ошибочно используют как синоним слова «жидкость». Вещества могут быть твердыми, жидкими и газообразными, а также в состоянии плазмы, если их очень сильно разогреть. Но «флюид» не обозначает состояние вещества, это слово говорит о том, какой именно текучестью обладает вещество или как оно деформируется. Сюда также относятся другие способы деформации: упругость, пластичность, хрупкость и т. д. Твердое вещество может действовать как флюид, когда ледники и мантии деформируются, а газ и жидкость могут действовать как упругие вещества, когда через них проходят звуковые волны.)

Представьте банку, которая на четверть заполнена разноцветными шариками‑марблами или, если хотите, шариками из подшипников. Если шарики хорошо уложены на самое дно банки и пребывают в состоянии покоя, они выстраиваются в идеальные ряды, плотно прилегая друг к другу. Как правило, каждый шарик лежит в углублении, образованном другими шариками под ним. Это похоже на поведение атомов твердого вещества – атомы также имеют строгую структуру и обычно не двигаются (если оставить их в состоянии покоя). Если начать трясти банку так, чтобы шарики смещались и сталкивались друг с другом, это будет похоже на то, как ведет себя жидкость: атомы движутся, но все еще находятся в контакте друг с другом. Если же мы начнем трясти банку изо всей силы, шарики начнут хаотично подпрыгивать внутри нее и заполнят весь объем: по сути, они ведут себя как газ, атомы которого движутся хаотично, заполняют объем, отражаясь от стенок контейнера и редко встречаясь друг с другом. Но вернемся к находящейся в покое банке с «твердым» слоем шаров. Немного наклоним ее – плотно лежащие шары не сдвинутся с места. Если мы продолжим наклонять банку, то некоторые шары покинут занятые ими углубления и займут другие ниши внизу. Мы увидим медленное движение шариков из одного углубления в другое – так, чтобы слой постепенно перетекал и приспосабливался к наклону, но бóльшую часть времени (т. е. в долгих интервалах между тем, как каждый шарик перемещается на новое место) по‑прежнему оставался «твердым». В настоящих твердых телах двигающиеся атомы покидают свое положение между другими атомами и занимают новое устойчивое положение в атомарной структуре. Горные породы в мантии двигаются в условиях механического напряжения (растяжения и сдавливания) и под действием силы тяжести, перемещающей легкие и тяжелые породы. Но мантия движется невероятно медленно. Прибегнем к такому сравнению: она движется примерно с той же скоростью, с какой растут ногти у вас на руках: вам не слишком‑то хочется рассматривать, как они растут (разве что от скуки), но вы знаете, что они растут.

Пусть это так же скучно, как наблюдать за ростом ногтей, но тем не менее это важно, потому что медленная конвекция твердой земной мантии управляет всеми процессами, происходящими в Земле. Как мы увидим далее, конвекция является причиной движения тектонических плит и, следовательно, причиной землетрясений, вулканов, горообразования и т. д. Конвекция мантии также устанавливает медленный темп остывания нашей планеты, в процессе которого она отдает свое тепло в космос, ведь Земля не может терять тепло быстрее, чем мантия. Конвекция является одним из способов, с помощью которого флюиды избавляются от тепла, поглощая холодное вещество около поверхности и смешивая его с горячим веществом внизу (представьте себе кубики льда, брошенные в горячий чай). Также в результате конвекции горячее вещество из нижних слоев поднимается к более холодной поверхности, где быстрее теряет тепло. Мантия охлаждается именно таким образом: быстрее, чем если бы она представляла собой большой статичный монолит из горных пород, но постепенно из‑за того, что мантия движется очень медленно. Это означает, что мантия перемещает литосферные плиты на протяжении миллиардов лет, и это движение плит необходимо нам, потому что оно поддерживает стабильный климат на Земле и способствует сохранению жизни – но об этом поговорим чуть позже.

Медленное охлаждение мантии не позволяет ядру Земли остывать слишком быстро, и оно по‑прежнему большей частью находится в расплавленном состоянии. Мы уже говорили, что сейсмологи смогли по сейсмическим волнам определить, что основная часть ядра является жидкой, хотя внутри его содержится твердое внутреннее ядро, которое медленно остывает и твердеет. Жидкое внешнее ядро, расположенное вокруг затвердевающего внутреннего, является текучим, а поскольку оно состоит из железа, то может проводить электрический ток. Текучесть внешнего ядра обеспечивается конвекцией, вызванной охлаждением ядра, и вращением Земли. Движение этого электрического проводника в слабом магнитном поле, создаваемом магнитным полем Солнца, создает электрические токи по принципу работы электрогенератора (вращение проволочной катушки в магнитном поле вызывает электрический ток). Затем эти электрические токи генерируют собственное магнитное поле. Все магнитные поля без исключения вызваны движением электрических зарядов либо свободными электронами, текущими в электрических проводниках, например в проводах, или связанными электронами, вращающимися вокруг атомного ядра (благодаря чему магниты прикрепляются к дверце холодильника). Электрические токи и связанное с ними магнитное поле, генерируемое в ядре, стало достаточно сильным и организованным, чтобы поддерживать общее магнитное поле Земли.

Земля обладает чрезвычайно сильным магнитным полем для такой маленькой планеты, гораздо более сильным, чем у других планет земной группы. Поле Земли хорошо структурировано, преимущественно как стержневой магнит с «северным» и «южным» полюсами. У Венеры, мнимого близнеца нашей планеты, своего магнитного поля нет. В коре Луны и Марса встречаются участки намагниченных пород, возможно, у них когда‑то были свои собственные магнитные поля, но сейчас их нет. Меркурий обладает крупным железным ядром, являющимся источником дипольного магнитного поля, похожего на земное, но значительно более слабого. И только газовые гиганты и планеты‑океаны во внешней области Солнечной системы имеют сильные магнитные поля, самым мощным полем обладает – вот сюрприз – Юпитер.

Магнитное поле Земли проходит через верхние слои атмосферы и даже достигает Луны (благодаря солнечному ветру, «обтекающему» поле Земли таким образом, что оно становится похоже на кита с длинным хвостом). Поле защищает нас и нашу атмосферу – о чем пойдет речь в следующей главе – от заряженных частиц солнечного ветра и от солнечных вспышек. Магнитное поле удерживает эти частицы высоко над атмосферой в регионах, называемых радиационными поясами Ван Аллена, которые расположены вокруг Земли. Пояса действуют как «магнитные бутылки»: когда после солнечных вспышек и геомагнитных бурь в них накапливается слишком много заряженных частиц, они «изливают» эти частицы в верхние слои атмосферы вблизи Северного и Южного полюсов, вызывая полярные сияния. Магнитное поле Земли, вопреки тому что утверждается в голливудских фильмах, не защищает нас от незаряженных частиц и излучения, например микроволнового.

