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

Но каким образом вода и углекислый газ смогли попасть на поверхность Земли, если они находились глубоко внутри планеты? Во‑первых, если океан магмы действительно существовал, что кажется вполне правдоподобным, то при его кристаллизации было бы выделено значительное количество летучих газов, таких как вода и углекислый газ. Можно предположить, что первоначально океан магмы содержал в себе летучие вещества из исходных строительных блоков планет, например хондритов. Если бы весь океан магмы единовременно остыл, летучие вещества остались бы растворенными в конечной твердой мантии в малых концентрациях и при этом были бы широко распространены. Однако океан магмы должен был представлять собой смесь различных компонентов, одни из которых остывали быстрее, чем другие. Жидкие части, которые застывали медленнее, сохраняли все большее количество воды и углекислого газа, так как жидкости растворяют гораздо больше этих летучих веществ, чем кристаллизующиеся вещества. (Хорошим примером того, что жидкости лучше растворяют большинство химических веществ, служит вода – она растворяет соль намного эффективнее льда, даже в морском льду соли почти нет.) К тому моменту, когда океан магмы окончательно остыл, остатки расплава содержали много летучих веществ. Легкие расплавы поднялись к поверхности, более глубокие и более плотные ушли вниз, сформировав нижний слой океана магмы (этот процесс описывался в главе 4). Так как плавучие жидкости поднимаются к зонам более низкого давления, они начинают хуже растворять летучие вещества и потому высвобождают их (вот почему бутылка газировки шипит, когда вы открываете крышку и давление падает: углекислый газ внезапно становится нерастворимым и создает пузыри). Последние плавучие расплавы в остывшем океане магмы вначале накопили бы, а затем выпустили много воды и углекислого газа, высвобождая их в виде газа на поверхность планеты и, вероятно, делая это довольно быстро (по геологическим меркам).

Весьма вероятно, что благодаря затвердению океана магмы образовалась бóльшая часть первоначальной воды и состоящей из углекислого газа атмосферы, однако мантия продолжала медленно выделять газы и воду даже после того, как затвердела. Даже если бы океана магмы не было, из мантии все равно просочились бы вещества, из которых впоследствии образовалась ранняя атмосфера, просто этот процесс был бы более продолжительным. Мы уже упоминали, что в твердой мантии процессы конвекции протекают медленно и, по мере того как горячие поднимающиеся горные породы приближаются к поверхности и входят в зоны более низкого давления, они плавятся легче (хотя ненамного, возможно, на десятые доли процента). Этот расплав остается на поверхности, образуя кору, почти всегда океаническую. Как отмечалось выше, когда расплав только формируется, он намного лучше твердой породы растворяет летучие вещества, такие как вода и углекислый газ. Таким образом, когда мантия плавится, вода и углекислый газ, растворенные в горных породах, стремительно переходят (если позволите так выразиться) в расплав, который наполняется этими летучими веществами. Поднимаясь к поверхности Земли, расплав входит в зоны более низкого давления и, как откупоренная бутылка газировки, начинает выпускать газ. Именно это заставляет вулканы извергаться – быстрое высвобождение воды и углекислого газа в поднимающейся магме. Застывая на поверхности Земли или вблизи нее, магма уже не может растворять газ, и оставшаяся часть газа высвобождается. Суть в том, что небольшое количество расплава твердой мантии вбирает в себя эти газы и доставляет их на поверхность, это происходит исключительно за счет всевозможных форм вулканизма – от мощных извержений вулканов до мирного выброса лавы глубоководными центрами спрединга. Что бы ни было причиной – океан магмы и/или вулканизм, не требуется много расплава, чтобы извлечь летучие вещества из гигантской мантии для создания океанов и атмосферы.

Какая же гипотеза происхождения атмосферы верна – эндогенная или экзогенная? В естественных науках редко удается дать четкий однозначный ответ. Лучшим ответом, вероятно, будет то, что вода и другие летучие вещества попадали в атмосферу Земли, вероятно, обоими путями. Но какой путь – эндогенный или экзогенный – имел большее значение? Один из основных аргументов против экзогенной гипотезы (гипотезы позднего вмешательства) состоит в том, что химический состав комет (его можно измерить с помощью телескопов по спектру отраженного от комет света, а иногда и напрямую, с помощью космических аппаратов) отличается от того, что содержат океаны Земли. Наиболее очевидным признаком является соотношение количества дейтерия (тяжелого водорода с одним протоном и одним нейтроном в ядре) и обычного водорода (у которого в ядре только один протон). Это отношение обычно значительно больше на кометах, чем на Земле (т. е. на кометах больше дейтерия). Диапазон этого соотношения для комет, однако, довольно широк и превышает значения Земли не намного, так что это нельзя считать явным аргументом в пользу данной теории. Тем не менее другие подобные соотношения, например между изотопами азота, показывают, что их количество у комет и у Земли очень различается. В то же время химические и изотопные составы метеоритов из пояса астероидов, а именно хондритов, совпадают с земными. Таким образом, изотопные доказательства в целом указывают на то, что океан и атмосфера не «доставлены с запозданием» из космоса, а зародились внутри Земли и попали на поверхность в ходе ее аккреции хондритовыми строительными блоками. Кроме того, гипотеза позднего внешнего вмешательства основана на идее, что тяжелая метеоритная бомбардировка должна была уничтожить атмосферу не раньше чем 4 млрд лет назад (или даже немного позже). Но австралийские цирконы, которые мы упоминали выше, позволяют сделать вывод, что вода в состоянии жидкости уже имелась на поверхности Земли более 4 млрд лет назад, несмотря на горячую и враждебную окружающую среду.

Учитывая все имеющиеся на сегодняшний день доказательства, можно сделать вывод, что атмосферы на Земле появлялись в основном путем дегазации, т. е. «просачивались» изнутри нашей каменистой планеты при затвердевании океана магмы, а затем и во время вулканической активности или при обоих процессах сразу. Первичная атмосфера Земли не имела ничего общего с сегодняшней атмосферой: если ее образовал вулканический газ, она должна была состоять, главным образом, из углекислого газа и воды.

И углекислый газ, и вода являются парниковыми газами: они пропускают видимый свет от Солнца, который согревает землю; тепло от земли исходит в виде инфракрасного излучения, которое поглощается парниковыми газами, как одеяло нагревающими поверхность нашей планеты. При большом количестве углекислого газа и воды в атмосфере Земли могло скопиться много тепла, поэтому было очень жарко – температура поверхности, возможно, превышала 200–300 °С, что весьма отличается от современных 15 °С. Похожая по размеру и химическому составу на Землю, Венера могла бы иметь такой же состав атмосферы, но она расположена немного ближе к Солнцу, на ней намного более сильный парниковый эффект, и ее поверхность была еще горячее. Венера все еще близка к тому состоянию, имея температуру поверхности около 500 °С. Изначально на Земле и на Венере было примерно одинаковое количество углекислого газа в атмосфере и, возможно, воды. В наши дни массивная атмосфера Венеры все еще содержит большую часть того углекислого газа, а давление на ее поверхности в 90 раз больше, чем на Земле. (На Земле, чтобы испытать давление в 90 атм, нужно опуститься на подводной лодке на глубину 1000 м). Вероятно, в атмосфере Земли было почти такое же содержание углекислого газа, эквивалентное по меньшей мере давлению в 60 атм. Однако сейчас на Земле и Венере наблюдаются совершенно разные условия.