Дэвид Кристиан - Большая история [С чего все начиналось и что будет дальше]

Чтобы лучше разобраться в том, как действует тектоника плит, нужно рассмотреть границы между ними. На дивергентных границах, подобных тем, что описал Гарри Хесс, вещество из мантии поднимается и отталкивает плиты друг от друга. Но в другом месте, на конвергентных границах, плиты друг к другу подталкиваются. Если у двух плит примерно одинаковая плотность – скажем, это две гранитные литосферные плиты, – они встают на дыбы, как два моржа в схватке за самку. Так образовались Гималаи: за последние 50 млн лет стремительная Индийская плита прошла из Антарктики на север и врезалась в Евразийскую плиту. Но если у двух сближающихся плит разная плотность, например одна состоит из тяжелых базальтовых пород океанической коры, а другая – из более легких континентальных гранитов, все будет иначе. Более тяжелая океаническая плита в зоне субдукции нырнет под более легкую. Она переместится вниз, как сорвавшийся лифт, который проламывает бетонный пол, и унесет породы коры обратно в мантию, где они растворятся. Погружающаяся плита, пытаясь пробурить себе путь в мантию, создаст такое сильное трение и нагрев, что может расплавить и разделить кору над собой, выдавив вверх новые цепи вулканических гор. Так образовались Анды, когда Тихоокеанская плита ушла под ту, что несет на себе западный берег Южной Америки.

Наконец, существуют трансформные границы. Здесь плиты впритирку проходят мимо друг друга, как два кусочка наждачной бумаги, которые плотно соединили и тянут в разные стороны. Трение будет сдерживать скольжение плит, а затем давление вырастет настолько, что неожиданно произойдет резкий рывок. По этим причинам нарастает давление вдоль разлома Сан-Андреас на западном побережье Северной Америки (когда я одно время жил в Сан-Диего, то периодически чувствовал толчки, и, как и многим в Калифорнии, мне пришлось купить страховку от землетрясений).

Циркуляция веществ между атмосферой, поверхностью и мантией Земли серьезно повлияла на химический состав верхних слоев планеты. Она привела к появлению новых типов горных пород и минералов. К тому времени, как жизнь заселила сушу, в результате химических процессов в мантии образовалось уже 1500 отдельных видов минералов [78] Robert M. Hazen . Evolution of Minerals // Scientific American, March 2010. P. 63. . Благодаря тектонике плит планета Земля исключительно динамична химически и геологически.

Тектоника плит также повлияла на температуры на поверхности молодой планеты, а мы уже видели, какую роль они играют в истории жизни на Земле. Средняя температура ее поверхности определяется двумя основными факторами – теплом внутри планеты и солнечным теплом. Их можно примерно рассчитать. Но состав атмосферы позволяет определить, сколько тепла остается на поверхности Земли, а сколько уходит в космос. Особенно важна доля парниковых газов. Это такие газы, как углекислый газ и метан, которые удерживают энергию солнечного света, а не отражают ее. В целом, если парниковых газов много, на Земле становится теплее. От чего же зависит их количество?

Астроном Карл Саган (один из великих первопроходцев в создании современной истории происхождения мира) отмечал, что ответ на этот вопрос жизненно важен, потому что он может разрешить другую загадку. Такие звезды, как наше Солнце, по мере старения испускают все больше энергии, и количество тепла, поступающего на Землю, постепенно увеличивается. Когда планета была молодой, Солнце излучало на 30 % меньше энергии, чем теперь. Так почему же в начале своего существования Земля не была ледяным шаром, слишком холодным, чтобы на нем могла возникнуть жизнь, таким как нынешний Марс? Карл Саган назвал это парадоксом слабого молодого Солнца.

Как оказалось, ответ состоит в количестве парниковых газов в древней атмосфере. Их было столько, что Земля смогла нагреться достаточно для появления жизни. Едва ли в первой ее атмосфере был свободный кислород, но парниковых газов было много, особенно водяного пара, метана и углекислого газа – их извергали из мантии вулканы или поставляли астероиды. Парниковая атмосфера была еще одним важным условием Златовласки для жизни на молодой Земле.

Но насколько эта древняя парниковая атмосфера была стабильна? Или, если обобщить, что позволило поверхности Земли остаться в магическом диапазоне температур между 0 и 100 °С, когда Солнце стало излучать больше энергии? В 70-е годы XX века Джеймс Лавлок и Линн Маргулис утверждали, что, по-видимому, Землю удерживали в диапазоне Златовласки мощные механизмы саморегуляции. Как мы видели, они назвали эти механизмы Геей. Гею образовывала совокупность взаимосвязей между геологией Земли и ее живыми организмами, благодаря которой планета оставалась благоприятной для жизни. Многие ученые по-прежнему скептически относятся к гипотезе Геи. Тем не менее очевидно, что механизмы обратной связи в биосфере существуют и многие из них действительно действуют как термостаты, частично регулируя температуру поверхности планеты. Часть этих механизмов геологические, но в других задействованы живые организмы.

Один из важнейших термостатов имеет чисто геологическую природу, так что он должен был начать работать еще до появления жизни на Земле. Он объединяет тектонику и другой двигатель изменений на планете – эрозию. Если благодаря тектонике горы образуются, то эрозия их разъедает. Ветер, вода и разнообразные потоки химических веществ разрушают горные породы и перемещают их в океаны в соответствии с гравитационным градиентом. Благодаря эрозии горы такие, какие они есть, а не гораздо выше; благодаря тектонике они все вообще не исчезли, превратившись в одну огромную мировую равнину. Конечно, сама по себе эрозия – это побочный продукт тектоники, потому что и ветер и дождь – это порождения недр Земли. А образование гор может ускорить эрозию, потому что гравитация превращает высокогорные реки в разрушительные потоки, которые пропахивают землю и стремительно уносят почвы к океану.

Геологический термостат действует следующим образом. Углекислый газ, один из самых мощных парниковых газов, растворяется в дождевой воде и попадает на Землю в виде углекислоты. Она разъедает горные породы, и побочные продукты этих реакций с высоким содержанием углерода смывает в океан. Здесь часть углерода остается в карбонатных породах. В местах, где в зоне субдукции тектонические плиты погружаются обратно в мантию, часть его (в основном в форме известняка) может оказаться погребена в ней на миллионы и даже миллиарды лет. Таким образом, тектоническая конвейерная лента уносит углерод из атмосферы, в результате чего содержание углекислого газа должно уменьшаться, вызывая похолодание климата. Теперь нам известно, что в мантии захоронено гораздо больше углерода, чем можно найти на поверхности Земли или в ее атмосфере.