Магнитное поле Земли создается в жидком ядре – эта идея исходила из того, что геомагнитное поле зарождается внутри Земли (это установил в начале XIX в. немецкий математик Карл Фридрих Гаусс), но перемещается гораздо быстрее, чем геологические процессы передвигают вещество в мантии (и чем растут ваши ногти). Геомагнитное поле схоже с полем обычного магнита (минерала магнетита, свойства которого обусловлены его кристаллическим строением), однако его источник – не постоянный магнит, ведь земная мантия и ядро слишком горячи, чтобы превратиться в намагниченные минералы и железо. Магнитное поле Земли от десятилетия к десятилетию и от века к веку смещается (это заметил в конце XVII в. Эдмунд Галлей, чьим именем названа знаменитая комета), а каждые несколько сотен тысяч лет резко меняет направление: происходит инверсия северного магнитного полюса на южный. Такой процесс в недрах Земли должно создавать что‑то большое, подвижное и электропроводящее (о чем догадывался еще Галлей), и единственным претендентом на эту роль является жидкое внешнее железное ядро. Однако лишь в последние 20 лет с помощью компьютеров удалось смоделировать механизм генерации магнитного поля Земли (геодинамо).

Многие детали этой теории все еще вызывают споры. Например, до конца не известно, чтó является источником энергии геодинамо. Тепловая конвекция? (Действительно, на границе ядра и мантии жидкое железо, остывая, становится тяжелее и опускается.) Но железо отлично проводит тепло, конвективные потоки легко смещаются, и тепловая конвекция кажется слишком слабым источником энергии.

По другой теории, конвекция обусловлена различным химическим составом ядра Земли. Считается, что жидкое внешнее ядро состоит из смеси железа, никеля и небольшого количества легких элементов, таких как сера. Когда этот расплав застывает на границе внешнего и внутреннего ядер, легкие элементы растворяются в нем, расплав становится чрезвычайно плавучим и быстро поднимается со дна к верхней части внешнего ядра, создавая конвективное движение и питая геодинамо. Отсутствие магнитного поля у Венеры может быть связано с более высокими температурами на этой планете, горячие мантия и ядро которой не позволяют остыть внутреннему ядру. Это укрепляет предположение, что механизм геодинамо вызывается химической конвекцией, связанной с кристаллизацией внутреннего ядра. В принципе есть и другие потенциальные источники энергии для геодинамо, вопрос, какой из них является главным, нам еще предстоит прояснить.

Но вернемся к поверхности Земли и к вопросу о происхождении земной коры и континентов. Кора планеты обычно формируется из самых легких расплавов, которые остывают, поднявшись на поверхность. Когда на Земле существовал океан магмы, самые легкие вещества именно так образовали тонкую кору. Но, вероятно, от нее мало что сохранилось до наших дней. Расплав, поступающий из мантии (или океана магмы) на поверхность планеты, представляет собой жидкую текучую лаву – базальт. Лучший пример – лава гавайских вулканов, образующих базальт и в наши дни. Гавайские острова сформировались (а некоторые все еще формируются) над необычно горячей областью земной мантии, называемой «горячей точкой». Эту точку, по всей видимости, создает горячий конвективный апвеллинг, он же мантийный плюм, который поднимается по всей площади мантии с нижней ее части, расположенной вблизи горячего железного ядра. В глубине мантии плюм остается твердым, а по мере приближения к поверхности частично плавится (на 10–20 % или больше), поскольку плавление легче происходит при низком давлении. Плавящееся вещество выходит на поверхность планеты уже в виде базальта. Гавайский плюм выбрасывает его так много, что образует огромные вулканические острова (по сути это щитовые вулканы – широкие и с пологими склонами). На других планетах земной группы также есть базальтовая кора, возможно созданная таким же образом, – к примеру, гора Олимп на Марсе выглядит, как гигантский щитовой вулкан.

Вместе с тем огромное количество базальтовой коры Земли образуется без участия наземных вулканов – вдоль длинных поясов подводных горных хребтов, называемых срединно‑океаническими. Они опоясывают Землю, как швы на бейсбольном мяче. Правда, швы это никудышные, именно в этих местах дно разрывается, и из мантии поднимаются потоки базальтовой лавы, застывая и формируя новые участки океанической коры. Этот процесс называется растеканием (спредингом) морского дна, и его открытие привело к появлению революционной теории тектоники литосферных плит.

Растекание морского дна предсказал геофизик Гарри Хесс в начале 1960‑х гг., а вскоре Фредерик Вайн, Драммонд Мэтьюз и Лоуренс Морли открыли это явление. Базальты срединно‑океанических хребтов содержат магнитные минералы. Растекаясь и застывая, они «записывают» направление магнитного поля Земли – как металлическая стружка на листе бумаги показывает линии магнитного поля подложенного магнита. Как мы уже говорили, геомагнитное поле нашей планеты периодически меняет свое направление, и по мере растекания дна эти инверсии фиксируются в базальте как на телеграфной ленте или магнитофонной пленке (не самые популярные в наши дни носители, но ни современные флеш‑накопители, ни компакт‑диски явно не подходят для этой аналогии). Таким образом, параллельно срединно‑океаническим хребтам образуются полосы магнитных аномалий, показывающие, когда геомагнитное поле было направлено вверх или вниз, а это означает, что морское дно двигалось наружу во время «записи» этих событий (следовательно, можно выяснить, как быстро оно перемещалось).

Открытие растекания морского дна стало, по мнению большинства геологов, началом революционных открытий в геологии. Идея о том, что поверхность Земли подвижна, обсуждалась с 1920–1930‑х гг. Вначале возникла теория дрейфа материков. Предложенная немецким метеорологом Альфредом Вегенером, эта гипотеза утверждала, что континенты перемещаются подобно айсбергам, пробиваясь сквозь океаническую кору (впоследствии было доказано, что это невозможно). Сформулированная позже теория тектоники плит утверждает, что вся поверхность планеты разделена на гигантские фрагменты‑пазлы, которые находятся в постоянном движении относительно друг друга, а встроенные в эти пазлы континенты лениво движутся вместе с ними. Гигантские куски пазлов называются литосферными плитами, из них выделяют восемь крупных, например Тихоокеанскую плиту (самую большую), и небольшое количество более мелких.

