Планеты и жизнь - Лев Мухин

Итак, мы снова встретились с этим термином, и теперь нам нужно разобраться, что же это такое.

Парник в обычном понимании этого слова знаком каждому. Так вот, аналог парника, но уже в планетарном масштабе, мы имеем и на Земле и на Венере, Что он собой представляет?

На поверхность планеты падает излучение Солнца, причем большая часть энергии приходится на ту область длин волн, которая соответствует температуре внешней части нашего Солнца — около 6 тысяч градусов Цельсия. Другими словами, львиную долю солнечной энергии Земля получает в ультрафиолетовой и видимой части спектра. Отдает же, переизлучает энергию в пространство наша планета в инфракрасной области спектра, так как температура Земли гораздо ниже температуры Солнца. Но если атмосфера задерживает очень незначительную часть падающего прямого солнечного излучения, то излучение, уходящее от планеты в космическое пространство, задерживается гораздо сильнее, особенно если в атмосфере есть пары воды, углекислота, аммиак. Поэтому температура атмосферы и соответственно поверхности повышается: получается парник.

Парник может стать необратимым. Представим себе, что мы немного повысим температуру планеты. Сразу же возрастет содержание водяного пара. Увеличение концентрации паров воды в атмосфере приведет к дальнейшему повышению температуры за счет парникового эффекта и так далее. По-видимому, такой случай мы имеем на Венере.

Сразу же возникает вопрос, почему это не происходит сейчас на Земле? Да потому, что когда возрастает содержание водяного пара в атмосфере и повышается температура, то увеличивается площадь облачного покрова и в Космос отражается больше солнечного излучения.

Но все-таки что же было на древней Земле?

Мы уже знаем, что аргументированных доводов о присутствии аммиака в древнейшей атмосфере Земли нет.

К тому же время жизни аммиака (даже в количествах, эквивалентных атмосферному азоту) очень мало, примерно 10 тысяч лет, из-за неизбежного разложения-аммиака под действием света (фотодиссоциация). Более того, согласно расчетам советского геофизика Э. Бютнер одновременно с образованием зеркала воды из-за фотодиссоциации водяного пара в атмосфере Земли могло накопиться изрядное количество кислорода: всего за 30 миллионов лет его содержание в атмосфере могло достичь 20 процентов сегодняшнего. А в присутствии свободного кислорода постоянная концентрация аммиака неминуемо будет исчезающе мала: он легко окисляется.

Значит, аммиак ни при чем. Надо искать новый путь для решения противоречия, указанного Саганом и Мулленом. То есть нужно объяснить, почему на поверхности Земли были плюсовые температуры, хотя Солнце грело заметно слабее, чем сейчас.

Принято думать, что атмосфера и гидросфера Земли обязаны своим рождением выделению летучих компонентов из мантии. Сторонники модели катастрофической дегазации полагают, что основная масса атмосферы выплеснулась из недр Земли за сравнительно небольшое время — около 500 миллионов лет. По модели равномерной дегазации, наоборот, отделение летучих компонентов мантии с незначительными колебаниями идет в течение всей истории Земли. Для наших дальнейших рассуждений нет принципиальной разницы между этими двумя моделями, и поэтому будем рассматривать модель равномерной дегазации.

Сначала обратим внимание на тот примечательный факт, что при дегазации из недр Земли на поверхность прежде всего выделяются вода и углекислый газ.

Об этом свидетельствует множество анализов состава вулканических газов и газов, содержащихся в магматических породах — базальтах. По оценкам разных авторов отношение массы воды к выделившемуся из мантии углекислому газу — от 4:1 до 10:1. То есть углекислоты поступает достаточно много. Именно углекислый газ, интенсивно поглощающий тепловые инфракрасные лучи, мог создать парниковый эффект, благодаря которому на планете появился океан, хотя Солнце грело плохо.

Чтобы не быть голословным в дальнейших рассуждениях, нужно рассчитать температуру поверхности Земли 4,5 миллиарда лет назад. Атмосфера тогда была разреженной, а ее давление в сто или тысячу раз меньше, чем нынче. Если это так, то среднюю температуру поверхности Земли нетрудно вычислить как функцию ее альбедо (отражательной способности).

Альбедо Земли, почти лишенной атмосферы, по аналогии с Луной или Меркурием можно принять за 0,1.

