История Земли. От звездной пыли – к живой планете. Первые 4 500 000 000 лет - Роберт Хейзен

Глава 3

Черная Земля

Первичная базальтовая кора

Возраст Земли: от 50 до 100 млн лет

Земля испытала немало превращений за долгую историю своего существования. Гигантское столкновение было, по-видимому, самым разрушительным и (с учетом формирования Луны) обусловившим далекоидущие последствия. Но такой результат – образование огромного единичного спутника на орбите вокруг планеты, полной летучих веществ, отнюдь не является неизбежным следствием законов физики и химии. Окажись параметры того древнего столкновения Тейи с Землей слегка иными, процесс, приведший к формированию Луны, происходил бы совершенно по-другому. Если бы столкновение произошло не по касательной, а лобовым ударом по центру, то Тейя смешалась бы с Землей и стала ее частью. Весьма вероятно, в таком случае Земля и Тейя образовали бы большую планету без спутника. Тейя могла бы также разминуться с Землей, а ее орбита изменилась бы настолько, что направилась бы либо в сторону Венеры, либо Марса и навсегда удалилась бы от Земли. Наконец, удар по касательной мог прийтись под таким незначительным углом, что образовавшееся облако осколков сформировало бы вокруг Земли множество более мелких лун, которые украсили бы ночное небо над Землей.

В изменчивых космических просторах случай играет немаловажную роль. История Солнечной системы представляет собой длинный перечень состоявшихся и несостоявшихся столкновений. Астероид, погубивший на Земле динозавров, вполне мог разминуться с нашей планетой и в результате позволил бы тираннозаврам и их потомкам просуществовать еще десятки миллионов лет. Большеголовые птицы достигли бы развитого интеллекта и научились бы изготовлять орудия труда и охоты. А малорослые млекопитающие, особенно расплодившиеся в мезозойскую эру, не достигли бы ничего. Чуть-чуть в сторону – и Земля пошла бы по другому пути развития.

Но некоторые процессы в космосе неизбежны и предопределены. С момента Большого взрыва Вселенная заполнилась множеством протонов и электронов и соответственно – большим количеством водорода и гелия. Огромные резервы водорода и гелия с неизбежностью привели к формированию звезд. Все остальные элементы возникли так же неизбежно в результате термоядерного синтеза и появления сверхновых после взрыва насыщенных водородом звезд. В свою очередь, все типы планет, вроде Земли, Марса, Юпитера и многих других, известных и вновь открываемых на орбитах далеких звезд, образовались в результате взаимодействия исходных химических элементов.

Земля после столкновения с Тейей пережила бурные времена охлаждения и самоупорядочения. Что представляла собой эта новорожденная планета? Геологи окрестили первые 500 млн лет ее существования гадейским эоном, намекая на адские условия того периода. Размышляя над этим названием, можно вообразить впечатляющую картину Земли в гадейскую эпоху: сернистые испарения вулканов, потоки огненной лавы и беспрерывные атаки метеоритов и комет терзали тогда поверхность Земли. Тем не менее вряд ли можно восстановить подробности существования Земли в эти первые сотни миллионов лет, поскольку отсутствуют сколько-нибудь достоверные данные о них.

Мы многое знаем о происхождении Земли благодаря свидетельствам образования Солнечной системы – самого Солнца и множества объектов, связанных с ним гравитационными силами. Десятки тысяч метеоритов дают достаточное представление об эпохе планетезималей. Подробности происхождения Луны обнаруживаются в лунных горных породах и грунте. Но от первых дней существования Земли не осталось ничего, по крайней мере никаких следов на самой Земле. Ни обломка породы, ни грана вещества.

Удивительно, но такие данные можно было бы извлечь из метеоритов, выброшенных из древнейших слоев Земли во время мощных столкновений миллиарды лет назад, а затем вновь упавших на Землю или на ее спутницу Луну. Наверняка такие образцы существуют, и даже во множестве, причем некоторые из них могут сохраниться в первозданном виде. На самом деле поиск таких реликтов, сохранившихся с начальной эпохи существования Земли, рассматривался в качестве одного из обоснований для повторных экспедиций на Луну. Подробная геологическая съемка лунной поверхности могла бы способствовать поискам гадейских горных пород, чтобы пролить свет на недосягаемое прошлое Земли.