Литосферные плиты, как фрагменты пазла, раскалывают верхний каменистый слой Земли, при этом плиты движутся относительно друг друга. На рисунке изображены основные литосферные плиты, стрелки указывают направления их движения. Взаимные движения плит определяют типы их границ: дивергентные (см. расширяющийся Срединно‑Атлант ический хребет между Евразийской и Северо‑Американской плитами), конвергентные (например, столкновение Индостанской и Евразийской плит, в результате которого сформировались Гималаи) и трансформные (например, разлом Сан‑Андреас на Западном побережье США, между Тихоокеанской и Северо‑Американской плитами). Там, где плиты сходятся в зоны субдукции, происходит погружение более старых и холодных плит в нижележащую мантию, что охлаждает ее. Это одна из форм мантийной конвекции. (Схема предоставлена Полом Весселом из Гавайского университета в Маноа.)

Многие ученые внесли свой вклад в уточнение теории тектоники плит, математическая модель, описывающая их движение, была предложена Дэном Маккензи и Джейсоном Морганом. Однако до сих пор остается загадкой, почему на Земле, в отличие от других планеты земной группы, вообще происходит тектоника плит.

Тектонические плиты – это прочные твердые блоки холодной породы толщиной до 100 км (при этом у них слабые края). Плиты непрерывно скользят (в геологическом масштабе времени; в масштабе времени человека скольжение может принимать форму землетрясений), благодаря чему происходит их движение. Как уже было сказано, там, где происходит растекание морского дна, эти фрагменты пазла раздвигаются. Но если плиты расходятся друг от друга в одной зоне, значит, в другой их противоположные края будут сближаться. Регионы, где это происходит, называются зонами субдукции. В частности, плита, сдвигающаяся от другого блока земной коры, обычно противоположным краем сталкивается с третьей плитой и погружается под нее. Процесс погружения одной плиты под другую называется субдукцией. Эти зоны хорошо прослеживаются в самых глубоких желобах океана, таких как Марианская впадина, где океанское дно проваливается вниз под весом погружающихся плит. Все это движение не случайно: насколько об этом можно судить с поверхности, оно является проявлением конвекции мантии Земли. Литосферная плита опускается, потому что остывает, удаляясь от горячего места растекания морского дна, где была создана. В конце концов она становится холодной и достаточно тяжелой, чтобы погрузиться под медленно двигающуюся мантию, при этом охлаждая ее. Таким образом, субдукция (погружение одних участков земной коры под другие) эквивалентна холодному и тяжелому конвективному даунвеллингу (опусканию слоев вещества).

Геофизики (и я в их числе) полагают, что субдукция – это не только проявление конвекции земной мантии, но и главная движущая сила тектоники плит. Холодная, погружающаяся часть плиты (слэб) остужает мантию благодаря конвекции и в то же время тянет заднюю часть плиты на поверхность. Это подтверждается тем фактом, что плиты с обширными зонами субдукции на краях самые быстрые. Есть целый ряд плит, которые практически не имеют зон субдукции и движутся гораздо медленнее: по всей видимости, их просто толкают погружающиеся плиты. Самая крупная литосферная плита – Тихоокеанская – обладает самым большим количеством зон субдукции и быстро перемещается, примерно на 10 см в год.

Зоны субдукции также являются областями, где происходят наиболее сильные и разрушительные землетрясения. Землетрясения случаются и в районе срединно‑океанических хребтов, но они незначительны. Подводные хребты также производят большую часть лавы, но она жидкая и легко течет. Там, где плиты не расходятся в разные стороны и не сближаются, а «скользят» одна рядом с другой (как, например, в разломе Сан Андреас и Анатолийской зоне разломов), землетрясения происходят значительные, но не разрушительно сильные. Также в этих зонах практически отсутствует вулканизм, так как движение там не связано с поднятием горячей породы мантии к поверхности. Однако погружающаяся плита задевает край верхней плиты и тянет ее вниз, сгибая в форме лука. Когда сила трения между этими плитами уже не может выдержать напряжение, верхняя плита распрямляется обратно вверх, «выстреливает», порождая сильнейшие землетрясения и зачастую цунами.

А еще в зонах субдукции активно извергаются вулканы, несмотря на то что эти зоны находятся там, где происходит погружение холодных плит. Что же заставляет расплавленные горные породы подниматься к поверхности, создавая вулканы? Образование вулканов в этих областях – ключ к пониманию того, откуда вообще берется бóльшая часть континентальной коры. В самом деле, на других известных нам планетах нет тектоники плит и континентальной коры.

Процесс плавления в зонах субдукции сложнее, чем в срединно‑океанических хребтах или таких горячих точках, как Гавайи. Ни в одном из этих случаев плавление не вызвано тем, что порода становится горячее (что мы обычно представляем себе, когда думаем о плавлении льда или воска). На срединно‑океанических хребтах и в горячих точках породы мантии Земли плавятся, потому что поднимаются к зонам более низкого давления, которое облегчает процесс плавления. В зонах субдукции плавление облегчает вода. Литосферные плиты, входящие в зону субдукции, как правило, находились под водой от десятков до нескольких сотен миллионов лет. Извергающаяся в районе срединно‑океанических хребтов лава вступает в реакцию с водой и создает гидратированные минералы (породы, содержащие воду или водород), такие как амфиболы и серпентин. Осадочные отложения, смываемые с континентов (которые, как принято считать, тогда еще не образовались) и опускающиеся на дно океана, также вбирают воду (и углерод, что мы обсудим позже). Когда плита достигает зоны субдукции, значительная часть ее тонкой коры содержит гидратированные минералы и большинство их погружаются в зону субдукции вместе с остальной частью плиты, хотя многие осадочные отложения откалываются и скапливаются на поверхности. Когда эти минералы погрузятся примерно на 100 км в глубь мантии, температура и давление становятся слишком высокими, чтобы они могли остаться гидратированными, поэтому минералы испускают воду – в сущности, она просто выпаривается и просачивается из верхней части погружающейся плиты или слэба в более горячую мантийную породу, которая становится гидратированной. Гидратированные мантийные горные породы плавятся легче, чем сухие, так как водород ослабляет минеральные связи, и поэтому даже при «скромных» температурах рядом с холодным погружающимся слэбом увлажненная мантия становится достаточно горячей, чтобы расплавиться. Это не совсем горячий мантийный расплав, тем не менее он поднимается к поверхности и похож на жидкую базальтовую лаву, хотя и холоднее, чем гавайские лавы. Достигнув поверхностных слоев земной коры, он будет плавить части, которые легко поддаются плавлению, т. е. могут быть расплавлены путем «прохладного мокрого» плавления. Такие легко плавящиеся горные породы, как правило, богаты диоксидом кремния (кремнекислородными молекулами или силикатами). Они плавятся и отделяются от остальной части коры. Наиболее богатой кремнием магмой является гранит – типичный продукт такого «холодного» плавления.

