Помоги проекту - поделись книгой:
Бёрч быстро обнаружил потенциальные «нестыковки» в своей смелой модели недр Земли. В остроумном примечании, которое прославилось не меньше его геофизических открытий, Бёрч отметил{66}:
Излишне доверчивым читателям следует обратить внимание на то, что обычные слова, когда их применяешь по отношению к недрам Земли, подвергаются изменению и переходят в формы высокого давления. Вот несколько примеров подобных эквивалентов:
Несмотря на это предупреждение, предсказание Бёрча о наличии легкого элемента в жидком внешнем ядре выдержало все испытания. Но что это может быть за элемент? Экспериментаторы и теоретики, посвятившие себя данной сфере, продолжают биться над этим интригующим вопросом, но он до сих пор остается открытым.
В поисках ответа мы должны следовать трем простым правилам. Во-первых, элемент должен быть значительно легче железа и никеля, так что уран, свинец или золото не подходят. Во-вторых, элемент должен встречаться в изобилии в космосе; это требование исключает из списка подозреваемых легкие литий, бериллий или бор, к примеру. И наконец, в-третьих, элемент должен обладать способностью растворяться в расплавленном металле в экстремальных условиях температуры и давления внешнего ядра. На самом деле только жалкая горстка кандидатов удовлетворяет этим трем основным требованиям: водород, углерод, кислород, кремний и сера — вот единственные реальные претенденты. У каждого свои преимущества и недостатки, у каждого свои сторонники и очернители. Конечно, это не обязательно «или/или». Расплавленный металл способен легко растворить более одного примесного легкого элемента, возможно, даже все пять сразу. (Я лично отдаю предпочтение именно этому всеобщему раствору, поскольку природа, похоже, продвигает сложность.) В любом случае есть убедительное доказательство присутствия углерода в этой смеси.
Очевидными подсказками обеспечивают нас изотопы углерода{67}. Атомы углерода распространены в двух вариантах — у него два стабильных изотопа. Каждый атом углерода имеет шесть протонов в своем ядре, это определяющая характеристика углерода. Однако количество нейтронов — других кирпичиков атомных ядер — может варьировать. Почти 99% атомов углерода обладают шестью нейтронами (изотоп углерод-12), а оставшийся 1% — это углерод-13 с семью нейтронами. У наших каменистых соседей — в частности, у красной планеты Марс и большого астероида Веста — именно такое, научно доказанное соотношение этих изотопов; судя по всему, оно характеризует и большинство других объектов нашей внутренней части Солнечной системы. Но углерод Земли, по крайней мере доступный, находящийся рядом с поверхностью, похоже, слишком «тяжелый», с бо́льшим процентным содержанием углерода-13, чем у соседей нашей планеты. Это загадка, которая требует решения.
Самое простое объяснение этой кажущейся аномалии заключается в том, что изотопный состав Земли такой же, как и у других миров, но «недостающий» легкий углерод спрятан от нас, заперт в ядре Земли. Если жидкое внешнее ядро содержит хоть крошечную долю углерода, то во всем ядре легко могло бы поместиться в 100 раз больше шестого элемента, чем известно для земной коры. А сколько всего содержится в Земле углерода? Поразительно, но мы абсолютно несведущи в таком важном вопросе.
Глубочайшие тайны
Нет почтового назначения на Земле более тайного, более недоступного, чем твердое внутреннее ядро. Находясь на глубине более 5100 км, элементы внутреннего ядра подвержены давлениям выше 3 млн атм и температурам, доходящим до 5000 °C. Десятилетиями общепринятая точка зрения гласила, что внутреннее ядро сложено твердым металлическим железом с небольшой долей никеля. Как и в расплавленном внешнем ядре, один или несколько легких элементов тоже могут играть свои роли — второстепенные, но ведущая партия у железа.
Однако существует проблема, связанная с природой звуковых волн. Сейсмические волны бывают двух разных типов. Более сильные и быстрые, первичные (или «P») волны возникают, когда атомы и молекулы ударяются друг о друга последовательно, подобно костяшкам падающего домино. Движение атомов происходит в том же направлении, что и движение P-волны. Железо и его никельсодержащие сплавы вполне соответствуют регистрируемой скорости P-волн во внутреннем ядре.
Вторичные же (или «S») волны возникают, когда атомы двигаются из стороны в сторону, вызывая аналогичные движения у своих соседей. (Вспомните волну болельщиков на футбольном стадионе, когда люди встают и садятся, т.е. движутся вверх-вниз, а волна идет вдоль трибун.) Движения атомов при этом перпендикулярны движению волны. Удивительно, но S-волны проходят сквозь внутреннее ядро в два раза медленнее, чем должны бы в кристаллическом железе.
Что же происходит? Простое объяснение заключается в том, что внутреннее ядро частично расплавлено — состояние, которое неизменно замедляет S-волны, но железо-никелевый сплав не мог бы плавиться в предполагаемых условиях внутреннего ядра. Джи (Джеки) Ли, профессор геологии в Мичиганском университете, предложила оригинальное экспериментальное объяснение этого расхождения{68}.
Блестящая, увлеченная исследовательница, способная оперативно поддержать вызывающие интерес новые идеи или подметить слабое место в аргументах коллеги плюс всегда готовая улыбнуться тонкой шутке или остроумному высказыванию, Ли — мастер ячейки с алмазными наковальнями. Подобно многим своим ровесникам из материкового Китая, она попала в науку, так как была отличницей.
Ли отучилась на бакалавра в престижном китайском Научно-техническом университете, затем поступила в Гарвард, чтобы получить докторскую степень, специализируясь на физике и химии глубоких недр Земли.
