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

Мы также не знаем, зависят ли друг от друга некоторые уникальные условия: если они независимы, это делает их одновременное наличие маловероятным, если же они связаны, одновременность вполне объяснима. Например, наличие воды в жидком виде и тектоники плит (и таких связанных с ними процессов, как вулканизм и суперконтинентальные циклы) сильно зависят друг от друга, и потому их одновременное существование не может быть просто совпадением. Возможно, на любой планете земного типа, где есть вода в жидком состоянии, есть и тектоника плит – мы этого пока просто не знаем. Точно так же гипотеза уникальной Земли предполагает, что эти условия необходимы для развития живой природы, какой мы ее знаем; в каком‑то смысле это лишь «рецепт» для возникновения таких же форм сложной жизни, как на Земле, но не общая теория возникновения сложной жизни вообще. Пока это единственный рецепт, который нам известен. Но мы могли бы узнать рецепты и других форм жизни. Живя на нашей «провинциальной» планете, мы еще слишком мало знаем даже о Солнечной системе и не можем представить себе другие формы жизни.

Независимо от того, существуют ли другие параметры жизнепригодности, мы точно знаем кое‑что о жизнепригодности нашей планеты. А поскольку Земля еще долго будет нашим домом, полезно эти вещи изучить и понять. Когда мы говорим о пригодности для жизни, то на самом деле имеем в виду стабильный климат, который обеспечивает наличие воды в жидком состоянии и устойчивое воспроизводство строительного материала для жизни (питательных веществ), – климат, который не пытается уничтожить нас каждые несколько миллионов лет или около того.

Самый важный ингредиент нашего климата – солнечный свет. В любой момент времени наша планета получает около 170 квадрлн (1,7 × 1017) Вт энергии от Солнца. Если измерять в лампочках яркостью 100 Вт, то Солнце заменяет почти 2 квадрлн лампочек, освещающих одну сторону нашей планеты в любой момент времени, или 13 таких лампочек на каждый квадратный метр поверхности планеты (обычно большинство квартир площадью 25 м² освещается двумя такими лампочками). Бóльшая часть этого излучения приходит в качестве видимого света, значительное количество солнечного света приходит в виде ультрафиолетового излучения (чтобы защититься от ультрафиолета, мы носим солнцезащитные очки и наносим на кожу защитный крем, хотя основной ультрафиолет поглощается озоном в стратосфере). Наконец, некоторая часть солнечного света представляет собой инфракрасное излучение, т. е. практически красный свет.

Одни части поверхности Земли поглощают солнечный свет, другие отражают его обратно в космос. Океаны темные и поглощают много света. Континенты светлее и отражают часть света обратно. Лед, например тот, что покрывает большую часть Гренландии и Антарктиды, отражает почти весь падающий на него свет. В целом поверхность Земли поглощает около 70 % солнечного света (отраженные 30 % обеспечивают «пепельный свет Луны») и поэтому нагревается и излучает энергию обратно в виде тепла или, что то же самое, инфракрасного излучения. Если бы у Земли не было атмосферы, поверхность планеты прогревалась бы в среднем лишь до −20 °С, что намного ниже точки замерзания воды (хотя некоторые части земного шара были бы теплее, а другие холоднее). Однако два важных газа земной атмосферы – водяной пар и углекислый газ – поглощают инфракрасное переизлучение (это означает, что инфракрасные фотоны поглощаются возбуждениями колебаний в этих молекулах) и таким образом удерживают тепло, действуя как покрывало. Хотя ни один из этих газов не является главным компонентом нашей атмосферы (где лидируют азот и кислород), именно они обеспечивают мощный парниковый эффект, укрывая Землю «покрывалом», благодаря которому средняя температура на планете составляет примерно 15 °С.

Земной климат очень чувствителен к тому, сколько солнечного света поглощает и отражает наша планета, а также к тому, сколько парниковых газов содержится в атмосфере. От перепадов этих двух факторов в высокой степени зависят стабильность климата и пригодность нашей планеты для жизни. Излучение Солнца устойчиво возрастает с тех пор, как в нем начались термоядерные реакции. В далеком прошлом солнечный свет был примерно на 30 % слабее, чем сейчас. Но количество солнечного света, которое поглощает Земля, также меняется, потому что ледяные шапки планеты увеличиваются и уменьшаются (что изменяет количество отраженного света), ось вращения Земли, которая проходит через Северный и Южный полюсы, колеблется и прецессирует (об этом явлении мы еще поговорим), орбита Земли тоже меняет наклон, наконец, у самого Солнца есть циклы активности, например 11‑летний цикл Швабе.

Изменения количества парниковых газов также очень важны. Водяной пар является наиболее важным парниковым газом с точки зрения его непрозрачности для теплового излучения. Однако количество воды в атмосфере всегда примерно одинаково, так как атмосфера находится в контакте с океанами, всегда насыщена парами воды и не может впитать ее больше. Если атмосфера слишком сухая, она в конечном итоге впитает испарения. Если она слишком влажная, избыток влаги выпадет в виде дождя. По этой причине воздух всегда стремится быть насыщенным, но не слишком влажным и не слишком сухим. Поэтому, если мы вдруг выбросим в атмосферу больше водяного пара, скажем, в результате извержения вулкана, бóльшая часть этого пара выпадет в виде дождя и, с учетом быстрой циркуляции атмосферы, дождь пойдет задолго до того, как пар приведет к повышению температуры, вызванному парниковым эффектом. Насыщение атмосферы водой имеет большое значение для гидрологического цикла испарений и осадков, которые, как мы увидим, определяют работу общего тектонического термостата планеты. Совсем не так обстояло дело с атмосферой Венеры. Возможно, она была такой горячей, что в ней всегда недоставало влаги, венерианская атмосфера могла содержать больше водяного пара, не проливая его в виде дождя. Водяной пар, вошедший в состав атмосферы Венеры (либо при вулканической дегазации, либо от испарения океана, если на Венере когда‑то был океан), делал атмосферу более горячей, что заставляло ее испарять еще больше воды, что сделало бы ее еще горячее… И так далее. Это называется необратимым парниковым эффектом.

Метан также является очень мощным парниковым газом, но в настоящее время присутствует в атмосфере в малых количествах (хотя его доля неуклонно растет). Когда жизнь только появилась, а Солнце было тусклее, метана, возможно, было намного больше. Сейчас срок жизни метана в атмосфере не достигает 10 лет, так как он эффективно реагирует с атмосферным кислородом (а конкретнее, с кислородосодержащими радикалами в стратосфере) и образует более слабые парниковые газы, углекислый газ и воду.

Углекислый газ – более мощный парниковый газ, чем водяной пар, но более слабый, чем метан, однако у него уникальная история распределения в различных частях Земли. В свое время в атмосфере содержалось много углекислого газа, сейчас он в основном содержится в коре и в меньшей степени – в океанах и биосфере (ниже мы поговорим об этом подробнее). Но когда в атмосферу высвобождается даже небольшая часть этого огромного скрытого резервуара углекислого газа, требуется очень много времени, чтобы вытеснить его оттуда. Углекислый газ не выпадает в виде дождя, как вода, и не исчезает быстро в результате реакций, как метан. Самый быстрый и самый эффективный способ избавления от углекислого газа – растворение в океане, но даже это происходит очень медленно (мы обсудим это чуть позже). Поэтому углекислый газ задерживается и накапливается в атмосфере в течение многих столетий или даже больше, оказывая огромное влияние на климат.