Первое субдукционное плавление на ранней Земле могло создать лишь немного гранита из существовавшей тогда тонкой океанической коры. Даже плавление современной океанической коры не дает большого количества гранита или похожих на него горных пород. Образующиеся при этом островодужные системы вулканов вблизи океанских хребтов, например на Антильских и Алеутских островах, могут иметь много первоначальной базальтовой магмы, перетекшей из земной мантии. (Термин «островодужные» используется потому, что зоны субдукции имеют форму сегментов круга.) Но так как все больше гранитной породы появлялось путем непрерывной плавки и переплавки коры, а также потому, что гранит слишком легок, чтобы погружаться в мантию, он накапливался возле зон субдукции, как плавающие игрушки собираются возле слива ванны. Постепенно гранитная порода собиралась в груды земной коры, которая становилась все толще и в конечном итоге образовывала континентальную кору. Кроме того, субдукционные процессы под континентами вызывают движение расплавов мантии к толще земной коры, где происходит еще большее плавление и отделение богатых диоксидом кремния пород, из‑за чего образуется еще больше гранита. Хотя породы, богатые диоксидом кремния, плавятся легко, они очень толстые и вязкие, хотя и менее плотные, и потому их перемещение затруднено. Также они держатся за свои газовые пузырьки (образованные в основном из воды, которая способствовала плавлению мантии), отделившиеся от магмы при подъеме к зонам низкого давления (похожий процесс происходит, когда вы открываете бутылку газировки). Поэтому обычно созданные из такой магмы вулканы (чаще всего это вулканы континентальных дуг) выше и круче, так как толстой и вязкой магмы накапливается больше, прежде чем она растечется. Кроме того, они создают гораздо большее давление газа перед извержением, отчего извержения этих вулканов особенно сильные. Хотите верьте, хотите нет, но именно благодаря процессу «мокрого плавления» в зонах субдукции появились континенты нашей планеты.

В общей сложности для формирования континентов Земли потребовалось около 2 млрд лет. В это время медленно отделялись от мантии и плавились силикатные и гранитные породы. Периодически континенты собирались в гигантские пласты толстой коры, потом эти суперконтиненты из‑за движения литосферных плит распадались на фрагменты размером с обычные континенты, а через несколько сотен миллионов лет вновь объединялись. Цикл образования и распада суперконтинента называется циклом Уилсона (в честь канадского геолога Тузо Уилсона). Последним суперконтинентом была Пангея, которая начала распадаться около 200 млн лет назад, о чем можно судить по разлому в Атлантическом океане вдоль Срединно‑Атлантического хребта (центра растекания морского дна). Это объясняет, почему очертания восточного побережья Северной и Южной Америки совпадают с западными побережьями Евразии и Африки.

Для образования наших континентов были необходимы два условия: тектоника плит и вода в состоянии жидкости – много воды, чтобы минералы морского дна могли гидратироваться (присоединять молекулы воды). Оба этих условия являются уникальными для Земли, и, вероятно, одно не может существовать без другого. И тектоника плит, и вода в фазе жидкости (как мы увидим в следующих главах), вероятно, необходимы для того, чтобы стабилизировать климат на Земле на долгий геологический период времени. Это, в свою очередь, будет поддерживать температуры на поверхности планеты достаточно ровными, чтобы вода могла существовать в жидком виде. Точно так же вода (или, по крайней мере, прохладный климат), вероятно, была нужна для тектоники плит. Похоже, тектоника плит, вода и умеренный климат нуждаются друг в друге и являются взаимозависимыми.

Насколько необходима вода или прохладный климат для тектоники плит? Ученые об этом до сих пор спорят. Например, скользкие отложения и гидратированные расплавы в зонах субдукции могут сохранять субдукцию гладкой и текучей. Но более прохладный климат Земли также помогает сохранять края литосферных плит мягкими, гибкими и скользкими. Трудно представить, что вода увлажняет границы плит по всей их 100‑километровой толщине, вряд ли она может достигнуть зон с таким высоким давлением. Что‑то еще должно делать плиты скользкими на таких глубинах. Горные породы, возникающие вблизи «быстро» деформирующихся границ плит, часто имеют необычные свойства, например минералы или минеральные зерна чрезвычайно малого размера (такие породы называются меланитами). Возможно, именно эти крошечные зерна, разрушаясь при трении, делают горные породы мягче и облегчают скольжение границ плит. Тем не менее минеральные зерна, находясь в состоянии покоя, также имеют тенденцию к медленному росту (по аналогии с пузырьками, возникающими в пене). Это помогает восстанавливать и укреплять горные породы, а такое восстановление происходит быстрее при высоких температурах. Возможно, прохладная поверхность Земли не только делает возможным существование океанов, но и предотвращает восстановление поврежденных границ литосферных плит. На Венере, поверхность которой намного более горячая, восстановление будет проходить быстрее, а повреждения будут слабее, поэтому границы плит вряд ли сохранились бы. Возможно, это объясняет, почему на планете – сестре Земли, похоже, нет тектоники плит. Но если говорить начистоту, гипотеза «разрушения и восстановления», объясняющая природу тектоники плит, является предметом исследований автора этой книги и потому не лишена доли предвзятости.

Если тектоника плит, океаны и умеренный климат зависят друг от друга, возникает вопрос, подобный загадке о курице и яйце: что же появилось раньше? Это «вопрос на миллион» в науках о Земле, не дешевый, конечно, вопрос, но и не такой дорогой, как Большой взрыв, который можно оценить в триллионы долларов. Чтобы ответить на него, мы должны знать, когда – если даже не знаем как – возникла тектоника плит и океаны. Есть привлекательные, но далекие от окончательных предположения, которые могут дать ответ на этот вопрос.

В последнее десятилетие мы стали свидетелями открытия очень древних крошечных минералов циркона (тип кристалла) возрастом 4,4 млрд лет, собранных в основном лишь в австралийской местности Джек Хиллс. Эти кристаллы, по всей видимости, образовались в гранитах. Поскольку большинство гранитов образуются за счет плавления гидратированных горных пород, само их наличие означает, что вода и процессы субдукции (и, следовательно, что‑то вроде тектоники плит) уже существовали в то давнее время. Мы не знаем, что появилось раньше, возможно, они появились одновременно. Возможно, если бы они не появились одновременно, то не появились бы вообще никогда. Тем не менее есть вероятность, хотя и весьма низкая, что граниты формировались другими способами. Можно неоднократно переплавлять горные породы, например беспрестанно изливая на нее горячую лаву гавайского типа. Вопрос, что появилось раньше, тектоника плит или вода, все еще открыт. Тем не менее мы рассмотрим его в следующих главах.