Одно из самых творческих исследований Джи Ли было посвящено углероду во внутреннем ядре Земли{69}. Работая со своим выпускником Бин Ченом (ныне преподавателем Гавайского университета) и группой коллег по Обсерватории глубинного углерода, Ли изучила суперплотное соединение атомов железа и углерода в соотношении 7:3. Ранее исследователи утверждали, что этот необычный карбид железа потенциально может представлять собой минерал самых глубинных зон Земли, поэтому мичиганская команда проверила эту идею, сжав черный порошкообразный образец между алмазами до почти 2 млн атм, чтобы измерить его различные физические свойства. Экстраполируя полученные результаты на условия внутреннего ядра, экспериментаторы обнаружили почти полное соответствие сейсмологическим наблюдениям — прохождение P-волн было таким же, как в чистом железе, а скорость S-волн оказалась гораздо меньше. Это открытие никоим образом не доказывает, что углерод существует во внутреннем ядре Земли в форме карбида железа, но на текущий момент такая гипотеза кажется вполне вероятной.
В дополнительном исследовании, результаты которого были опубликованы несколько месяцев спустя, группа ученых в Германии во главе с аспирантом Клеменсом Прешером в Баварском геологическом институте при Байройтском университете подвергла то же соединение одновременно высокому давлению и высокой температуре и обнаружила необычные эластичные свойства, описанные авторами как «резиновые»{70}. Это нетипичная характеристика для минерала, но она подчеркивает, сколько еще нам придется узнать об углероде, находящемся глубоко внутри нашей планеты.
Наши попытки разгадать тайны земного ядра открывают фундаментальную правду о науке. Мы можем занести в каталог все кристаллические формы углерода Земли — сотни известных минералов коры и множество недостающих видов, плотные карбонаты мантии и манящие намеки на карбиды в ядре. Но такой каталог, каким бы полным он ни был, не самоцель. Все разрастающиеся знания о формах земного углерода ведут к созданию все более живой картины нашего изменчивого планетарного дома: как он появился, как функционирует, какова его дальнейшая судьба и почему он уникален в космосе.
РЕПРИЗА — Миры углерода
Минералогия Земли уникальна{71}.
Что может углеродная минералогия рассказать нам о нашем земном доме? Особенные ли мы? В нашей собственной Солнечной системе Земля определенно отличается от других планет земной группы и каменистых спутников. На Марсе, некогда теплом и влажном, есть только небольшие и рассредоточенные слои предполагаемых карбонатов. Метеориты тоже бедны углеродсодержащими минералами, да и на Луне, сколь бы тщательно ее ни изучали, обнаружены только микроскопические зерна графита и карбида железа, но ни единого карбонатного минерала. А что насчет более удаленных планет, вращающихся вокруг других звезд?
Одним из множества полезных результатов математических исследований минеральных редкостей, проведенных Гретой Хистад, стало ранжирование всех минеральных видов в соответствии с их вероятностью нахождения на Земле. Поэтому мы задались таким вопросом: если бы мы могли взять другую планету, идентичную Земле во всем (того же размера и массы, того же состава и структуры, с океанами, атмосферой и движением плит), и «воспроизвести» 4,5 млрд лет ее истории и если бы в случае редкостного везения мы бы обнаружили на той далекой планете 5000 минералов, какова вероятность того, что они оказались бы теми же 5000 минеральных видов, которые мы видим сегодня на Земле?
Я подозреваю, что большинство минералогов, если бы им задали этот вопрос, подобно мне ответили бы, что минералогия планеты оказалась бы в основном такой же. Безусловно, присутствовали бы в изобилии все породообразующие минералы — кварц, полевой шпат, пироксен, слюда… Сотни других, менее распространенных минералов, к примеру алмаз, золото, топаз и бирюза, также неизбежно имели бы место. Продолжая рассуждение, я бы предположил, что и почти все редкие минералы тоже встречались бы в любом мире, подобном Земле. Они, конечно, точно так же были бы редкими, но в конечном счете и их бы нашли.
А вот и нет. По расчетам Хистад, это не так. Если заново «проиграть ту же пленку», то на всех планетах, химические и физические характеристики которых подобны земным, вероятно, порядка половины видов — более 2500 минералов — окажутся точно такими же, как на нашей. Еще у 1500 чуть менее распространенных минералов также есть хороший шанс — от 25 до 50% — совпасть с земными. Но более 1000 самых редких минеральных видов, скорее всего, будут отличаться, причем для многих минералов вероятность появиться в других землеподобных мирах не превышает 10%.
Вычислить по этим оценкам вероятность того, что две планеты будут иметь идентичную минералогию, было несложно: требовалось просто перемножить индивидуальные вероятности всех 5000 минеральных видов. Результат нас ошарашил. Вероятность несовпадения оказалась буквально астрономической — более 10320 (т.е. единица с 320 нулями)!
Сравните это непостижимое число с оценкой количества планет в космосе. Во Вселенной сотня триллионов галактик, в каждой в среднем 100 млрд звезд, поэтому — с учетом невероятного допущения, что у каждой звезды есть планета, подобная Земле, — при самом благоприятном сценарии получится, что в лучшем случае существует лишь 1025 таких же планет, как наша. Доведем рассуждения до абсурда: вам нужно будет изучить каждую планету в почти 10300 таких вселенных, как наша, чтобы найти ту одну-единственную, которая бы точно повторяла минеральный состав Земли.
