Эрик Асфог - Когда у Земли было две Луны. Планеты-каннибалы, ледяные гиганты, грязевые кометы и другие светила ночного неба

Приведу еще один знакомый всем пример: поставленная в морозильник банка с водой быстро охлаждается до 0 ℃ и потом остается при этой температуре, пока вся вода не замерзнет. Только полностью затвердев, лед продолжит охлаждаться дальше. В процессе превращения в твердое тело содержимое банки расширяется на 9 %, поэтому, если банка наполнена доверху и закрыта, она лопнет. Расширение льда не только губит банки и заставляет лед плавать по поверхности океанов и озер; также оно является одной из важнейших эрозионных сил на Земле. Вода находит себе путь вглубь горных пород, а затем замерзает, и, расширяясь, крошит их. Именно так в Италии добывают мрамор: зимой заливают воду в щели, которые предварительно высекли в камне. Вода твердеет и расширяется, прикладывая огромную и достаточно ровно распределенную силу. Циклическое замерзание и таяние воды, а также тот факт, что ее молекулы притягиваются друг к другу (поскольку они полярны – то есть несут асимметрично расположенные заряды), являются причиной самых разных геологических процессов: от появления из земли валунов в любом месте, где происходит цикл глубокого промерзания-оттаивания грунта [158], до прорастания в арктических регионах бугров пучения, когда массивы льда до сотен метров в диаметре выдавливаются из земли, как прыщи, из-за накапливания воды вокруг постоянно замерзшего ядра.

Землю иногда называют планетой Златовласки [159]: не слишком горячая, не слишком холодная [160]. Она обращается вокруг стабильной звезды в зоне обитаемости и имеет атмосферу с давлением в один бар [161], состоящую в основном из азота (78 %), кислорода (21 %), почти 1 % аргона, 0,041 % углекислого газа, а также меняющейся доли водяного пара, которая зависит от температуры, давления и местоположения. На уровне моря она обычно составляет 1 %. Без этого атмосферного одеяла средняя температура у поверхности претерпевала бы резкие колебания вокруг среднего значения в –18 ℃. Океаны бы замерзли.

С начала индустриальной эпохи следовое содержание углекислого газа выросло более чем на 40 %, так как наши двигатели сжигают при работе ископаемое углеродное топливо (нефть, газ и уголь). СО 2, основной продукт процесса внутреннего сгорания – газ невидимый (в том смысле, что волны видимого света с ним не взаимодействуют) и в целом весьма инертный. Он не вредит нам, пока не начинает вытеснять кислород, которым мы дышим. Растения в ходе фотосинтеза поглощают углекислый газ и воду, производя атмосферный кислород (О 2), а также органические компоненты биома и источники энергии (углеводы), необходимые для растительной и животной жизни, основанной на соединениях углерода [162].

СО 2– это парниковый газ, и в нашей атмосфере его сейчас слишком много. Видимые (желтые) лучи Солнца проходят сквозь него, чтобы согреть поверхность Земли и океана. Но идущему в обратном направлении инфракрасному излучению согретой поверхности пробиться через него уже сложно. Именно по этой причине небо непрозрачно для астрономических наблюдений в инфракрасной части спектра [163]. На самом деле самый мощный парниковый газ – это вода, но ее вклад в потепление вторичен. Когда температура низка, воздух становится суше и таким образом вода не оказывает заметного эффекта. Когда тепло, атмосфера содержит больше водяного пара, что усиливает парниковый эффект.

На Венере, которая сформировалась ближе к Солнцу и имеет атмосферу, почти целиком состоящую из углекислого газа, парниковый эффект превратился в неудержимо нарастающую катастрофу. Чем теплее становилась Венера, тем больше воды испарялось с ее поверхности, что разогревало планету еще больше и заставляло воду покидать атмосферу под действием сильного солнечного ветра. (Солнечная радиация воздействует на Венеру сильнее, чем на Землю, потому что та находится ближе и имеет очень слабое магнитное поле.) Спустя миллиарды лет почти вся имевшаяся там изначально вода исчезла, хотя значительное ее количество могло сохраниться в мантии, ожидая возможности вырваться наружу. Возможно, в этом не было ничего неизбежного. Если бы там только имелся геологический процесс, отводивший углекислый газ, на Венере не стало бы так жарко и до сих пор сохранились бы жидкие океаны. Ирония состоит в том, что если бы океаны имелись на венерианской поверхности, то был бы и геологический процесс, позволяющий избавляться от всего этого CO 2.

Около поверхности земного океана вода аэрируется благодаря завихрениям волн и образованию пены. Рыбы дышат растворенным кислородом через жабры. Атмосферный углекислый газ тоже растворяется, и часть его реагирует с водой, давая в итоге углекислоту [164]: H 2O + CO 2= H 2CO 3(если упростить длинный ряд реакций). В то же время ионы кальция в результате эрозии континентальных пород попадают в реки, которые несут их в море. Реакция этих ионов с углекислотой высвобождает ионы водорода и приводит к образованию карбоната кальция СаСО 3. Одно из главных вместилищ СО 2является биологическим по своей природе – это экзоскелеты кораллов из минерала под названием арагонит, а также компоненты растений, водорослей и планктона повсюду на залитых солнцем суше и поверхности океана.

Но самый большой резервуар для атмосферного углекислого газа – это его выпадение в осадок, когда вода становится перенасыщенной кальцием и углекислым газом (подобно накипи в вашем чайнике) [165]. Кристаллы CaCO 3скапливаются на морском дне [166], и когда слой этих отложений становится достаточно толстым, он превращается под давлением в такие горные породы, как доломит и известняк. Эоны спустя они могут быть вытолкнуты наверх благодаря выгибанию и разламыванию плит, и тогда образуются фантастические геологические структуры вроде белых скал Дувра или каменного леса в Гуанси.

Это отведение СО 2в ходе образования карбонатов в мировом океане может функционировать как насос, только если постоянно поддерживать его работу. Здесь на сцену выходит тектоника плит: за периоды порядка сотен миллионов лет морское дно погружается в мантию, как конвейерная лента, унося с собой богатые углеродом осадочные породы. На первом этапе этот процесс вызывал падение содержания СО 2в атмосфере.

Когда тектоническое движение плит приобретает устойчивый характер, часть погребенного в мантии СО 2начинает возвращаться в атмосферу через вулканические кратеры. Таким образом на сегодняшний день сложилось равновесие, когда большая часть СО 2заключена в коре и мантии. Если вы пересчитаете на углекислый газ белые скалы Дувра, экстраполируете результат на всю территорию земного шара, а также учтете все то, что, как считают ученые, растворено в мантии, у вас получится атмосфера СО 2с давлением порядка десяти бар, под которой Земля изнемогала бы от жары.