Рассматривая образование континентов, на которых мы с вами живем, нам пришлось заглянуть внутрь Земли и понять, как она движется. При этом мы обнаружили еще две большие странности Земли в дополнение к нашей странной Луне. Во‑первых, вероятно, все планеты земной группы имеют мантии, поддерживающие тепловую конвекцию, но только на Земле она проявляется в виде тектоники плит, которая вызывает разрушительные землетрясения и извержения вулканов, выносит мантийные горные породы (магму) на поверхность и уносит обратно в мантию поверхностный материал, например воду и (мы еще поговорим об этом) углекислый газ. Насколько нам известно, на других планетах земной группы обмен идет односторонний, они просто извергают магму на поверхность с помощью вулканов. Во‑вторых, у Земли есть сильное магнитное поле, которого нет ни у одной другой планеты земной группы, по крайней мере такого же, как у нас (спорное исключение – Меркурий). Наше магнитное поле проходит через верхние слои атмосферы, но, что удивительно, создается в естественном «генераторе» из жидкого железа, находящегося в центре нашей планеты. По внутренней структуре и составу Земля и Венера не слишком отличаются. Даже размеры этих двух планет почти одинаковы. Однако условия на Земле и Венере – их орбитальное расположение относительно Солнца или, возможно, тот факт, что одна из планет‑сестер испытала столкновение с объектом, в результате которого образовалась Луна, а другая нет, – складывались совершенно по‑разному. Только на Земле появились магнитное поле, тектоника плит, вода в фазе жидкости и жизнь.

5. Океаны и атмосфера

Жизнь состоит из веществ, которые в основном обнаруживаются в разреженной прослойке газов и водяного пара на поверхности нашей планеты. Мы представляем собой углеродную форму жизни, состоим в основном из воды и очень зависим от растений, которые преобразуют углекислый газ и воду в сахарозу. Но в жизни есть вещи и посерьезнее сахарозы (а может, и нет, зависит от того, насколько вы любите сахар), и вскоре мы рассмотрим это подробнее. А для начала давайте зададимся вопросом, откуда вообще взялась эта оболочка из газа и воды. Судьба атмосфер (и, вероятно, океанов) планет земной группы была предопределена, когда Протосолнце создало планеты внутренней области Солнечной системы слишком горячими, чтобы на них могла конденсироваться жидкость из протосолнечного газового диска (см. главу 3). Внешняя область Солнечной системы, за пределами снеговой линии, сохранила много льда, жидкостей и таких газов, как водород и все, что может быть из него получено (например, вода, метан и аммиак). Внутренняя Солнечная система осталась с кучей «камней» и без каких‑либо предпосылок к образованию где‑либо существенной атмосферы. Однако в наши дни Венера имеет массивную атмосферу, у Земли она тоже достаточно плотная, а атмосфера Марса хоть и разреженная, но все же существенная (вот, например, Меркурий обладает слишком разреженной атмосферой, чтобы о ней упоминать). Откуда же взялись атмосферы у планет земной группы?

Имелись две точки зрения (хороший способ заменить оборот «шли бурные дебаты») на эту проблему. Одна из теорий, так называемая гипотеза позднего вмешательства, исходит из того, что поверхности Земли и других планет земной группы были подвержены сильным бомбардировкам астероидами, приходящими по эксцентричным орбитам из внешней области Солнечной системы. Эту эпоху (около 4 млрд лет назад) называют поздней тяжелой бомбардировкой (возможно, вызванной миграцией гигантских планет, см. главу 3), и эта бомбардировка должна была начисто смести все атмосферы. Состав существующих сейчас атмосфер и океанов мог образоваться только после этого разрушительного события, в результате которого из внешней области Солнечной системы вместе с астероидами были доставлены летучие (легко испаряющиеся) компоненты, такие как лед, углекислый газ и др. (В главе 3 говорилось о двух больших областях скопления комет в Солнечной системе – поясе Койпера прямо за орбитой Нептуна и расположенном очень далеко облаке Оорта.) Таким образом, внешний слой атмосферы был образован поздно.

Сторонники другой теории утверждают, что атмосфера и океаны образовались из самой планеты, и эта теория имеет менее привлекательное название – эндогенное происхождение, т. е. атмосфера образовалась на Земле без влияния извне. (Таким образом, теория позднего внешнего вмешательства может быть названа экзогенной.) Как мы уже говорили, вода может содержаться в гидратированных минералах поверхностных горных пород, а углекислый газ – в породах, называемых карбонатами, обычно встречаемых в форме известняка или мела. Большинство мантийных пород также могло присоединять воду и углекислый газ в различные гидратированные или карбонизированные формы, но в очень малых количествах; в большинстве своем эти породы могут поглощать летучие вещества в размере лишь доли процента от своего веса. Тем не менее мантийным породам не нужно было много воды, чтобы образовать океаны нашей планеты. Масса океанов Земли составляет в общей сложности около 0,03 % от всей массы мантии (масса атмосферы ничтожна по сравнению с океанами), и можно было бы спрятать наши океаны в мантии несколько раз, а горные породы даже не стали бы мокрыми (может быть, слегка влажными). Даже слегка увлажненные и карбонизированные породы астероидов и планетезималей, которые сформировали нашу планету, похоронили бы эти компоненты глубоко внутри Земли, поскольку она увеличивалась. Таким образом, мантия могла бы сохранить достаточное количество воды и двуокиси углерода, чтобы в конечном итоге эта вода вышла наружу, образовав океаны и атмосферу.

