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

Здесь вмешательство человека нарушает естественный природный ритм, поскольку необходимость в воде заставляет фермеров выкачивать колоссальные объемы грунтовых вод для поддержания земледелия в засушливом регионе Юго-Запада США. Наша молекула снова оказывается на поверхности и через поливальные установки попадает на кукурузные поля Техаса, где быстро испаряется, устремляясь в безоблачное техасское небо, продолжая путешествие на восток.

Эта история продолжается бесконечно. Некоторые молекулы временно распадаются на ионы – гидронии и гидроксилы, но потом снова собираются в новые молекулы воды в компании с другими атомами. Некоторые молекулы могут вмерзать в толстый ледовый покров Антарктики, где застревают на миллионы лет. Другие под воздействием различных химических реакций становятся частью глинистых минералов в составе почвы.

Живая природа также стала неотъемлемой частью круговорота воды. Растения поглощают молекулы воды и углекислого газа и под воздействием солнечных лучей соединяют их в ходе фотосинтеза, необходимого для роста корней, стволов, листьев и плодов. Богатые питательными веществами растительные ткани идут на корм животным и, подвергаясь метаболизму под воздействием дыхательных процессов, превращаются в продукты жизнедеятельности, в частности, снова выпускаемые с каждым выдохом молекулы углекислого газа и воды.

Подземный круговорот воды

С середины 1980-х гг. ученые начали всерьез задумываться о мировых запасах воды, поскольку они явно не исчерпываются приповерхностной водой. Поскольку нам известно, что подземные массы магмы содержат достаточное количество воды для поддержания вулканической деятельности, можно сделать вывод, что силикатные минералы, кристаллизованные глубоко в недрах Земли, каким-то образом улавливают молекулы H2O. Значит, должен существовать скрытый в недрах круговорот воды, который мог бы многое поведать нам о том, как и когда Земля превратилась в омываемую океанами планету, каковой она является в наше время.

Экспериментальный подход к исследованию глубинных вод строился на предположении, что наиболее распространенные минералы мантии – оливин, пироксен, гранат и их более плотные подземные разновидности – могут содержать в своем составе некоторое количество воды. В 1990-е гг. экспериментальное выявление наличия воды в «заведомо безводных» минералах стало главным содержанием минералогии высоких давлений и дало удивительные результаты. Выяснилось, что под воздействием высоких давлений и температур некоторые минералы с легкостью поглощают многочисленные атомы водорода, которые с минералогической точки зрения являются эквивалентом воды (поскольку в таких минералах атомы водорода соединяются с кислородом). Минералы, которые в условиях земной коры, куда они попадают в момент извержения вулканов и где господствуют низкие давления и температуры, неизменно остаются безводными, тогда как в глубинных слоях мантии они способны поглощать влагу.

Вообще техника эксперимента довольно проста. Берем образец оливина или пироксена, добавляем воду, нагреваем их под высоким давлением и наблюдаем, что при этом происходит с водой. На практике дело обстоит совсем не так просто. Для воспроизведения условий нижних слоев земной мантии образец должен подвергнуться давлению в сотни тысяч атмосфер и одновременно нагреву не менее чем до 2000 °С. Для совершения такой непростой операции исследователи применяют два различных подхода.

Одни предпочитают массивные прессы величиной с комнату, способные оказывать многотонное давление на крохотный образец – усовершенствованные разновидности «бомбы», которой пользовался Йодер полстолетия назад. Агрегат состоит из четырех вложенных друг в друга конструкций наподобие матрешки: каждая конструкция окружает меньшую по объему, фокусируя высокое давление на объеме, который становится все меньше и меньше. Снаружи две гигантские металлические плиты сдавливают внутренние части установки сверху и снизу с силой в тысячи тонн. Эти внешние плиты давят на вторую конструкцию, состоящую из шести изогнутых стальных частей – три сверху и три снизу, которые равномерно сдавливают третью конструкцию, представляющую собой куб из восьми карбид-вольфрамовых пластин. Сам образец минерала в виде пыли плюс вода находится в четвертой, внутренней конструкции – контейнере, чаще всего с золотой или платиновой внутренней поверхностью, чтобы не допустить выдавливания образцов за пределы контейнера. Для усиления эффекта давления контейнер с образцом и водой снабжен внутренним электрическим нагревателем, и температура нагрева измеряется непрерывно с помощью тончайшей проволочной термопары.