Поразительное заключение Хистад было опубликовано в 2015 г. в одном из выпусков журнала
В основе открытия Хистад лежит глубокий философский аспект — вывод, связанный с вековым спором об относительных ролях случая и неизбежности. Сложные системы, будь то минералы или живые организмы, эволюционируют и по детерминистскому, и по вероятностному пути. С одной стороны, многие проявления природы неизбежны, продиктованы законами физики и химии. Уроните камень — и он упадет, зажгите лист бумаги в насыщенной кислородом атмосфере Земли — и он сгорит. С другой стороны, все сложные системы переживают одиночные события — «замороженные случаи», которыми также определяются эволюционные пути. Противостояние между случаем и неизбежностью усиливается, поскольку в большинстве природных систем не всегда легко различить, что есть что. Почему один редкий минерал образуется, а другой нет? Почему у Земли такой большой спутник? Почему на Земле появилась разумная жизнь? Было это случайностью или неизбежностью?
В минералогии мы теперь можем до поразительно высокой степени снять это противостояние количественным путем. Мы пришли к выводу, что, хотя многие аспекты минералогии Земли детерминированы, случай также играет существенную роль. Наши редкие минералы образуются в результате практически невероятной последовательности химических, физических и биологических процессов. Следовательно, Земля абсолютно и однозначно уникальна в космическом пространстве. Возможно, это и хорошо.
Землеподобные планеты{73}
В науке не много тем, привлекающих столько же внимания, сколько открытие и описание планет за пределами Солнечной системы — невидимых миров, расположенных на расстоянии нескольких световых лет от нашего Солнца. В стремлении человечества узнать, одиноки ли мы во Вселенной, астрономы отслеживают едва заметные колебания и периодические уменьшения силы света той или иной далекой звезды, т.е. признаки того, что на ее орбите находится планета, пусть и слишком слабая, чтобы ее можно было увидеть непосредственно в телескоп.
Первыми были открыты далекие гиганты массивнее Юпитера, которые с бешеными скоростями проносятся по орбитам вокруг своих ближайших звезд в течение несколько дней, таким образом вызывая максимально возможные звездные возмущения. Но, когда мы отмечали 20-ю годовщину обнаружения первой планеты вне нашей Солнечной системы, фокус внимания сместился с громадин на миры, более похожие на Землю.
Термин «землеподобные» имеет различный смысл для разных людей. Астрономы фокусируются на трех характеристиках, которые они могут уверенно измерить: это радиус, масса и орбита. Радиусы землеподобия вычисляются на основании максимального уменьшения силы света звезды, когда планета затемняет крошечную ее часть, а массы — исходя из степени звездного колебания, вызываемого гравитационными эффектами. Но этого недостаточно: чтобы планета получила звание землеподобной, ее орбитальные параметры должны соответствовать нахождению в обитаемой зоне — сплющенном в форме пончика пространстве, где жидкая вода может удерживаться на поверхности планеты или рядом с ней. Все больше открытых планет — Kepler-186 f, Kepler-438 b, Kepler-452 b (их определили по данным космического телескопа «Кеплер») — укладывается в рамки этих астрономических ограничений. Как и минимум три из семи планет, вращающихся вокруг небольшой звезды TRAPPIST-1, что всего в 40 световых годах от Солнца. Почти каждый месяц заголовки в СМИ возвещают об обнаружении «самой землеподобной планеты».
Но обычно в этих легкомысленных статьях даже не упоминается, что одни только радиус, масса и орбита довольно плохие индикаторы потенциальных планетарных близнецов Земли. Чего здесь не хватает, так это химии. Видимые световые спектры далеких звезд — сведения, которые легко получить посредством современных телескопов, — показывают, что звезды сильно различаются по своему химическому составу. В некоторых звездах намного больше или намного меньше магния, или железа, или углерода, чем в нашем Солнце. И вероятно, эти важные различия в составе звезд в значительной степени отражаются и на составе их компаньонов-планет, потому что они формируются из тех же протопланетных дисков.
Химический состав планет имеет значение. Недавние исследования минералогов и геохимиков указывают на то, что даже небольшие отклонения в нем могут сделать планету непригодной для жизни. Если будет слишком много магния, не запустится движение плит — главный локомотив круговорота необходимых для жизни питательных веществ. Если не хватит железа — не сформируется магнитное поле, защищающее жизнь от смертоносных космических лучей. При недостаточном количестве воды, или углерода, или азота, или фосфора не зародится жизнь в той форме, которую мы знаем.
Так что — каковы наши шансы найти другую Землю? Поскольку ключевых химических элементов набирается более десятка да плюс еще множество менее значимых, вероятность воспроизвести все основные параметры химического состава мала: разве что одна из 100 или, может быть, даже из 1000 землеподобных планет будет похожа по составу на Землю. Тем не менее при осторожной оценке количества подобных Земле по радиусу, массе и орбите планет в 1020, должно существовать бесчисленное множество таких миров, как наш.
Это осознание может привести нас в замешательство. Найти планетарных соседей, похожих на нас, землян, — это вполне человеческое желание, аналогичное тому, как мы ищем друзей и любимых, которые разделяют наши вкусы, политические взгляды и религиозные убеждения. Но наткнуться на кого-то, кто подобен нам во всех отношениях — одевается так же, имеет ту же профессию и хобби, использует точно такие же характерные фразы и язык жестов, — было бы немного жутковато. Ровно так же, мне кажется, нас несколько выведет из равновесия обнаружение планеты-клона, неотличимой от Земли.
Но не нужно волноваться, этого не произойдет. Поэтому, находясь в смелом поиске все более подобных нашему дому планет, мы можем быть абсолютно уверены, что есть только одна планета, поистине идентичная Земле.
КОДА — Вопросы без ответов
Углерод, этот феерически разносторонний элемент Земли, поведал нам многое о нашем мире. Мы зарегистрировали сотни углеродсодержащих минералов из десятков тысяч мест. Мы научились производить тысячи синтетических аналогов этих минералов, многие из которых еще ждут своего промышленного или технологического применения. Мы даже частично предсказали, какие еще неизвестные минералы углерода можно обнаружить в земной коре и гораздо, гораздо глубже в недрах нашей планеты.