Но каким образом вода и углекислый газ смогли попасть на поверхность Земли, если они находились глубоко внутри планеты? Во‑первых, если океан магмы действительно существовал, что кажется вполне правдоподобным, то при его кристаллизации было бы выделено значительное количество летучих газов, таких как вода и углекислый газ. Можно предположить, что первоначально океан магмы содержал в себе летучие вещества из исходных строительных блоков планет, например хондритов. Если бы весь океан магмы единовременно остыл, летучие вещества остались бы растворенными в конечной твердой мантии в малых концентрациях и при этом были бы широко распространены. Однако океан магмы должен был представлять собой смесь различных компонентов, одни из которых остывали быстрее, чем другие. Жидкие части, которые застывали медленнее, сохраняли все большее количество воды и углекислого газа, так как жидкости растворяют гораздо больше этих летучих веществ, чем кристаллизующиеся вещества. (Хорошим примером того, что жидкости лучше растворяют большинство химических веществ, служит вода – она растворяет соль намного эффективнее льда, даже в морском льду соли почти нет.) К тому моменту, когда океан магмы окончательно остыл, остатки расплава содержали много летучих веществ. Легкие расплавы поднялись к поверхности, более глубокие и более плотные ушли вниз, сформировав нижний слой океана магмы (этот процесс описывался в главе 4). Так как плавучие жидкости поднимаются к зонам более низкого давления, они начинают хуже растворять летучие вещества и потому высвобождают их (вот почему бутылка газировки шипит, когда вы открываете крышку и давление падает: углекислый газ внезапно становится нерастворимым и создает пузыри). Последние плавучие расплавы в остывшем океане магмы вначале накопили бы, а затем выпустили много воды и углекислого газа, высвобождая их в виде газа на поверхность планеты и, вероятно, делая это довольно быстро (по геологическим меркам).

Весьма вероятно, что благодаря затвердению океана магмы образовалась бóльшая часть первоначальной воды и состоящей из углекислого газа атмосферы, однако мантия продолжала медленно выделять газы и воду даже после того, как затвердела. Даже если бы океана магмы не было, из мантии все равно просочились бы вещества, из которых впоследствии образовалась ранняя атмосфера, просто этот процесс был бы более продолжительным. Мы уже упоминали, что в твердой мантии процессы конвекции протекают медленно и, по мере того как горячие поднимающиеся горные породы приближаются к поверхности и входят в зоны более низкого давления, они плавятся легче (хотя ненамного, возможно, на десятые доли процента). Этот расплав остается на поверхности, образуя кору, почти всегда океаническую. Как отмечалось выше, когда расплав только формируется, он намного лучше твердой породы растворяет летучие вещества, такие как вода и углекислый газ. Таким образом, когда мантия плавится, вода и углекислый газ, растворенные в горных породах, стремительно переходят (если позволите так выразиться) в расплав, который наполняется этими летучими веществами. Поднимаясь к поверхности Земли, расплав входит в зоны более низкого давления и, как откупоренная бутылка газировки, начинает выпускать газ. Именно это заставляет вулканы извергаться – быстрое высвобождение воды и углекислого газа в поднимающейся магме. Застывая на поверхности Земли или вблизи нее, магма уже не может растворять газ, и оставшаяся часть газа высвобождается. Суть в том, что небольшое количество расплава твердой мантии вбирает в себя эти газы и доставляет их на поверхность, это происходит исключительно за счет всевозможных форм вулканизма – от мощных извержений вулканов до мирного выброса лавы глубоководными центрами спрединга. Что бы ни было причиной – океан магмы и/или вулканизм, не требуется много расплава, чтобы извлечь летучие вещества из гигантской мантии для создания океанов и атмосферы.

Какая же гипотеза происхождения атмосферы верна – эндогенная или экзогенная? В естественных науках редко удается дать четкий однозначный ответ. Лучшим ответом, вероятно, будет то, что вода и другие летучие вещества попадали в атмосферу Земли, вероятно, обоими путями. Но какой путь – эндогенный или экзогенный – имел большее значение? Один из основных аргументов против экзогенной гипотезы (гипотезы позднего вмешательства) состоит в том, что химический состав комет (его можно измерить с помощью телескопов по спектру отраженного от комет света, а иногда и напрямую, с помощью космических аппаратов) отличается от того, что содержат океаны Земли. Наиболее очевидным признаком является соотношение количества дейтерия (тяжелого водорода с одним протоном и одним нейтроном в ядре) и обычного водорода (у которого в ядре только один протон). Это отношение обычно значительно больше на кометах, чем на Земле (т. е. на кометах больше дейтерия). Диапазон этого соотношения для комет, однако, довольно широк и превышает значения Земли не намного, так что это нельзя считать явным аргументом в пользу данной теории. Тем не менее другие подобные соотношения, например между изотопами азота, показывают, что их количество у комет и у Земли очень различается. В то же время химические и изотопные составы метеоритов из пояса астероидов, а именно хондритов, совпадают с земными. Таким образом, изотопные доказательства в целом указывают на то, что океан и атмосфера не «доставлены с запозданием» из космоса, а зародились внутри Земли и попали на поверхность в ходе ее аккреции хондритовыми строительными блоками. Кроме того, гипотеза позднего внешнего вмешательства основана на идее, что тяжелая метеоритная бомбардировка должна была уничтожить атмосферу не раньше чем 4 млрд лет назад (или даже немного позже). Но австралийские цирконы, которые мы упоминали выше, позволяют сделать вывод, что вода в состоянии жидкости уже имелась на поверхности Земли более 4 млрд лет назад, несмотря на горячую и враждебную окружающую среду.

Учитывая все имеющиеся на сегодняшний день доказательства, можно сделать вывод, что атмосферы на Земле появлялись в основном путем дегазации, т. е. «просачивались» изнутри нашей каменистой планеты при затвердевании океана магмы, а затем и во время вулканической активности или при обоих процессах сразу. Первичная атмосфера Земли не имела ничего общего с сегодняшней атмосферой: если ее образовал вулканический газ, она должна была состоять, главным образом, из углекислого газа и воды.

И углекислый газ, и вода являются парниковыми газами: они пропускают видимый свет от Солнца, который согревает землю; тепло от земли исходит в виде инфракрасного излучения, которое поглощается парниковыми газами, как одеяло нагревающими поверхность нашей планеты. При большом количестве углекислого газа и воды в атмосфере Земли могло скопиться много тепла, поэтому было очень жарко – температура поверхности, возможно, превышала 200–300 °С, что весьма отличается от современных 15 °С. Похожая по размеру и химическому составу на Землю, Венера могла бы иметь такой же состав атмосферы, но она расположена немного ближе к Солнцу, на ней намного более сильный парниковый эффект, и ее поверхность была еще горячее. Венера все еще близка к тому состоянию, имея температуру поверхности около 500 °С. Изначально на Земле и на Венере было примерно одинаковое количество углекислого газа в атмосфере и, возможно, воды. В наши дни массивная атмосфера Венеры все еще содержит большую часть того углекислого газа, а давление на ее поверхности в 90 раз больше, чем на Земле. (На Земле, чтобы испытать давление в 90 атм, нужно опуститься на подводной лодке на глубину 1000 м). Вероятно, в атмосфере Земли было почти такое же содержание углекислого газа, эквивалентное по меньшей мере давлению в 60 атм. Однако сейчас на Земле и Венере наблюдаются совершенно разные условия.