Но даже и без таких приятных находок, дающих возможность подержать в руках обломок одного из первых затвердевших горных пород с поверхности Земли, у нас остаются шансы. Земля, конечно, менялась неоднократно, но законы химии и физики не меняются. Четыре с половиной миллиарда лет назад точно так же господствовали эти законы, и никакие гигантские столкновения или иные катаклизмы планетного масштаба не могут их изменить.

Неизбежность взаимодействия элементов

Развитие Земли в начальный период явилось следствием двух взаимосвязанных химических аспектов: космохимии (возникновение элементов) и петрохимии (возникновение горных пород). Вначале была космохимия и звездное производство, породившее все тяжелые элементы: всю Периодическую таблицу после водорода и гелия, занимающих первые два места в первом ряду. В нашей Вселенной главная роль принадлежала таким элементам, как кислород, кремний, алюминий, магний, кальций и железо, которые значительно преобладали над всеми остальными тяжелыми элементами, особенно на твердотельных планетах земного типа. Эти шесть элементов составляют 98 % массы Земли, а также Луны, Меркурия, Венеры и Марса.

За каждым из элементов «большой шестерки» стоит особая химическая история. Каждый по-своему внес вклад в развитие Земли после гигантского столкновения. Ключом ко всему являются химические соединения. Напомню, что атомы соединяются друг с другом, когда окружающие их облака электронов вступают во взаимодействие и образуют более устойчивые соединения, а именно: атомы с магическим числом из двух, десяти или 18 электронов. Для осуществления такого обмена одни атомы должны отдать свои электроны, а другие – принять их.

На Земле главным акцептором электронов является кислород. В ядре каждого атома кислорода содержится восемь положительно заряженных протонов, которые уравновешиваются восемью отрицательно заряженными электронами. Но кислород находится в постоянном поиске двух дополнительных электронов, которые составили бы магическое число десять. Эта ненасытная нужда превращает кислород в один из самых химически активных и агрессивных газов в природе. Противное вещество, что ни говори.

Для большинства из нас кислород представляется главным образом как важная часть атмосферы: около 21 %, которые поддерживают нашу жизнь. Но его нынешняя счастливая роль в атмосфере – это результат сравнительно недавних событий в истории Земли. По крайней мере в первые два миллиарда лет земная атмосфера была напрочь лишена кислорода. И по сей день большая часть земного кислорода содержится в горных породах и минералах – 99,9999 % от их общего состава. Поднимитесь на какой-нибудь величественный скалистый горный пик или пройдите по продуваемой всеми ветрами высокогорной тропе – большая часть атомов у вас под ногами – это кислород. Когда вы лежите на песчаном пляже, два из трех атомов под вами – тоже кислород.

Предоставляя кислороду роль главного химического акцептора, существует множество атомов, готовых поделиться с ним своими электронами. Самым обильным поставщиком электронов является кремний, составляющий примерно четверть всех атомов в земной коре и мантии. В ядре кремния содержится 14 положительно заряженных протонов, уравновешенных 14 отрицательно заряженными электронами. Обычно кремний отдает четыре электрона, достигая магического числа десять электронов, и становится ионом кремния с положительным электрическим зарядом. В земной коре и мантии эти четыре отпущенных на волю электрона почти всегда поглощаются двумя атомами кислорода, превращая их в отрицательно заряженные ионы. Вследствие этого во многих горных породах встречаются соединения с сильными кислородно-кремниевыми связями, например, кварц, или SiO2, – союз одного атома кремния с двумя атомами кислорода. Твердые, прозрачные зерна кварца существуют с давних времен. Прибрежные залежи кварцевых песчинок исчисляются триллионами, в настоящее время кварц является самым распространенным минералом песчаных пляжей. Возможно, вы встречали в магазинах красивые, хорошо ограненные, прозрачные кристаллы кварца, продаваемые как «магические кристаллы». Держа в руках такое сокровище, вспомните, что оно на две трети состоит из кислорода.

Кристаллические кремниево-кислородные соединения под общим названием силикаты являются самыми распространенными минералами на Земле; известно более 13 тыс. разных видов (и почти каждый месяц выявляются все новые). Они отличаются большим разнообразием атомной структуры и свойств благодаря многообразию связей между кремнием и кислородом, будь то крепкие, устойчивые к атмосферному воздействию породы (например, кварц или полевой шпат), или зерна полудрагоценного зеленого оливина и красного граната (символические камни для родившихся в августе и январе), или игольчатые цепные силикаты, часть из которых является не чем иным, как знаменитый асбест, или тонкопластинчатые минералы, например слюда, некогда использовавшаяся вместо стекла в окнах.