Однако все то, что мы знаем о земном углероде, меркнет по сравнению с тем, чего мы еще не знаем. Какие новые необычные минералы ожидают нас в коре, в гораздо более глубоких слоях? Каковы структуры и свойства этих неизвестных соединений? Как они могут повлиять на нашу жизнь? Сколько углерода скрыто в глубинах планеты, если 99% его может быть сосредоточено в ядре Земли? Мы, ученые, с энтузиазмом продолжаем поиск ответов. В грядущие десятилетия нас поглотят эксперименты, размышления и наблюдения за миром природы.
Мы также не имеем пока представления о том, как углерод перемещается из одного резервуара в другой, особенно при движении из глубоких недр на поверхность и обратно. Для этого нам придется посмотреть на небеса — защитный воздушный покров Земли — и на углерод, элемент глобальных циклов.
ЧАСТЬ II — ВОЗДУХ
ИНТРОДУКЦИЯ — До воздуха
Углерод циклично перемещается от одной сферы Земли к другой в бесконечном танце. Атмосфера, гидросфера, биосфера, литосфера — все содержат свою долю шестого элемента и все участвуют в глобальном цикле углерода. Так происходило на протяжении более чем 4,5 млрд лет, хотя природа и масштаб цикла за это «глубокое время» изменились и многие подробности перемещения углерода остаются скрытыми из вида.
Сегодняшняя Земля — знакомый нам «бело-голубой мраморный шарик»[25], живой мир, — мало напоминает планету в ее детстве. Юной Земле, ее разрушенному каменистому ландшафту не хватало обволакивающей колыбели воздуха. Наш дом был рожден из пыли — широко разлетевшейся и разреженной и едва ли являющейся тем материалом, из которого вы бы решили создать приличную каменистую планету{74}. Но космос располагает огромным количеством пыли, а пыль имеет тенденцию скапливаться (если вы время от времени убираете за шкафом или под кроватью, вам это хорошо известно). Так вот, по мере того как Протосолнце разгоралось, посылая внутрь Солнечной системы облагораживающие импульсы тепла, первичная пыль переплавлялась в крошечные капли, называемые хондрами, как уже говорилось выше. Когда эти липкие капли стали объединяться, родилось первое поколение космических каменных тел. Из пыльной туманной среды образовались галька размером с виноградину, булыжники размером с кулак и более крупные камни, соизмеримые с автобусами или даже зданиями. Вокруг слабого молодого Солнца вращались бесчисленные камни, сталкиваясь и группируясь в более крупные зарождающиеся миры.
Во всем этом солнечном царстве господствовала гравитация. Бо́льшие массы неумолимо притягивали меньшие, захватывая их в свои гравитационные колодцы и проглатывая целиком, слизывая подчистую свободные космические пончики. Вращаясь на расстоянии 145 млн км от все еще растущего Солнца, Протоземля оказалась самой крупной из этих соревнующихся планетезималей. Какое зрелище должна была представлять собой зарождающаяся Земля! Более 4,5 млрд лет назад на растущий мир, который станет нашим домом, падали дождем бесчисленные камни. Несясь быстрее пули, эти камни при каждом столкновении выделяли кинетическую энергию, которая преобразовывалась в обжигающее тепло и ослепительный свет, разбрызгивая огромные фонтаны раскаленной магмы высоко над огненно-красной расплавленной поверхностью. В растущую раскаленную сферу подбрасывались неровные куски железо-никелевого сплава, горы силикатов, огромные пушистые, насыщенные водой снежки и отдельные черные, обогащенные углеродом каменные глыбищи.
Грандиозные физические процессы с понятными лишь избранным названиями — аккреция и дифференциация, фракционирование и конденсация, кристаллизация и конвекция — преобразовали новорожденную Землю, представлявшую собой похлебку из всякой всячины, в более «целесообразный», химически упорядоченный земной шар. Дифференциация под управлением гравитации привела Землю в состояние слоеного структурированного мира, самые плотные компоненты которого — главным образом смесь расплавленных железа и никеля — погрузились в центр, чтобы сформировать ядро. Углерод, возможно, все еще играл некоторую роль в той глубокой и полностью недоступной области, сглаживая огромную разницу в плотности между ядром и мантией и изменяя физическое состояние того скрытого царства, но мы даже близко не представляем себе деталей этой истории. Однако можем быть уверены, что углерод ядра, если он на самом деле присутствует там, на глубине более 5000 км, не играет особой роли в воздухе, которым мы дышим.
Толстая каменная мантия Земли окружает железное ядро, как сочная мякоть персика — его твердую косточку. Минералы, насыщенные более легкими элементами — кремнием, магнием и кислородом, преобладают в верхних 3220 км Земли. При экстремальных условиях в самой глубине мантии, где давление превышает 1 млн атм, мантийные породы плотнее, нежели их близповерхностные эквиваленты. Тем не менее эти породы «плавают» по поверхности гораздо более плотного жидкого металлического внешнего ядра, подобно тому как галька легко плавает по лужице плотной жидкой ртути.
Прерывистое, частично отражаемое прохождение высокоскоростных звуковых, или сейсмических, волн сквозь твердую породу указывает на наличие большего количества скрытых слоев. В направлении от ядра к поверхности Земли мантия разделена на три широкие сферические зоны. Почти недоступная нижняя мантия простирается вниз с глубины примерно 670 км до границы ядра и мантии на глубине почти 2900 км и занимает более половины объема Земли. Переходная зона средней плотности — слой Голицына — образует сравнительно узкую оболочку на глубинах от 410 до 670 км, а верхняя мантия доходит почти до поверхности Земли.