Сейчас на поверхности Венеры или в ее атмосфере почти нет воды. Атмосфера этой планеты до сих пор состоит в основном из углекислого газа, а ее поверхность настолько раскалена, что находящиеся на ней горные породы ночью излучают свет. Земля имеет гораздо более разреженную атмосферу с очень небольшим количеством углекислого газа, и, конечно, на Земле достаточно прохладно, чтобы здесь могли быть полные воды океаны и, следовательно, жизнь. Если раньше эти планеты были так похожи, почему они стали такими разными?

Как уже отмечалось, атмосферы Земли и Венеры первоначально были чрезвычайно густыми и состояли из углекислого газа и воды при очень высоких температурах и давлении на поверхности. На Земле, куда попадало чуть меньше солнечного света, температура, вероятно, была достаточно низкой, а давление на поверхности достаточно высоким, чтобы вода здесь имелась в виде жидкости. При нынешнем давлении на Земле в 1 атм вода закипает при 100 °С; если давление повысить, она закипит при более высокой температуре (по этому принципу работает скороварка). При давлении в 60 атм вода могла оставаться в состоянии жидкости при температуре на поверхности Земли 200–300 °С (ниже 270 °С, чтобы быть точным). Наличия этой воды в сочетании с изменением поверхности Земли в результате тектоники плит (мы обсудим это подробнее в следующей главе), возможно, было достаточно, чтобы количество углекислого газа стало сокращаться, поскольку он связывался с горными породами. Они постепенно остужали атмосферу, создавая условия для увеличения количества воды. А увеличение количества воды и все более остывающая поверхность планеты в свою очередь способствовали тектонической активности (мы обсуждали это в предыдущей главе), отчего содержание углекислого газа продолжало падать. В итоге лишь малая часть углекислого газа осталась в атмосфере Земли, остальная перешла в состав горных пород.

На Венере, залитой бóльшим количеством солнечного света, вероятно, было слишком жарко, чтобы вода могла выпадать в виде дождя. Вся она оставалась в атмосфере, поддерживая раскаленную температуру. Солнечный ультрафиолет разделил молекулы воды на водород, который улетучился в космос, и высокоактивный кислород, который связался с минералами на поверхности. В атмосфере Венеры осталось ничтожное количество воды. Кроме того, отсутствие воды в фазе жидкости и высокая температура поверхности, вероятно, мешали регулярному подъему из недр планеты новых пород, т. е. препятствовали процессу тектоники плит, который мог бы сократить количество углекислого газа. На Земле нужный баланс смог удерживаться – вода и тектоника плит, содействуя друг другу, уменьшали количество углекислого газа, в итоге создав пригодную для обитания поверхность. На Венере такой «кооперации» между водой и тектоникой не было, и поверхность планеты осталась адски горячей, сухой и бесплодной.

В наши дни атмосфера Земли намного более разреженная, чем во времена, когда она создавалась. Сейчас она почти на 80 % состоит из газообразного азота и почти на 20 % – из кислорода, а также небольшой примеси других газов (оставшегося углекислого газа, совершающей гидрологический цикл воды и инертного аргона, концентрация которого не меняется). Почти весь кислород в атмосфере биологического происхождения. В процессе фотосинтеза двуокись углерода (та ее часть, которая не ушла в горные породы) соединяется с водой. В результате получаются органические молекулы (сахар) и кислород (подробнее об этом в главе 7). Азот, вероятно, попал из мантии в атмосферу при извержениях вулканов вместе с водой и углекислым газом. Будучи относительно инертным (и при температурах, намного превышающих его точку росы), он остался в тех местах, где и был выброшен. До того как массивная атмосфера, состоящая из углекислого газа, была втянута в горные породы (а позднее и в живые организмы), азот был незначительным компонентом атмосферы, но, после того как это произошло, азот стал доминировать, кроме него в атмосфере мало что осталось.

Эволюция атмосферы Марса представляет собой любопытный контраст Земле и Венере. Сейчас атмосфера Марса почти полностью состоит из углекислого газа и примерно в 100 раз более разреженная, чем земная, при среднем давлении у поверхности менее 0,01 от давления земной атмосферы, измеренного на уровне моря. Окажись мы на поверхности Марса без скафандра, мы ощущали бы себя, как в вакууме. К тому же температура поверхности Марса весьма низкая, в среднем 60 °С. Полярные шапки Марса в основном состоят из водяного льда и некоторого количества сухого льда – замерзшей углекислоты. Вероятно, значительное количество льда содержится и в марсианской коре в регионах вечной мерзлоты. Экваториальные области могут получать достаточно тепла, чтобы лед таял, но атмосфера Марса настолько разреженная, что лед в основном сублимируется, т. е. испаряется, не проходя стадию жидкого состояния. Это значит, что в атмосфере Марса есть небольшое количество воды, которая выпадает в виде снега в более высоких широтах. Тем не менее исследования Марса показали, что на Красной планете когда‑то было значительное количество воды в жидкой фазе – судя по эрозии поверхности, напоминающей русла рек и древние овраги. В какой‑то момент прошлого атмосфера Марса была плотнее и теплее, этого было достаточно, чтобы на планете была вода в виде жидкости.

Имеются и некоторые признаки того, что в далеком прошлом на Марсе была тектоническая активность, возможно, в то время там имелась и жидкая вода. Быть может, Марсу был присущ взаимно поддерживающийся водно‑углеродно‑тектонический цикл, подобный тому, что наблюдается на Земле сейчас. Но это лишь догадки. В любом случае Марс потерял плотную атмосферу, сейчас его окружает разреженная газовая оболочка.

