Текст книги "Загадки мироздания"
Автор книги: Айзек Азимов
сообщить о нарушении
Текущая страница: 10 (всего у книги 24 страниц)
ЭВОЛЮЦИЯ АТМОСФЕРЫ
1960-е годы принесли нам новые знания об атмосфере соседних планет. Наблюдения, полученные с зондов, поднявшихся высоко над нашей собственной атмосферой, предоставили свидетельства того, что облака на Венере состоят из ледяных частиц. Mariner 4, пролетая в 1965 году мимо Марса, сообщил нам, что его атмосфера гораздо тоньше, чем считалось раньше.
Но все эти недавние наблюдения лишь подтверждают предположения астрономов, выдвинутые давным-давно. Наша земная атмосфера уникальна и не похожа на атмосферу ни одной планеты из тех, что находятся в зоне досягаемости.
Атмосферы известных нам планет можно классифицировать по четырем категориям:
во-первых, у планеты или другого холодного небесного тела может вообще не быть атмосферы или атмосфера может быть столь тонкой, что различить ее из космоса невозможно;
во-вторых, атмосфера может быть богатой водородом и его соединениями и являться, таким образом, благоприятной для восстановительных реакций. Такую атмосферу можно назвать «восстановительной»;
в-третьих, атмосфера может быть богатой кислородом, и тогда ее можно назвать «окислительной»;
в-четвертых, в атмосфере может не содержаться ни водорода, ни кислорода, а только те газы, которые не участвуют ни в окислительных, ни в восстановительных реакциях. Такую атмосферу можно назвать «нейтральной».
Планеты нашей Солнечной системы (за исключением Плутона [7] [7]С августа 2006 года Плутон вообще не считается больше планетой Солнечной системы, согласно решению прошедшей в Праге Генеральной ассамблеи Международного астрономического союза. Таким образом, сейчас считается, что в Солнечной системе всего восемь планет. ( Примеч. пер.)
[Закрыть], об атмосфере которого мы вообще не знаем ничего) распределяются по вышеперечисленным категориям таким образом:
1) отсутствующая или почти отсутствующая атмосфера: Меркурий;
2) восстановительная атмосфера: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун;
3) окислительная атмосфера: Земля;
4) нейтральная атмосфера: Венера, Марс.
Из 31 спутника планет Солнечной системы единственный, о котором известно, что у него есть атмосфера, – это Титан, крупнейший спутник Сатурна. Его атмосфера – восстановительная. Все же остальные спутники, включая нашу Луну, атмосферы не имеют или почти не имеют.
Короче говоря, нигде в нашей Солнечной системе, кроме самой Земли, окислительной атмосферы нет. Нигде больше нет свободного кислорода.
Почему?
Начнем с рассмотрения того облака пыли и газа, из которого, как принято считать, возникла наша Солнечная система. По мнению астрономов, около 90 процентов этого облака составлял водород, а еще 9 процентов – гелий. В оставшийся 1 процент вошли кислород, неон, азот, углерод, кремний, магний, железо, сера и аргон, скорее всего, именно в таком порядке убывания концентрации, и прочие элементы – в еще меньшем количестве.
Углерод, кремний, магний, железо и сера при обычной температуре – твердые вещества и образуют друг с другом твердые же соединения (карбиды, силициды и сульфиды). По мере образования в облаке завихрений атомы и молекулы этих веществ начали слипаться с образованием сначала песчинок, затем камней, а в конце концов – и так называемых «малых планет». Вокруг этих последних со временем сформировались планеты. Что касается Земли, то на ней тяжелые металлы осели в самом ядре, а каменистые вещества образовали толстую внешнюю кору.
Водород, ввиду своего подавляющего количественного преобладания, вступал в соединение с чем угодно. Он соединялся с кислородом, образуя воду (Н 20), с азотом, образуя аммиак (NH 2), с углеродом, образуя метан (СН 4), с серой, образуя сероводород (Н 2S). Вот с гелием, неоном и аргоном водороду соединяться не удавалось, поскольку эти три газа являются так называемыми «благородными» (инертными) и вообще не вступают ни в какие соединения, насколько нам известно.