Внешние оболочки Земли — кора, океаны и атмосфера — ее тончайшие зоны, вроде скорлупы на яйце. В совокупности они занимают менее 160 км при 6371-километровом радиусе Земли и содержат в себе только порядка 1% ее массы. Зато эти поверхностные слои отличаются наибольшим химическим разнообразием, так как концентрируют многие из тех редких элементов, которые не находят удобного кристаллического дома в более глубинных минералах. Эти внешние слои также самые разнообразные по толщине. Океаническая кора простирается местами всего лишь на 8–9 км вглубь, в то время как толщина континентальной коры под самыми высокими горными хребтами может составить более 80 км.
Исследовать недра на глубинах более нескольких километров напрямую оказывается не под силу ни одной из современных технологий, но ученые изобрели другие средства, чтобы понять Землю. Мы собираем камни, зачерпываем воду и берем образцы воздуха во время наших экспедиций — полевых работ — на всех континентах, от экватора до полюсов. И каждый уголок земного шара повествует об одном и том же: камни, вода, воздух и жизнь эволюционировали совместно в течение миллиардов лет истории Земли. И каждая из этих материальных сфер является важным местом привала, на который располагается углерод во время своего динамичного глубинного земного цикла.
АРИОЗО — Происхождение земной атмосферы
Атмосфера согревает Землю. Она защищает нас от жесткого солнечного излучения. Она поддерживает нас, обеспечивая кислородом, которым мы дышим, и водой, которую мы пьем. Воздух также хранит огромные запасы углерода, используемого растениями, которые мы едим. Но Земля при рождении и в младенчестве не имела атмосферы. Воздух должен был появиться, вырасти из ничего. Как?
Чтобы узнать это, давайте перенесемся на 4,5 млрд лет назад — в эпоху, когда планеты все еще формировались, Солнечная система пребывала в хаосе, а углеродный цикл Земли только начинал складываться.
Земля получает углерод из космоса
Итак, мы на 4,5 млрд лет в прошлом. Протоземля образовалась как единое целое. Начала формироваться ее многослойная структура, состоящая из ядра, мантии и коры. Вместе с каменным дождем на Землю попали десятки химических элементов, большинство из которых — редкие{75}. В смеси компонентов доминируют несколько минералообразующих элементов: железо, кремний, магний и самый распространенный из них, дающий 90% общей массы, — кислород. Кальций, алюминий, никель и натрий составляют 90% остального. Прочее богатство Периодической таблицы встречается в меньших количествах — несколько атомов на тысячу азота и фосфора, несколько атомов на миллион лития и фтора и несколько атомов на миллиард бериллия и золота.
Земля и другие планеты земной группы — Меркурий, Венера и Марс — сформировались ближе всех к Солнцу, безжалостный жар которого испарил большинство газов. Потому-то эти каменистые внутренние планеты предпочли элементы, из которых могли образовываться твердые минералы. Самые же распространенные элементы космоса — газообразные водород и гелий — были в основном отброшены мощными солнечными ветрами далеко (на расстояние более 0,5 млрд км) от Солнца: в область газовых планет-гигантов Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна.
В космическом масштабе водород и гелий всегда составляют самую большую долю — 99% всех атомов. Из оставшегося 1% атомного вещества, которое формирует каменистые планеты, ключевую роль играют атомы углерода. Из атомов, не являющихся водородом или гелием, каждый четвертый — атом углерода. Только железо и кислород более распространены среди планетообразующих остатков. Однако в отличие от железа и кислорода большинство атомов углерода на ранних этапах истории Вселенной оказались заперты в маленьких летучих молекулах — углекислого и угарного газов, а также метана. В результате получилось, что запасы земного углерода скудны, но не понятно насколько: наше наиболее вероятное предположение — не более одного атома на сотню.
Весь углерод Земли пришел из космоса, из трех главных источников. Некоторое его количество было привнесено солнечным ветром, обогащенным углеродсодержащими газами Солнца. Более заметная доля пришла на Землю в составе черных богатых углеродом метеоритов, которые до сих пор время от времени падают с неба{76}. Эти удивительные камни доставили сюда также все виды органических молекул: нефтеподобные углеводороды и спирты плюс основные биомолекулы, а именно аминокислоты, сахара, пурины и пиримидины, которые играют существенные роли в ДНК и РНК, — все в собранном виде, готовые к химическим преобразованиям. Но самый важный вклад в растущие запасы земного углерода внесли кометы, исключительно богатые небольшими молекулами газов, в частности угарного и углекислого. Нельзя не упомянуть также, что кометы принесли и огромное количество воды, из которой образовались земные океаны.
Значительная часть этих запасов углерода циркулировала в составе флюидов глубоко под поверхностью, подвергаясь там температурам, достаточным для разделения большого скопления разных атомов на их простейшие молекулярные компоненты — азот, воду и углекислый газ. Так начался круговорот земного углерода. Поскольку горные породы в твердом состоянии не могут долго удерживать горячие, находящиеся под давлением подвижные флюидные потоки, те начали пробиваться к поверхности всевозможными путями. Они продвигались, растворившись в расплавленной породе — раскаленной магме, которая прокладывала себе путь наверх, используя любую трещину или щель. Недалеко от поверхности — возможно, на глубине 1 км или меньше, где давление падает ниже критического значения, — горячие потоки преобразовывались во взрывообразно расширяющийся газ. Подобно шампанскому из откупоренной бутылки, газы и измельченные в порошок камни вырывались наружу, создавая горячие фонтаны золы и воздуха. В более холодных зонах эти легкие подвижные молекулы также должны были подниматься сквозь кору, находя любой путь и постепенно заполняя огромные пространства покорной Земли. Освобожденная при этом вода стала первыми океанами, а газы — первым воздухом.