Одна из наиболее вероятных причин потери Марсом атмосферы – то, что он просто слишком мал, чтобы удерживать теплую атмосферу: молекулы газа легко достигали достаточно высокой скорости, выходили из гравитационного поля Марса, и таким образом атмосфера медленно улетучилась в космос. В то же время атмосфера Марса, вероятно, «сдувалась» солнечным ветром – потоком электрически заряженных частиц (ионов), который «обтекает» планеты. Эти частицы медленно выносят в космическое пространство атмосферу из ее верхних слоев. Сильное магнитное поле Земли отклоняет солнечный ветер и защищает атмосферу (и нас) от этих частиц и их десорбирующего эффекта. Венера не имеет магнитного поля, поэтому даже сейчас ее атмосфера постепенно улетучивается; но так как она очень плотная, а сама планета обладает достаточной массой, чтобы удерживать молекулы газа, они рассеиваются в космическое пространство довольно медленно. Возможно, Марс некогда имел сильное магнитное поле (данные спутников зафиксировали следы древней тектоники плит – полосовые магнитные аномалии, «замороженные» в коре планеты, так же, как в центрах растекания морского дна Земли). Однако сейчас там тектоники плит нет и, вероятно, не было на протяжении большей части марсианской истории, поэтому атмосфера Красной планеты рассеивалась солнечным ветром. То, что Марс утратил (а может быть, и никогда не имел) тектонику плит и магнитное поле, также лучше всего объясняется его размерами: он слишком мал, чтобы сохранить в недрах изначальное, оставшееся со времен его формирования тепло, и потому конвекция в мантии и ядре Красной планеты стала слишком слабой, чтобы питать и тектонику плит, и магнитное динамо.

Возникновение атмосферы и океанов Земли позволило сформироваться условиям, подходящим для возникновения жизни. Структура и движение океана и атмосферы играют важную роль в жизнепригодности Земли, уже не говоря о том, что они стабилизируют климат (мы обсудим это в следующей главе).

Самый нижний слой нашей атмосферы называется тропосферой, здесь, как мы полагаем, формируются погодные условия и ветры. Это слой толщиной в среднем около 10 км (он толще на экваторе и тоньше на полюсах). Атмосфера здесь подвергается тепловой конвекции, весьма напоминающей конвекцию земной мантии. Нагретая лучами Солнца Земля согревает приповерхностный воздух, он поднимается, остывает, а затем опускается где‑то в другом месте. Таким образом, в нижней части тропосферы теплее, в верхней – холоднее. Как мы вскоре увидим, конвективное движение в тропосфере – это сложный процесс, в основном он ответственен за движение ветров и погоду.

Над тропосферой расположена стратосфера, температура которой возрастает с увеличением высоты. Воздух в ее верхней части теплый, плавучий и неподвижный, он не тонет, поэтому аэрозоли и вулканическая пыль задерживаются там. (Стабильность стратосферы также защищает ее от конвекции, в этой зоне почти нет турбулентности, поэтому самолеты гражданской авиации совершают полеты именно в нижней стратосфере.) Высокая температура стратосферы обусловлена наличием в ней озона – молекул, состоящих из трех атомов кислорода. И образование (из обычных молекул кислорода, которые имеют два атома), и разрушение стратосферного озона (до кислорода) происходит из‑за поглощения определенных видов ультрафиолетового излучения, поступающего от Солнца, в результате стратосфера нагревается. Этот эффект также очень важен, так как защищает жизнь на поверхности Земли от вредного ультрафиолетового излучения. Развитие жизни и выработка кислорода были укрепляющими друг друга процессами, так как благодаря последнему появился защитный озоновый слой. Этот процесс также напоминает, почему потеря озонового слоя приведет к катастрофическим последствиям. Наличие озоновых дыр над полюсами Земли, предсказанное в 1970‑х гг. и открытое в 1985 г., заставило международное сообщество регулировать процессы загрязнения воздуха для того, чтобы эти дыры затянулись.

Стратосфера простирается на высоту до 50 км, а то, что выше, является еще более разреженной мезосферой. Мезосфера простирается на высоту до 100 км, хорошо охлаждается излучением и потому холоднее, чем стратосфера. Следом за мезосферой располагается намного более горячая и гораздо более разреженная термосфера (примерно до 600 км), а еще выше – экзосфера (примерно до высоты 10 000 км или даже больше), за границами которой начинается космическое пространство. Верхняя мезосфера, термосфера и нижняя экзосфера, в которых высока концентрация ионизированных атомов, вместе образуют ионосферу, представляющую естественный канал для переноса радиоволн по всему земному шару.

Но давайте вернемся к тропосфере. Конвекция в этом слое приводится в движение солнечным теплом, максимально сильным вблизи экватора в тропиках, где солнечный свет падает на поверхность под прямым углом, и слабым на полюсах, куда солнечный свет почти не попадает. Если бы Земля не вращалась, конвекция представляла бы собой горячий воздух, поднимающийся от нагретой на экваторе поверхности в верхние части тропосферы, а затем переправляющийся к полюсам, где он бы остывал, опускался вниз и возвращался к экватору над поверхностью Земли. Однако наша планета вращается довольно быстро, и воздух, находящийся у поверхности на экваторе, движется по направлению на восток с очень высокой скоростью, проходя окружность Земли за сутки (т. е. 40 000 км за 24 часа, что равно 1700 км/ч). Воздух, находящийся у поверхности планеты у Северного и Южного полюсов, движется медленнее, проходя за 24 часа по меньшей окружности, чем на экваторе. На полюсах же почти полный штиль, ветер вращается очень медленно и локально. Таким образом, воздух, поднимающийся на экваторе, с высокой скоростью дует в восточном направлении, и, по мере того как он поднимается, а затем перемещается в сторону холодных полюсов, его движение на восток становится все быстрее по отношению к поверхности. Таким образом, в то время как этот теплый поднимающийся воздух пытается переместиться к одному из полюсов, он будет все больше, относительно окружающего его воздуха, отклоняться к востоку, поэтому по существу воздух будет двигаться исключительно в восточном направлении по окружности вдоль заданной широты. В конце концов он теряет тепло и опускается вниз между 30° с.ш. и 30° ю.ш. (Флорида, США до Перта, Австралия). Этот прохладный опускающийся воздух достигает земли и распространяется на север и на юг. Двигающийся у поверхности к экватору ветер отклоняется на запад по отношению к окружающему его воздуху, который, как и сама поверхность Земли у экватора, движется более быстро в восточном направлении. Эти отклоненные к западу воздушные течения образуют пассаты – преобладающие в тропиках ветра. Вся эта циркуляция теплого воздуха, поднимающегося от экватора и циркулирующего между 30° с.ш. и 30° ю. ш., которая затем охлаждается, опускается и уходит обратно к экватору, называется циркуляционной ячейкой Хэдли. С другой стороны, поверхностный воздух, распространяющийся из опускающегося прохладного воздушного течения, находящегося за пределами 30° с.ш. и 30° ю.ш. и уходящего по направлению к полюсам (подобно экваториальному апвеллингу), отклоняется на восток. Это создает западные ветра умеренного пояса, преобладающие на большей части континентальной части США и Европы. (Термины «восточный ветер» и «западный ветер» могут сбить с толку читателя: специалисты так называют ветра, дующие с востока или запада. Соответственно, западные ветра – те, что дуют на восток.)