Симфония № 6. Углерод и эволюция почти всего - Роберт Хейзен

Третья простая углеродсодержащая молекула в атмосфере Земли — это метан CH4, который вы оплачиваете как «природный газ», когда готовите еду или отапливаете свой дом. Это изящная маленькая молекула с центральным атомом углерода, окруженным пирамидой из четырех атомов водорода. Современная атмосфера Земли содержит лишь следы метана — всего две части на миллион, но, как мы увидим, этого достаточно, чтобы были последствия.

Воздух — пуск остановлен

В каком-то смысле все равно, смесь чего была в самой древней земной атмосфере, поскольку в одно шокирующее мгновение почти 4,5 млрд лет назад защитное воздушное покрывало нашей планеты оказалось стерто с лица Земли.

В самой глубокой древности история атмосферы Земли была наполнена драмой. Огромные вулканы выбрасывали из глубоких недр пар и воздух даже в те времена, когда из космоса дождем сыпались обогащенные летучими веществами кометы. По мере того как толщина окутывающего планету газового слоя увеличивалась, на атмосферу обрушивались удары гигантских камней из космоса, время от времени разрушая внешние границы Земли. Эти стремительные космические камни, диаметр которых иной раз доходил до сотни километров, возможно, крушили и перемешивали внешние слои Земли, но были не в состоянии остановить неуклонную дифференциацию тверди, воды и воздуха.

Но одно столкновение стало исключительным — гораздо большим по площади и намного более разрушительным, чем любое другое событие в истории Земли. В течение десятков миллионов лет, в те времена, когда планеты Солнечной системы образовывались и соревновались за орбитальное пространство, у Земли был достойный соперник планетарных масштабов — имя ему дали Тейя в честь древнегреческой богини, матери Луны. Будучи, возможно, крупнее Марса, но гораздо меньше все еще растущей Земли, Тейя боролась за то же орбитальное пространство, что и наша планета. Какое-то время — может быть, даже несколько десятков миллионов лет — Земля и Тейя исполняли свой опасный танец на расстоянии. Прохождение же поблизости друг от друга, вероятно, вызвало смещение их орбит-близнецов, что привело к неизбежной последней дуэли{78}.

Законы гравитации, диктующие эволюцию солнечных систем, гласят, что две планеты никогда не могут делить одно орбитальное пространство. В какой-то точке они подойдут слишком близко друг к другу, и, когда это произойдет, уверенно делайте ставку на более крупный объект.

В один трагический день — наша планета тогда была еще младенцем около 50 млн лет от роду — Тейя ударилась о Землю. Некоторые модели этого события предполагают прохождение по касательной. Но даже этот почти скользящий удар оказался фатальным для Тейи. Итогом стало ее полное уничтожение: будь у этого планетарного спектакля космический свидетель, наблюдающий с безопасного расстояния, его бы заворожило зрелище того, как Тейя развалилась на части и в основном испарилась, раскаленная добела в смертельных муках.

Вам вполне можно простить, если, наблюдая такую катастрофу, вы бы и не заметили, что еще одной жертвой столкновения стала разреженная атмосфера Земли. Все молекулы воздуха были вытеснены, главным образом выброшены глубоко в космос, чтобы никогда больше не вернуться к уже выигравшей поединок третьей от Солнца планете. Более заметным оказалось огромное светящееся облако испарившихся от удара горных пород — смесь раскаленных обломков мантий Тейи и Земли. Значительная доля этого месива упала обратно в омывающий Землю океан магмы в виде проливных дождей из раскаленных докрасна расплавленных капель. Оставшаяся часть улетела на орбиту, чтобы вскоре собраться в спутник Земли Луну[26].

Пришло время начинать все сначала. Гигантская кнопка перезагрузки, при нажатии которой образовалась Луна, также запустила заново и образование атмосферы Земли. И вот тогда-то глубинный углеродный цикл заработал всерьез.

Подсказки о самой древней атмосфере Земли

Процесс формирования атмосферы происходил более 4 млрд лет назад. Геологи недаром называют неустоявшиеся первые полмиллиарда лет Земли гадейским эоном[27]. Если бы вы отважились оказаться на той обновленной поверхности Земли, у вас бы создалось непреодолимое ощущение неумолимо жестокой и враждебной среды. Сложно сказать, чего стоило опасаться больше — непрекращающегося каменного дождя с неба или беспощадного взрывного вулканизма из глубины. Тем не менее два этих бедствия в совокупности доставили в воздух углерод и запустили углеродный цикл Земли. Новая атмосфера буквально пролилась с небес и изверглась из глубин.

Есть ли у нас возможность узнать природу той эфемерной атмосферы, которая окутывала Землю более 4 млрд лет назад? С тех далеких времен до сегодняшнего дня дожили лишь редкие бесценные микроскопические песчинки отдельных минералов, а также совсем небольшое количество горных пород возрастом более 3,5 млрд лет, сохранившихся в удаленных регионах Австралии, Канады, Гренландии и Южной Африки. Но эти разрозненные кусочки ничего не могут рассказать о природе древнего воздуха.

Тем не менее подсказки о древнем воздухе существуют. О том, что же там могло быть, нам намекают три линии свидетельств от трех разных научных областей — астрофизики, геохимии и планетологии.

Подсказка №1 — Слабое молодое Солнце{79}

Первая раскрывающая суть подсказка о гадейской атмосфере Земли пришла из источника, кажущегося не очень-то вероятным: от физиков, которые изучают эволюцию звезд. Специалисты по астрофизике звезд сообщают нам, что Солнце, как и многие другие звезды, находится сейчас в середине периода стабильности. В течение этого периода, продолжающегося миллиарды лет, звезды наслаждаются спокойствием, размеренно потребляя водород, который в реакциях ядерного синтеза преобразуется в гелий. Взгляните на ночное небо. Девять из каждых десяти звезд, которые вы видите, сжигают водород в реакциях ядерного синтеза, при этом лишь доля процента их водородной массы преобразуется в тепло и свет. Результат этих реакций — именно то, что мы видим и ощущаем как солнечный свет.

Но тут есть загвоздка. Сжигающие водород звезды меняются так медленно, что их сияние остается неизменным долгое время. Изменения невозможно заметить не то что за сотни — за миллионы лет. Тем не менее за миллиарды лет Солнце стало гораздо ярче. Более 4 млрд лет назад наша звезда излучала только 70% сегодняшней мощности. Это огромная разница; если бы такое уменьшение излучающей энергии Солнца произошло в наши дни, оно имело бы немедленные и катастрофические последствия. Земля бы замерзла, лед распространился от полюсов к экватору. Жизнь почти прекратила бы свое существование, остались бы только небольшие локальные колонии простых организмов, впившиеся в теплые влажные зоны рядом с горячими вулканическими жерлами.

В размышлениях о временах того слабого Солнца 4 млрд лет назад нам бы следовало удивляться, как это Земле удалось не покрыться льдом. Те несколько минералов