Происхождение всего. От Большого взрыва до человеческой цивилизации - Дэвид Берковичи

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.

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.