Лев Мухин - В нашей галактике
Именно поэтому, когда я буду говорить о безатмосферных телах, мне можно верить, а когда я перейду к вопросам климата Земли, Венеры и Марса, нужно помнить, что эти рассуждения будут весьма приближенными.
Итак, когда-то ни Венера, ни Земля, ни Марс не имели атмосфер. Когда это было? Около 4,5 миллиарда лет назад, во время роста планет. Но вот планеты сформировались, недра их начали греться, и газы стали выходить наружу через вулканы, через трещины в коре. Они выходили в течение миллиардов лет и образовали, например, на нашей Земле и атмосферу и океаны.
Известный американский геофизик Д. Расул как-то заметил: «Когда меня спрашивают о происхождении атмосферы и океанов, я говорю: возьмите газовую продукцию вулканов и умножьте на 4,5 миллиарда лет. Получили массу океана? Ну а теперь за справками адресуйтесь к богу». То, о чем говорил Расул, и есть теория непрерывной дегазации.
Конечно, нельзя делать так, как советовал американский коллега. Это слишком грубый расчет. Ведь, кроме процессов выделения вулканами паров воды и других газов, существуют так называемые процессы стоков.
Возьмем, к примеру, кислород. Зеленые растения в процессах фотосинтеза генерируют часть кислорода земной атмосферы. Другая часть образуется в процессах фотодиссоциации водяных паров в верхних слоях атмосферы. Это источники кислорода. А стоки? Стоки — это мы с вами да и вся флора Земли, все, что дышит кислородом. В неорганической природе также изрядное количество стоков. Много кислорода идет на образование окислов.
В течение долгих геологических периодов времени устанавливается очень деликатный, очень тонкий баланс между источниками и стоками. В результате мы и имеем на Земле сегодняшнее содержание кислорода в атмосфере. Вот что такое источники и стоки.
Итак, на заре «туманной юности» планет началось образование атмосфер. Скажем прямо, в эти времена происходили просто удивительные вещи. Рассмотрим лишь один пример. Теоретические расчеты показывают, что несколько миллиардов лет назад на нашей Земле не могло быть жидкой воды! Все океаны должны были находиться в замерзшем состоянии. Но ведь тогда не могла возникнуть и жизнь на Земле. А мы, во-первых, знаем, что она возникла, а во-вторых, что она уже была именно 3,5 миллиарда лет тому назад, то есть когда, по оценкам теоретиков, ее не должно быть. Это загадка с Землей. А с Венерой как быть? Где вода этой планеты? Где ее океаны?
Вопросы не просты, и нам с вами предстоит в них разобраться. К счастью, один и тот же физический эффект имеет отношение и к Венере, и к Земле, и к Марсу. Он имеет очень прозаическое, земное название «парниковый». С ним знаком каждый, кто хоть раз побывал в теплицах, где температура всегда выше температуры окружающего воздуха, даже если нет специальных обогревающих устройств. За счет чего это происходит?
На поверхность любой планеты падает излучение Солнца, причем в соответствии с законами физики 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 планеты получают в видимой части спектра. Отдают же, переизлучают энергию в пространство в инфракрасной области спектра, так как температура поверхности планет гораздо ниже температуры Солнца.
Атмосфера поглощает незначительную часть падающего прямого солнечного излучения, а излучение, уходящее от планеты в космическое пространство, задерживается гораздо сильнее, особенно если в атмосфере есть газы, имеющие полосы поглощения в инфракрасной части спектра, к примеру углекислота, пары воды, аммиак. Именно из-за этого температура атмосферы и соответственно поверхности планеты повышается: получается парниковый эффект.
А теперь посмотрим, какую роль сыграл парниковый эффект в жизни Венеры. В числе основных компонентов, которые вызывают повышение температуры, вода и углекислый газ. Азот не играет никакой роли в создании парника потому, что его молекула практически не поглощает излучения в инфракрасной области. Поэтому по мере выделения углекислоты и водяного пара атмосфера Венеры должна была становиться все горячей и горячей и в конце концов стать такой, какой мы ее видим сегодня. Эту задачу сосчитали уже упоминавшийся мною Расул и Де Берг. А такое неуклонное нагревание они назвали необратимым парниковым эффектом.
Но на самом деле все обстояло еще более экзотичным образом. Расул и Де Берг не учли одного очень деликатного обстоятельства. Оно заключается в том, что ось вращения Венеры строго перпендикулярна плоскости эклиптики, то есть плоскости, в которой все планеты вращаются вокруг Солнца. А это значит, что полюсы Венеры, получая очень мало солнечных лучей, остаются холодными, пока не накопится достаточно плотная атмосфера. Вот по этой именно причине сценарий начальных этапов жизни Венеры мог быть несколько иным, чем тот, который рисовали Расул и Де Берг.
Температура полюсов Венеры в самом начале была всего лишь около 150 градусов по шкале Кельвина. А при этой температуре замерзают и пары воды, и углекислый газ. Полюсы Венеры откачивали на себя эти газы, и там образовывались огромные полярные шапки, состоящие из льдов углекислоты и воды. А что потом?
Не будем забывать, что в атмосфере оставался азот. Да, тот, который мы видим и сегодня в составе венерианского воздуха. По мере накопления в атмосфере азот начал выравнивать температуры между экваториальной областью и полюсами. Ну а дальше уже все пошло как по маслу. Стоило полюсам Венеры чуть-чуть нагреться, и началось испарение углекислоты (вода еще не могла испаряться из-за слишком низких температур).
«Инъекция» углекислоты в атмосферу, в свою очередь, привела к повышению ее температуры, и катастрофический процесс исчезновения полюсов ничем нельзя было остановить. Вода просто не могла конденсироваться на поверхности планеты, поскольку вся находилась в газовой фазе, и, разрушаясь ультрафиолетовым излучением Солнца на водород и кислород, постепенно исчезла. Это и есть одно из возможных объяснений отсутствия воды на Венере.
Ну а что же было на Земле? Ведь как мы помним, теория говорит о том, что три с лишним миллиарда лет назад вся вода на Земле должна была находиться в виде льда. Кстати, на чем базируется это предположение?
Когда мы говорили об эволюции Солнца, мы отметили тот факт, что светимость его постепенно увеличивалась, прежде чем Солнце «село» на главную последовательность. Именно в это время рождались планеты. Ну а если светимость Солнца была ниже, планета получала меньше тепла, чем сегодня, и соответственно температура поверхности была ниже. Но жизнь-то все-таки уже была. Она зародилась раньше, чем три с половиной миллиарда лет назад. Значит, океаны на Земле были. В чем же здесь дело? Как разрешить парадокс?
Сначала обратим внимание на тот принципиальный 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 и 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, создавая парниковый эффект, начал подогрев. С ростом концентрации CO2 в атмосфере поверхность Земли потихоньку разогрелась и льды начали таять.
Можно подсчитать, сколько CO2 должно было накопиться в атмосфере, чтобы подогреть поверхность до 0 градусов Цельсия. Расчет гипотетического парникового эффекта был сделан В. Морозом. Такой расчет не прост, точной цифры не получишь. Поэтому в конце концов были найдены верхний и нижний пределы критического давления углекислого газа, давления, при котором начинается таяние льдов.