Никто не знает состава первичной атмосферы Земли{77}. Химически нейтральный газ, который доминирует в нынешнем воздухе, — изначально азот в форме молекул N2 с небольшой примесью аргона — безусловно, присутствовал с самого начала. Атмосфера Земли должна была подождать более 2 млрд лет, пока не накопится благотворный для жизни химически активный кислород O2, другой ее главный современный компонент. В первоначальной смеси должны были содержаться и зловонные вулканические, содержащие серу газы, такие как сероводород (H2S) и сернистый газ (SO2). В раннюю атмосферу Земли вошли также газы, насыщенные углеродом.
Углерод атмосферы сконцентрирован в составе трех простых молекул. Углекислый газ CO2 в наши дни заслужил множество публикаций в прессе (в большей их части он плохой). Это простая молекула — атом углерода в ней встроен в середину аккуратного ряда между двумя атомами кислорода. При низких температурах внешнего космоса углекислый газ, замерзая, может образовывать чистые бесцветные кристаллы, известные как сухой лед. На Земле CO2 — доминирующий в атмосфере углеродсодержащий газ. Его концентрация составляет, согласно последним измерениям, 400 частей на миллион и продолжает повышаться с каждым годом.
Вдали от звезд и планет, в глубоком космосе, где изолированные атомы находят друг друга лишь изредка, единичный атом кислорода может соединиться с единичным атомом углерода в угарный газ CO — одну из самых распространенных молекул космического пространства. Угарный газ всегда был второстепенным компонентом атмосферы Земли — менее одной части на миллион в воздухе, которым мы дышим сегодня. В нашей повседневной жизни угарный газ представляет реальную опасность, потому что он легко образуется при неполном сгорании углеродных видов топлива. При сгорании такого топлива углерод всегда соединяется с кислородом, но если перекрыть поток воздуха к вашей печи или камину, то кислорода для образования углекислого газа окажется недостаточно и ваш дом наполнится угарным газом. Последствия станут катастрофическими.
Угарный газ коварен, потому что он бесцветный и не имеет запаха, вследствие чего наши тела принимают его за кислород O2. Но, в отличие от кислорода, который мы быстро усваиваем при вдохе, угарный газ блокирует человеческое дыхание. Нехватка кислорода вызывает медленную потерю сознания. Мозг умирает, а затем умираете вы.
Третья простая углеродсодержащая молекула в атмосфере Земли — это метан CH4, который вы оплачиваете как «природный газ», когда готовите еду или отапливаете свой дом. Это изящная маленькая молекула с центральным атомом углерода, окруженным пирамидой из четырех атомов водорода. Современная атмосфера Земли содержит лишь следы метана — всего две части на миллион, но, как мы увидим, этого достаточно, чтобы были последствия.
Воздух — пуск остановлен
В каком-то смысле все равно, смесь чего была в самой древней земной атмосфере, поскольку в одно шокирующее мгновение почти 4,5 млрд лет назад защитное воздушное покрывало нашей планеты оказалось стерто с лица Земли.
В самой глубокой древности история атмосферы Земли была наполнена драмой. Огромные вулканы выбрасывали из глубоких недр пар и воздух даже в те времена, когда из космоса дождем сыпались обогащенные летучими веществами кометы. По мере того как толщина окутывающего планету газового слоя увеличивалась, на атмосферу обрушивались удары гигантских камней из космоса, время от времени разрушая внешние границы Земли. Эти стремительные космические камни, диаметр которых иной раз доходил до сотни километров, возможно, крушили и перемешивали внешние слои Земли, но были не в состоянии остановить неуклонную дифференциацию тверди, воды и воздуха.
Но одно столкновение стало исключительным — гораздо большим по площади и намного более разрушительным, чем любое другое событие в истории Земли. В течение десятков миллионов лет, в те времена, когда планеты Солнечной системы образовывались и соревновались за орбитальное пространство, у Земли был достойный соперник планетарных масштабов — имя ему дали Тейя в честь древнегреческой богини, матери Луны. Будучи, возможно, крупнее Марса, но гораздо меньше все еще растущей Земли, Тейя боролась за то же орбитальное пространство, что и наша планета. Какое-то время — может быть, даже несколько десятков миллионов лет — Земля и Тейя исполняли свой опасный танец на расстоянии. Прохождение же поблизости друг от друга, вероятно, вызвало смещение их орбит-близнецов, что привело к неизбежной последней дуэли{78}.
Законы гравитации, диктующие эволюцию солнечных систем, гласят, что две планеты никогда не могут делить одно орбитальное пространство. В какой-то точке они подойдут слишком близко друг к другу, и, когда это произойдет, уверенно делайте ставку на более крупный объект.
В один трагический день — наша планета тогда была еще младенцем около 50 млн лет от роду — Тейя ударилась о Землю. Некоторые модели этого события предполагают прохождение по касательной. Но даже этот почти скользящий удар оказался фатальным для Тейи. Итогом стало ее полное уничтожение: будь у этого планетарного спектакля космический свидетель, наблюдающий с безопасного расстояния, его бы заворожило зрелище того, как Тейя развалилась на части и в основном испарилась, раскаленная добела в смертельных муках.
Вам вполне можно простить, если, наблюдая такую катастрофу, вы бы и не заметили, что еще одной жертвой столкновения стала разреженная атмосфера Земли. Все молекулы воздуха были вытеснены, главным образом выброшены глубоко в космос, чтобы никогда больше не вернуться к уже выигравшей поединок третьей от Солнца планете. Более заметным оказалось огромное светящееся облако испарившихся от удара горных пород — смесь раскаленных обломков мантий Тейи и Земли. Значительная доля этого месива упала обратно в омывающий Землю океан магмы в виде проливных дождей из раскаленных докрасна расплавленных капель. Оставшаяся часть улетела на орбиту, чтобы вскоре собраться в спутник Земли Луну[26].