Другой популярный экспериментальный подход для воссоздания условий земной мантии основывается на применении камеры с алмазной наковальней, которая обеспечивает мощное давление путем сжатия двух алмазов с плоскими поверхностями. Берем два алмаза бриллиантовой огранки размером полкарата, вроде камушков в обручальном кольце, и полируем их острые концы, чтобы создать плоскую круглую поверхность полмиллиметра в диаметре – это и образует опорные плоскости наковален. Затем помещаем алмазы в сверхточно отрегулированные металлические тиски, установив между ними тонкий лист металла с небольшим отверстием в центре. Центруем отверстие между двумя алмазными кристаллами, загружаем в него минеральный образец и воду и сжимаем тиски. Благодаря крошечной площади наковален удается достичь огромного давления. Камеры с алмазными наковальнями установили рекордное давление до 3 млн атмосфер, равное тому, что наблюдается в земном ядре. При этом прозрачные ограненные алмазы позволяют наблюдать за образцом в процессе давления. Так что эксперимент сопровождается использованием полного набора спектроскопических измерений, а нагрев до температур мантии легко осуществляется мощным лазером, луч которого хорошо проходит сквозь алмазные поверхности наковален.

Если эксперимент получается – достигаются и поддерживаются необходимые давление и температура, термопара не разрушается, а образец не выдавливается, – начинается решение хитроумных аналитических задач. Водосодержащие минералы вроде глины или слюды распознаются легко, но как измерить миллионные доли воды в составе сухого образца? В некоторых случаях применяется ионный зонд; именно его высокая чувствительность и пространственное разрешение позволили Эрику Хаури обнаружить признаки воды в лунном вулканическом стекле. Другим хорошим способом является инфракрасная спектроскопия, которая позволяет проследить характерные связи между кислородом и водородом. Возникшие между водородом и кислородом новые соединения изменяют характер взаимодействия инфракрасного излучения и кристалла, и благодаря этим сдвигам можно отследить попадание воды в структуру минерала. Однако осторожные коллеги (и недоверчивые конкуренты) непременно усомнятся в том, что эксперимент безупречен, а аналитические приборы достаточно чувствительны. Единственное включение жидкости – частичка воды, неразличимая под микроскопом, может дать ложный сигнал при всей изощренности измерений.

Как все новое в науке, такие эксперименты потребовали времени, чтобы получить признание, но чем больше проводилось наблюдений, тем больше минералов из глубин земной мантии обнаруживали способность удерживать воду. Относительно безводными являются минералы нижнего слоя земной коры – оливин и пироксен, содержащие не более 0,01 % воды. Но стоит повысить давление до 100 000 атмосфер, а температуру до 1000 °С, характерных для мантии, как оливин трансформируется в вадслеит, способный удерживать до 3 % воды. Соответствующий слой, переходная зона земной мантии на глубине от 410 до 659 км, является одним из самых «обводненных» мест на планете и, возможно, содержит в девять раз больше воды, чем все океаны на поверхности. Минералы нижнего слоя мантии менее насыщены водой, но зато значительно превышают в совокупности объем минералов на Земле в целом, составляя примерно половину всего земного вещества, так что, по некоторым оценкам, эта область содержит в 16 раз больше воды, чем океаны. С учетом возможности существования других водонасыщенных минералов, а также вероятного наличия большого количества водорода в железном ядре, в недрах планеты могут содержаться запасы воды объемом более восьмидесяти океанов.

Первый океан

По самым осторожным оценкам, начальные запасы летучих веществ на Протоземле более чем в 100 раз превышали их нынешний объем на Земле. Одна из основных проблем в исследовании летучих элементов заключается в том, чтобы определить, сколько их было и как они исчезли.

Кое в чем мы можем быть уверены. С самого первого дня огромное количество летучих веществ выбрасывалось наружу по мере того, как громадные вулканы извергали из глубин Земли гигантские клубы пара в стремительно густеющую атмосферу. В первые несколько миллионов лет существования Протоземли ее атмосфера была во много раз плотнее, чем сейчас. На протяжении миллионов лет из нее на поверхность планеты обрушивалась вода, охлаждая первую твердь и образуя обширные, но мелкие океаны.