Все эти вещества – водород, гелий, неон, аргон, вода, аммиак, метан и сероводород – имеют низкую температуру плавления, то есть при обычных температурах являются газами, за исключением воды, которая, впрочем, тоже представляет собой легко испаряющуюся жидкость.
При тех низких температурах, при которых образовывались планеты, некоторые из этих веществ (в первую очередь это относится к воде и аммиаку) могли быть твердыми и наравне с металлами и камнями образовывать ядра малых планет. Да и те вещества, что сохраняли газообразную форму, тоже могли попадать в эти ядра, заполняя полости в них.
Но затем в центре Солнечной системы огромная масса вещества сконденсировалась до такой степени, что внутреннее нагревание породило ядерный взрыв. Родилось Солнце.
Солнечное тепло испарило все вещества, имеющие низкую температуру кипения, и из недр формирующихся планет начали выделяться газы. Эти газы не вступали в химическую реакцию с твердым веществом планеты – их удерживала теперь только сила тяготения. Если молекулы газа двигались медленно, то слабой гравитации оказывалось достаточно, чтобы удержать их; если же они двигались быстро, то планета теряла их.
Чем выше температура газа, тем быстрее движутся его молекулы и тем легче их потерять. Малые планеты, находившиеся близко к Солнцу, получая от него больше всего тепла, стали быстро терять атмосферу. Газы, сдуваемые солнечным ветром (состоящим из вылетающих из Солнца частиц), уносились во внешние, более холодные регионы Солнечной системы.
По мере формирования внешних планет они обретали значительную атмосферу, не только за счет собственного газа, но и за счет газа, поступающего из более теплых глубин Солнечной системы, утраченного более близкими к Солнцу планетами. Именно поэтому Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун так велики по сравнению с «внутренними» планетами. Они состоят по большей части из водорода и его соединений, которых было так много в первоначальном газовом облаке. Эти планеты имеют толстый слой восстановительной атмосферы, состоящей из водорода, гелия, аммиака и метана.
А вот внутренняя группа малых планет полностью утратила свою первоначальную атмосферу. Свободный водород и инертные газы улетучились навсегда. Часть молекул воды, аммиака, метана и водорода осталась на планетах только за счет удержания слабыми химическими связями с твердой корой.
Но процесс образования полноценных планет из древних малых планет продолжался – планеты увеличивались и их гравитационные поля – тоже. Внутренние ядра планет нагревались, молекулы газов высвобождались из химических соединений и устремлялись наружу, вылетая на поверхность под действием внутреннего давления или в результате вулканической деятельности. Меркурий так и не увеличился до достаточных размеров, чтобы удерживать эти газы в условиях непрекращающегося нагревания со стороны близко расположенного к нему Солнца. Из-за малого размера и слабого гравитационного поля он и сейчас практически лишен атмосферы.
Другие близкие к Солнцу планеты – Венера, Земля и Марс – увеличились в размерах больше, чем Меркурий, и при этом сохраняли менее высокую температуру, так что им удалось удержать часть газов при себе. Сравнительно небольшой Марс удержал лишь тонкий слой атмосферы, Земля и Венера смогли сохранить больше. Молекулы аммиака, метана и водорода окутали Венеру, Землю и Марс тонким слоем «вторичной атмосферы», восстановительной по своим химическим свойствам.
Из недр планет вырвалась наружу и вода. Некоторое количество ее так и осталось в газообразном виде в атмосфере, но большая часть все же сконденсировалась в жидкость. На Земле медленно образовывались огромные океаны, но на Венере, которая меньше и горячее Земли, и воды осталось явно меньше, а на совсем небольшом Марсе – еще меньше.
Именно в условиях восстановительной атмосферы и зародилась жизнь. Более того, именно такая атмосфера и является обязательным условием для зарождения жизни (см. главу 9). Для того чтобы жизнь могла зародиться, сначала должны были сформироваться сложные молекулы, состоящие в основном из атомов водорода и углерода. Если бы атмосфера тогда была бы насыщена, как сейчас, свободным кислородом, то эти молекулы не смогли бы сформироваться.