Пришло время начинать все сначала. Гигантская кнопка перезагрузки, при нажатии которой образовалась Луна, также запустила заново и образование атмосферы Земли. И вот тогда-то глубинный углеродный цикл заработал всерьез.
Подсказки о самой древней атмосфере Земли
Процесс формирования атмосферы происходил более 4 млрд лет назад. Геологи недаром называют неустоявшиеся первые полмиллиарда лет Земли гадейским эоном[27]. Если бы вы отважились оказаться на той обновленной поверхности Земли, у вас бы создалось непреодолимое ощущение неумолимо жестокой и враждебной среды. Сложно сказать, чего стоило опасаться больше — непрекращающегося каменного дождя с неба или беспощадного взрывного вулканизма из глубины. Тем не менее два этих бедствия в совокупности доставили в воздух углерод и запустили углеродный цикл Земли. Новая атмосфера буквально пролилась с небес и изверглась из глубин.
Есть ли у нас возможность узнать природу той эфемерной атмосферы, которая окутывала Землю более 4 млрд лет назад? С тех далеких времен до сегодняшнего дня дожили лишь редкие бесценные микроскопические песчинки отдельных минералов, а также совсем небольшое количество горных пород возрастом более 3,5 млрд лет, сохранившихся в удаленных регионах Австралии, Канады, Гренландии и Южной Африки. Но эти разрозненные кусочки ничего не могут рассказать о природе древнего воздуха.
Тем не менее подсказки о древнем воздухе существуют. О том, что же там могло быть, нам намекают три линии свидетельств от трех разных научных областей — астрофизики, геохимии и планетологии.
Подсказка №1 — Слабое молодое Солнце{79}
Первая раскрывающая суть подсказка о гадейской атмосфере Земли пришла из источника, кажущегося не очень-то вероятным: от физиков, которые изучают эволюцию звезд. Специалисты по астрофизике звезд сообщают нам, что Солнце, как и многие другие звезды, находится сейчас в середине периода стабильности. В течение этого периода, продолжающегося миллиарды лет, звезды наслаждаются спокойствием, размеренно потребляя водород, который в реакциях ядерного синтеза преобразуется в гелий. Взгляните на ночное небо. Девять из каждых десяти звезд, которые вы видите, сжигают водород в реакциях ядерного синтеза, при этом лишь доля процента их водородной массы преобразуется в тепло и свет. Результат этих реакций — именно то, что мы видим и ощущаем как солнечный свет.
Но тут есть загвоздка. Сжигающие водород звезды меняются так медленно, что их сияние остается неизменным долгое время. Изменения невозможно заметить не то что за сотни — за миллионы лет. Тем не менее за миллиарды лет Солнце стало гораздо ярче. Более 4 млрд лет назад наша звезда излучала только 70% сегодняшней мощности. Это огромная разница; если бы такое уменьшение излучающей энергии Солнца произошло в наши дни, оно имело бы немедленные и катастрофические последствия. Земля бы замерзла, лед распространился от полюсов к экватору. Жизнь почти прекратила бы свое существование, остались бы только небольшие локальные колонии простых организмов, впившиеся в теплые влажные зоны рядом с горячими вулканическими жерлами.
В размышлениях о временах того слабого Солнца 4 млрд лет назад нам бы следовало удивляться, как это Земле удалось не покрыться льдом. Те несколько минералов и каменных обломков, которые дожили до нашего времени с первого полумиллиарда лет Земли, определенно не указывают на замерзший мир.
Самым правдоподобным объяснением представляются парниковые газы. Аналогично тому как теплица у садовника может оставаться теплой даже в холодные зимние дни, некоторые атмосферные газы обладают способностью поглощать и захватывать солнечную энергию, уменьшая количество тепла, излучающегося обратно в холодный космос. Водяной пар и облака всегда были частью парникового баланса; сегодня на Земле они отвечают почти за половину жизненно важного парникового эффекта, который сейчас не дает нашей планете замерзнуть. Но одних только молекул воды недостаточно, чтобы компенсировать слабость молодого Солнца. Чтобы захватить достаточно тепла, Земля нуждалась в других молекулах — углеродсодержащих.
Подсказка №2 — Геохимия
Если более 4 млрд лет назад Земле не давали стать замерзшей планетой большие запасы парниковых газов, то где они сейчас? Геохимики, проводящие глобальную инвентаризацию химических элементов Земли, указывают на распространенные сегодня на всех континентах огромные залежи карбонатных минералов, которые не образовались бы в таком изобилии 4 млрд лет назад. Между карбонатами и атмосферным CO2 долгое время существовало равновесие: каждая молекула карбоната в коре — это минус одна молекула углекислого газа в воздухе. Вывод таков: 4 млрд лет назад, когда карбонатных минералов было меньше, бо́льшая часть углерода сидела взаперти в молекулах CO2 атмосферы, а давление воздуха, возможно, в несколько раз превышало нынешние значения.
Некоторые геохимики подозревают в этом сценарии небольшую проблему: они считают, что насыщенная углекислым газом атмосфера была основательно дополнена метаном — газом, который мог быть гораздо более распространен в атмосфере до того, как 2,5 млрд лет назад в ней вдруг резко увеличилось содержание кислорода. Метан — это мощный парниковый газ, каждая молекула которого во много раз эффективнее молекулы CO2. Это изобилие метана могло бы купаться в космических лучах, инициируя различные органические химические реакции и образуя молекулярную дымку, которая, возможно, придавала юному небу Земли отчетливый оранжевый оттенок — такой, как наблюдается на спутнике Сатурна Титане сегодня.