И тогда мы получаем, что, если светимость Солнца была на 40 процентов ниже сегодняшней, температура поверхности Земли составляла 33 градуса ниже нуля по Цельсию.

Постепенно атмосфера становилась массивнее. По мере выделения летучих компонентов из магмы наружу пары воды, замерзая, окутывали планету мощным слоем сверкающего льда и снега. Альбедо росло, и поэтому температура поверхности снижалась. Но нет худа без добра — основным компонентом земной атмосферы становился углекислый газ. И он своим парниковым эффектом начал подогрев. С ростом концентрации СО2 в атмосфере поверхность Земли потихоньку разогрелась, и льды начали таять.

Можно подсчитать, сколько СО2 должно было накопиться в атмосфере, чтобы подогреть поверхность до О градусов Цельсия. Расчет гипотетического парникового эффекта был сделан профессором В. Морозом. Такой расчет непрост, точной цифры не получишь. Потому в конце концов был найден верхний и нижний пределы критического давления углекислого газа, давления, при котором начинается таяние льдов.

Мороз предположил, что альбедо Земли из-за того, что ее окутало снежное одеяло, изменилось от начального 0,1 до 0,45. Конечно, и эта цифра условна, потому что из-за неровностей рельефа и меняющейся облачности истинную величину альбедо почти невозможно определить. Но нам важно понять общее направление процесса.

Итог таков. Наименьшее давление углекислоты, при котором наступит таяние льда и снега, равно 0,3 атмосферы.

Что же происходит дальше? Вот что. При выделении из мантии 1013 граммов углекислоты в год (полагают, что именно так и было) такое значение давления будет достигнуто через 440 миллионов лет. Затем начинается таяние и альбедо быстро уменьшается, потому что отражательная способность воды меньше, чем у льда и снега. Становится немного теплее. Но, увы, углекислый газ начинает покидать атмосферу: растворение в воде, выщелачивание базальтов, образование карбонатов…

Потеря газа не может длиться долго, потому что с уменьшением количества углекислоты в атмосфере поверхность Земли остывает до нуля. Планету снова окутывает снег и лед. Вот мы и пришли к великим циклическим оледенениям, не раз сковывавшим поверхность Земли.

Идет время, становится теплее, оледенения повторяются, уменьшая амплитуду и длительность, пока все ярче разгорающееся Солнце не подогреет Землю и не уменьшит количества углекислого газа в атмосфере до уровня, близкого к современному: углекислоту поглотит океан…

Правда, мы не учли весьма важное обстоятельство: жизнь, возникшая на Земле 3,5 миллиарда лет назад, могла внести свои поправки и в баланс углекислого газа в атмосфере, и в углеродные циклы оледенения.

Нижняя возможная граница атмосферного содержания СО2 в цикле оценена нами в 1,5·1021 грамма. Самое неопределенное в уравнении этого баланса — время жизни молекулы СО2 в океане (от момента попадания в воду до перехода в молекулу известняка). Но миллиона лет на это явно хватит. И свои расчеты мы строили на этом щедром допущении.

Отсюда и вывод: характерное время циклических оледенений на примитивной Земле было около миллиона лет.

Важным геохимическим следствием гипотезы должен быть резко отличный от нынешнего процесс образования карбонатов. При высоком содержании СО2 в атмосфере и соответственно более низких значений рН воды главной формой карбонатных осадков должен быть доломит — карбонат магния, потому что он гораздо хуже кальцита растворяется в воде, насыщенной углекислым газом. Но все-таки растворимость карбонатов в таких условиях на порядок выше, чем при нынешнем рН и парциальном давлении двуокиси углерода. Возможно, именно этим объясняется скромное количество карбонатных осадков в докембрии.

И вот главное следствие. Плотная атмосфера из углекислого газа на примитивной Земле не могла создать условия для предбиологической эволюции, для накопления в океане заметных количеств органических молекул, ведь для синтезов органики необходим водород, метан, аммиак. К тому же увеличение содержания кислорода в атмосфере, начавшееся вместе с образованием зеркала воды, подавляло синтезы органических соединений, поскольку, как мы уже говорили, они (синтезы) не идут в окислительной среде. Очевидно, что в подобных условиях трудно, а скорее всего и невозможно ожидать накопления на поверхности Земли столь больших количеств органики, о которых писал Саган.