Кроме того, такие молекулы могли образоваться только за счет энергетически насыщенного ультрафиолетового излучения Солнца, которое без помех обрушивалось на древнюю атмосферу и океан. Если бы в атмосфере содержался кислород, он отразил бы ультрафиолет и океан не получил бы необходимой энергии.
Да, та же самая энергия ультрафиолета, которая помогла сформироваться первым сложным углеводородным молекулам, послужила бы разрушению тех из них, что стали бы слишком сложными. Так что простейшие формы жизни, имевшие уже очень сложный молекулярный состав, могли существовать только в океане на глубине нескольких десятков метров, куда уже не проникали ультрафиолетовые лучи. В верхних слоях воды могли формироваться умеренно сложные молекулы, чтобы потом, опускаясь вниз, служить пищей первым живым существам.
Но даже по мере развития жизни на Земле атмосфера продолжала эволюционировать. Ультрафиолетовое излучение, пробиваясь сквозь атмосферу, разлагало молекулы воды на свободный водород и свободный кислород (этот процесс называется «фотодиссоциацией»).
Чем меньше масса молекулы газа, тем быстрее она движется при любой заданной температуре и тем легче ей вырваться за пределы гравитационного поля. Атомы водорода, высвобожденные после распада молекулы воды, постепенно покидали нашу планету, улетая в межпланетное пространство.
А вот атомы свободного кислорода оказались достаточно массивны, чтобы гравитация Земли смогла удержать их. Они соединялись между собой, образуя молекулярный кислород (где каждая молекула состоит из двух соединенных между собой атомов кислорода), который далее уже вступал в соединение с другими веществами. Соединение кислорода с каменистыми веществами, содержащимися в почве, давало окислы минералов – в основном силикаты. Соединялся кислород и с атмосферными газами – аммиаком, метаном, сероводородом, образовывая в ходе реакций в первом случае азот и воду, во втором – углекислый газ и воду, а в третьем – серу и воду.
Образованная в ходе этих реакций вода также подвергалась фотодиссоциации, и процесс продолжался. Сера входила в состав твердой коры, образовывая сульфиды или в соединении с кислородом – сульфаты. Атмосферные аммиак и метан постепенно полностью перешли в азот и углекислый газ за счет постепенного уменьшения водных запасов. Так восстановительная атмосфера сменилась нейтральной.
На Марсе аналогичный процесс на этом и закончился. Его тонкая атмосфера состоит сейчас практически целиком из углекислого газа, а водные запасы планеты снизились настолько, что воды еще хватает на образование тонких полярных ледяных шапок.
На Венере атмосфера сейчас состоит, предположительно, из азота и углекислого газа. Воды на этой планете достаточно много и сейчас, но все же ее водные запасы ученые оценивают как 1/10000 от земных.
Атмосфера Венеры всегда была толще, чем атмосфера Марса, поэтому и сейчас в ней гораздо больше углекислого газа, чем в марсианской, и это принципиально важный момент.
Углекислый газ практически не поглощает свет видимой части спектра, но инфракрасное излучение поглощает в значительной степени. Солнечный свет проходит сквозь атмосферу, содержащую углекислый газ, попадает на сушу и море и поглощается в форме тепла. Нагретая поверхность отдает часть тепла обратно в виде инфракрасного излучения, но атмосферный углекислый газ поглощает его, и тепло не уходит; в результате атмосфера нагревается.
Планета, атмосфера которой бедна углекислым газом и другими газами, поглощающими излучение, будет оставаться холодной, упуская инфракрасное излучение в космос, а другая планета, пусть даже находящаяся на таком же расстоянии от Солнца, но богатая атмосферным углекислым газом, будет, удерживая инфракрасное излучение, нагреваться. Такое действие углекислого газа называется «парниковым эффектом», поскольку стекло или пленка в парнике выполняют ту же функцию пропускания света и удержания инфракрасного излучения, благодаря чему в парнике тепло и влажно даже зимой.
По мере того как атмосфера Венеры становилась нейтральной и в ней образовывалось все больше и больше углекислого газа, температура этой атмосферы становилась все выше и выше. В конце концов температура и атмосферы и самой планеты достигла такой точки, при которой вода стала испаряться, образовывая облака. Сейчас эти облака вечно покрывают всю территорию планеты. Водяные пары тоже поглощают инфракрасное излучение, так что присутствие облачного слоя в атмосфере Венеры еще больше усилило парниковый эффект.
Создается впечатление, что такой процесс может продолжаться и дальше, при условии, что изначально имелось достаточно воды. Кислород будет и дальше выделяться в атмосферу, а когда весь аммиак и весь метан будут превращены в азот и углекислый газ, а все каменистые вещества поверхности планеты – в силикаты, поступающий с этого момента кислород начнет накапливаться в атмосфере как таковой. Однако этого не происходит.
Как только свободный кислород попадает в атмосферу, он начинает поглощать ультрафиолетовое излучение, в процессе чего двухатомные молекулы обычного кислорода превращаются в более энергетически насыщенные трехатомные молекулы озона.
Озоновый слой образовывается в верхних слоях атмосферы и поглощает ультрафиолет. По мере накопления озона все меньше ультрафиолетовых лучей пробивается через его слой и достигает нижних слоев атмосферы, где находятся водяные пары. В конце концов фотодиссоциация прекращается. Таким образом, фотодиссоциация – это процесс саморегулирующийся. С ее помощью восстановительная атмосфера может превратиться в нейтральную, как и произошло на Марсе и на Венере, но не в окислительную.
Как же получилась окислительная атмосфера на Земле?
Сначала на Земле имела место такая же фотодиссоциация, как и на Венере, только, наверное, она проходила медленнее, так как Земля находится дальше от Солнца и получает меньше ультрафиолета. Но запасы воды на Земле все равно уменьшались, а атмосфера ее постепенно становилась нейтральной, так что планета потеряла в конечном итоге около половины от общих своих запасов воды. К счастью, Земля могла себе это позволить – на ней осталось еще достаточно воды, чтобы хватило на тот океан, который мы имеем сегодня.
Но на этом процесс на Земле, в отличие от Венеры, не закончился. Появился новый фактор, связанный с эволюцией океанских живых форм первобытной Земли. Без этого фактора первые формы жизни ждал бы невеселый конец – появись они на Марсе, им оставалось бы лишь безропотно ждать, пока пересохнут дающие им жизнь водоемы, а возникни они на Венере – быстро сварились бы насмерть в кипящей воде перегретой планеты.
Земную жизнь ждала бы такая же печальная участь, если бы не пришло неожиданное избавление. В то время существовала еще только одноклеточная жизнь, не сложнее современных бактерий. Эти существа безвольно плавали в океане на определенной глубине, питаясь кусочками сложных молекул, падающими сверху. Питание первобытных одноклеточных зависело от того, с какой скоростью ультрафиолетовое солнечное излучение может производить для них пищу.
И вдруг появилась молекула, которую мы знаем под названием «хлорофилл». Эта молекула строится вокруг сложного, но стабильного атомного кольца, которое создается из более простых молекул под воздействием ультрафиолетового света. Иногда у такого кольца появляются короткие радикалы – цепочки атомов, торчащие в разные стороны от самого кольца. Из определенного сочетания таких радикалов и получился хлорофилл – вещество, способное поглощать свет видимой части спектра, лучше всего красной. Зеленый свет хлорофилл отражает, так что внешне он имеет яркий зеленый цвет. Поглощая видимый свет, хлорофилл получает из него энергию, и эта энергия производит определенные химические изменения.
Когда в клетках живых существ появился хлорофилл, они обрели важный инструмент, позволивший им делать то, чего они раньше никак не могли. Теперь первобытные одноклеточные получили возможность, поглощая энергию видимого света, проводить с ее помощью ряд химических реакций, заканчивающихся образованием сложных пищевых молекул, которыми клетка может питаться, не дожидаясь получения пищи извне. Этот процесс известен нам как фотосинтез.
Одним из следствий распространения фотосинтеза стало то, что теперь энергия уже видимого света стала широкомасштабно использоваться для разложения воды на водород и кислород. В отсутствие хлорофилла видимый свет, энергетическое содержание которого ниже, чем ультрафиолетового, таких реакций вызывать не может.
Под воздействием множества клеток, оснащенных хлорофиллом, вода распадается гораздо быстрее, чем под действием ультрафиолета. Клетки, в которых использовался хлорофилл, получали больше пищи и размножались быстрее, чем клетки, в которых хлорофилла не было. Со временем, по прошествии множества лет, практически все первобытные живые существа стали использовать хлорофилл, и фотосинтез стал основным способом существования. Поскольку хлорофилл зеленого цвета, то и все живое на Земле позеленело.
Может показаться, что фотосинтез должен был лишь ускорить процесс распада воды и приблизить тем самым переход от восстановительной атмосферы к нейтральной. Но нет, фотосинтез способен на большее!
Теперь стадия нейтральной атмосферы перестала быть конечной для эволюции. После окончательного формирования нейтральной атмосферы и появления излишков кислорода в свободном виде в верхних слоях атмосферы действительно сформировался защитный кислородный, а затем и озоновый слой. Ультрафиолетовое излучение перестало достигать поверхности планеты, и фотодиссоциация прекратилась. Но видимый свет по-прежнему продолжал проникать в глубь атмосферы, и фотосинтез продолжался. Фотосинтез, в отличие от фотодиссоциации, не саморегулирующийся процесс в этом отношении. В воздух выделялось все больше и больше кислорода, и атмосфера Земли, пройдя стадию нейтральности, стала окислительной.
Пусть так, но почему углекислый газ, накапливаясь в атмосфере, не привел к парниковому эффекту и земные океаны не закипели, подобно венерианским?
К счастью, распад молекул воды не единственная химическая реакция, вызываемая фотосинтезом. Образующиеся в результате распада молекулы водорода не попадают в атмосферу, чтобы потом постепенно улетучиться в космос. Вместо этого, водород принимает участие в ряде химических реакций, заканчивающихся соединением его с углекислым газом для образования крахмала и других составляющих растительных клеток.
Таким образом, фотосинтез, хоть и приводит к выбросу в атмосферу кислорода, не выбрасывает при этом и водород, а использует его для очистки атмосферы от углекислого газа. В итоге земная атмосфера стала практически полностью состоять из азота и кислорода.
Когда именно все это происходило – точно неизвестно. Самые правдоподобные предположения, основанные на химическом составе древних камней, говорят о том, что свободный кислород появился в атмосфере один-два миллиарда лет назад, а жизнь на Земле к тому моменту уже существовала еще один-два миллиарда лет.
Примерно 600 000 000 лет назад количество кислорода в атмосфере составляло уже как минимум одну десятую от сегодняшнего. Это вызвало биологическую революцию, и наступил, по терминологии геологов, кембрийский период.
До кембрийского периода, когда в атмосфере не было или почти не было кислорода, простейшие формы жизни получали энергию из сложных органических молекул путем разложения их на более простые без произведения каких-либо принципиальных изменений в их химическом строении. Такой процесс называется «ферментация».
Однако, когда в атмосфере появилось более-менее значительное количество кислорода, живые существа, в метаболизме которых используется объединение питательных веществ с атмосферным кислородом, смогли получать из того же количества питательных веществ в двадцать раз больше энергии.
Получение доступа к такому объему энергии стало для жизни сильнейшим толчком к развитию. За сто миллионов лет кембрийского периода появились первые сложные живые формы и разнообразие их многократно возросло.
Возникли первые многоклеточные организмы из собравшихся воедино клеток. Оказавшись в составе таких организмов, определенные группы клеток получили возможность специализироваться. Некоторые из них научились быстро сокращаться, другие – проводить электрические импульсы. Так появились мышцы и нервы. Для придания организму структуры, не позволяющей погибнуть под собственной тяжестью, а заодно и для защиты от внешних воздействий появились раковины и другие жесткие конструкции. Казалось, нет предела изобретательному разнообразию форм жизни, получившей наконец-то доступ к настоящим объемам энергии.
Эти раковины и другие жесткие конструкции оставались и после смерти самого организма и за тысячи лет окаменели. Камни кембрийского периода хранят очень много подобных останков, именуемых «окаменелостями», в то время как в камнях, датируемых более ранними периодами, окаменелости отсутствуют.
Предположительно, примерно 400 000 000 лет назад содержание кислорода в атмосфере достигло сегодняшнего уровня. Озоновый щит прочно прикрывал планету, и ультрафиолетовые лучи достигали ее поверхности в столь малом количестве, что живые формы вполне могли долго находиться на открытом солнце без вреда для себя.
Тогда живые существа впервые в истории вышли на сушу, чтобы заселить континенты.
Но эволюция атмосферы не закончилась, придя к сегодняшнему состоянию. Содержание то одного, то другого вещества в ней периодически колебалось, и самые важные последствия имели колебания содержания углекислого газа.
Сегодня углекислый газ составляет лишь 0,03 процента атмосферы, но его значение непропорционально велико. Не только потому, что он представляет собой единственный продукт питания всей растительной (а следовательно, и животной) жизни на Земле, но и ввиду обеспечиваемого им парникового эффекта. Даже небольшие колебания концентрации углекислого газа могут оказывать сильное влияние на температуру Земли.
В истории были периоды, когда благодаря вулканической активности по всей планете в воздух выбрасывалось необычно большое количество углекислого газа и его концентрация несколько повышалась. В атмосфере накапливалось при этом чуть больше тепла, и Земля начинала нагреваться. В тепле и в условиях большого количества углекислого газа по всей планете начинался расцвет растительной жизни, сушу устилали густые леса. Именно после таких периодов и появлялись угольные и нефтяные месторождения, обязанные своим происхождением живым существам таких лесов.
А бывало и так, что в периоды активного горообразования огромные объемы каменистой породы выталкивались из недр Земли на поверхность. Вещества этих новых гор, ранее никогда не входившие в контакт с воздухом, начинали вступать в соединение с атмосферным углекислым газом для образования карбонатов. В результате количество свободного углекислого газа в атмосфере падало, парниковый эффект ослабевал и Земля остывала. Если она остывала ниже определенного порога, начинался ледниковый период. Сейчас мы находимся в конце затянувшегося периода горообразования и нашествия ледников.
Однако теперь человечество и само, посредством собственных технологий, оказывает влияние на климат.
Человек добывает из земли уголь и нефть, которые откладывались миллионами лет, и сжигает все за пару веков. При этом снова образовывается углекислый газ, тысячи лет назад встроенный растениями в собственные ткани, ставшие потом углем и нефтью.
Ежегодно сжигается шесть миллиардов тонн угля, нефти и природного газа, и уровень углекислоты в атмосфере медленно растет (несмотря на то что в основном она растворяется в океане и потребляется растениями). Подсчитано, что если темпы производства человеком углекислого газа останутся на прежнем уровне, то к 2000 году его будет содержаться в атмосфере на 25 процентов больше, чем сейчас, а к 2300 году – вдвое больше.
От наличия в воздухе 0,06 процента углекислого газа никто из нас не отравится, конечно, но что же произойдет с парниковым эффектом? Средняя температура на Земле медленно поползет вверх. Она уже несколько поднялась в первой половине XX века, возможно, именно благодаря увеличению содержания углекислого газа в воздухе.
Если на Земле станет чуть теплее, можно ожидать таяния полярных льдов, в результате чего уровень воды в Мировом океане поднимется. Даже если считать, что увеличившееся давление воды продавит океанское дно, все равно после полного таяния ледниковых шапок уровень моря будет метров на 60 выше, чем сейчас.
Все прибрежные территории континентов, где сейчас проживает больше всего людей, окажутся затопленными. Правда, по предварительным подсчетам, даже при самом резком развитии ситуации полностью полярные шапки растают не быстрее чем лет за 400, так что у человечества будет время подготовиться. Например, справиться с ситуацией помог бы полный отказ от сжигания угля и нефти в пользу применения атомной энергии. Специально разработанные устройства для широкомасштабного устранения углекислого газа из атмосферы могли бы остужать Землю, а по океанам можно было бы рассеивать вещества, с помощью которых удавалось бы эффективнее отражать солнечный свет.
В качестве последнего средства можно было бы переселить людей из некоторых районов поближе к полюсам – ведь эти пустынные сейчас местности смогут в случае потепления прокормить множество людей.
Атмосфера Земли, не раз уже устраивавшая кризисные ситуации всему живому на нашей планете, грозит уже в ближайшем будущем разразиться еще одним небывалым кризисом.