Если бы такая плотная атмосферная смесь углекислого газа и метана внезапно окружила сегодняшнюю Землю, климат бы резко изменился, приблизившись к небывалым условиям оранжереи. Это вопрос равновесия. Парниковый эффект необходим для жизни — без него современная Земля замерзла бы от полюсов до экватора. Но слишком много парниковых газов означает, что удерживается слишком много тепла. Есть вероятность, что мы достигнем атмосферного переломного момента, когда потепление будет освобождать все больше и больше метана и углекислого газа из почвы и пород, что в свою очередь приведет ко все большему потеплению: возникшая положительная обратная связь может спровоцировать возникновение необратимого и неконтролируемого парникового эффекта.
Что бы произошло, если бы все карбонатные минералы в земной коре преобразовались в атмосферный углекислый газ? Что бы произошло, если бы этот огромный резервуар с более чем 200 млн млрд т углерода — в 100 000 с лишним раз больше его содержания в современной атмосфере — внезапно превратился в газовый? Ответ очевиден: Земля стала бы подобна Венере{80}. Венера во многих отношениях является планетарным близнецом Земли — тот же размер, та же плотность и тот же основной химический состав. Но сочетание двух факторов — ее орбиты, расположенной на 40 млн км ближе к ослепительному Солнцу, и плотной существенно углекислой атмосферы, давление которой в 90 раз больше, чем на поверхности Земли, — привело к бесконтрольному парниковому эффекту. Средняя температура поверхности Венеры составляет 480 °C — вполне достаточно, чтобы расплавить свинец.
Возможно, Земле просто повезло. (Поэтому мы и назвали свою зону обитаемости планетой Златовласки[28].) Если это так, то углерод был главной тому причиной.
Подсказка №3 — Метеориты с Земли{81}
Третья, гораздо более умозрительная, линия свидетельств — метеориты с древней Земли — может выявить тонкие детали ранней земной атмосферы. Эта идея не такая сумасшедшая, как выглядит со стороны. Более сотни метеоритов были идентифицированы как пришедшие с Марса, поскольку, когда столкновения с большими кометами или астероидами разрушают ландшафт Красной планеты, камни с ее поверхности разлетаются во все стороны. Неоспоримым свидетельством того, что эти довольно невзрачные булыжники образовались на Марсе, а не были частью астероида или другого объекта, является характерное сочетание молекул газов, сохранившихся в миниатюрных воздушных карманах. Эта смесь точно соответствует соотношению газов, измеренному зондами NASA в марсианской атмосфере.
Итак, представьте себе последствия одного из таких гигантских столкновений астероида с Землей более 4 млрд лет назад. Обломки выбитых с поверхности камней должно было выбросить в космос. Эти куски породы содержат крошечные пузырьки древней атмосферы Земли. А они должны все еще находиться внутри защищающих их минералов. Поэтому все, что нам нужно сделать, — это отправиться на Луну и найти там парочку из бесчисленных тысяч метеоритов с Земли, которые должны были упасть на поверхность нашего светящегося поблизости спутника. На самом деле многие из нас думают, что сбор земных метеоритов — одна из самых веских причин вернуться на Луну и снова пройтись по нашему ближайшему небесному соседу.
Собрать немножко древнего воздуха Земли — это было бы ого-го!
ИНТЕРМЕЦЦО — Глубинный углеродный цикл
Прогуливаясь по сельским холмам Кальдары ди Манциана в Центральной Италии, в окружении лесов, цветов и поющих птиц, вы явно не ожидаете наткнуться на предупредительные знаки, украшенные черепом со скрещенными костями и извещающие вас о смертельной опасности{82}. Что это может быть? Забор под напряжением? Стрельбище? Бродячие медведи?
А затем вы вступаете в небольшую долину — безжизненную низину, полосу оголенной почвы, ярко контрастирующую с зеленой возвышенностью. Что здесь происходит?
Источник этой опасности — углекислый газ. Он течет из земли, невидимый, бесцветный… Будучи тяжелее воздуха, CO2 прижимается к земле, заполняя низины. Когда дует ветер, он не страшен. Поток подземного газа быстро и без неприятных последствий рассеивается. Но в спокойный безветренный день этот более плотный углекислый газ в высокой концентрации вытесняет воздух, которым можно дышать, запуская смертельный сценарий. Жертвами становятся охотники. Их собаки, поскольку они ближе к земле, падают замертво первыми. Если охотник мчится на помощь своему верному спутнику и наклоняется к пораженному животному, его тоже может подстеречь смертельная опасность, о которой он и не ведает.
Углерод перемещается. Как компонент мигрирующей океанической земной коры, он погружается с освещенной солнцем поверхности в глубокие недра в процессе субдукции. А как важный компонент глубинных мантийных флюидов, он высачивается из породы или почвы и выбрасывается из извергающихся вулканов. Атомы углерода сначала осаждаются в виде твердых горных пород из океанов и воздуха, а потом выветриваются из этих твердых пород, чтобы вернуться в океаны и воздух. Однажды высвободившись, атомы углерода омывают Землю в неторопливых океанических течениях и дрейфуют по земному шару в составе изменчивой атмосферы. В то же время живые клетки — от микробов до растений и людей — снова и снова используют атомы углерода, причем со скоростью, которая намного превосходит циркулирование шестого элемента в любом известном неживом мире. Редко найдешь атом углерода, который хоть на недолгое время оставался бы выключенным из этого глобального круговорота длительностью 4,5 млрд лет.
Описанные выше итальянские насыщенные углекислым газом вулканические эманации — убивающие время от времени собак и их хозяев — выходят, когда из глубин поднимается раскаленная углеродсодержащая магма. Какие-то порции этой магмы взаимодействуют с погребенными толщами карбонатных минералов, которые распадаются под действием высокой температуры, при этом происходит смешение углекислого газа мантии и коры. И это тоже часть большого углеродного цикла Земли — цикла, который создал атмосферу и продолжает ее пополнять.
Поделиться книгой: