Лев Мухин - В нашей галактике
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? При выделении из мантии 1013 граммов углекислоты в год (полагают, что именно так и было) давление 0,3 атмосферы 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, происходит его 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 количество углекислого газа в атмосфере до уровня, близкого к современному: углекислоту поглотит океан.
Правда, мы не учли весьма важного обстоятельства: 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 CO2 в цикле оценена нами в 1,5·1021 грамма. Самое неопределенное в уравнении этого баланса — время жизни молекулы CO2 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.
На Марсе сценарий возникновения атмосферы был в общих чертах схож с земным. С одним лишь отличием. Колебания марсианского климата могли быть связаны не только с механизмом углекислотного маятника, но и с регулярным изменением (очень медленным, с периодом в 50 тысяч лет) наклона оси вращения планеты. Таким образом, нельзя исключить длительных периодов «долгой марсианской весны» — так назвали эти времена американцы. А В. Мороз и я в нашей работе об эволюции атмосфер и климата планет использовали более «религиозный» термин — «марсианский рай». О возможных доказательствах существования такого «рая» мы поговорим позже, когда будем беседовать о Марсе, а сейчас мне хочется рассказать еще об одной теории образования атмосфер.
Все те изящные построения, которые мы сейчас обсуждали, основаны, по сути дела, лишь на одном простом предположении: дегазация, темп роста атмосферы происходили с постоянной скоростью начиная с того момента, когда закончилось формирование планеты. Но так ли это?
Известный советский ученый академик О. Шмидт указывал на то, что атмосфера и гидросфера Земли должны были образоваться очень рано. Еще до завершения сборки планет. Эту же мысль развивал замечательный геолог, прекрасный человек, недавно скончавшийся, К. Флоренский. Я неоднократно обсуждал с ним самые различные вопросы, связанные с эволюцией планет, и всегда поражался его эрудиции и готовности обсуждать самый широкий круг научных задач.
Идея о быстром образовании атмосферы Земли находила подтверждение и в некоторых геохимических данных. Но вся беда в том, что нужно было найти и как следует обосновать физический механизм, который мог бы обеспечить достаточно быстрое, или, как еще говорят, катастрофическое, образование атмосферы Земли. Такой механизм детально рассмотрел и рассчитал аспирант Института космических исследований М. Герасимов.
К тому времени, когда мы взялись за решение этой задачи, положение в учении об эволюции атмосфер было весьма деликатным. Большинство ученых использовали модель непрерывной дегазации, о которой мы только что говорили. Она попроще, да к тому же имеет давние традиции. В то же время многие отдавали себе отчет в том, что неправильно считать, будто бы ровно 4,5 миллиарда лет назад вдруг «включились» вулканы и именно с этого момента началось образование атмосфер. Однако «близок локоть, да не укусишь». Ясно, что атмосферы образовывались раньше, как бы параллельно с ростом планет, но как?
За решение этого вопроса взялись Т. Аренс из Калифорнийского технологического института и мы. Сначала Аренс был немного впереди, как говорят на ипподроме, на полкорпуса. Но прежде чем рассказать об этой гонке, давайте сначала представим себе, как идет сборка планеты на заключительных этапах.
Вокруг Солнца по кеплеровской орбите движется зародыш планеты. Вокруг него — планетезимали — тела размером в километры, а то и во многие десятки километров. Масса зародыша такова, что, когда какое-нибудь тело попадает в «сферу его влияния», оно сталкивается с ним с весьма солидной скоростью. Так, если масса зародыша Земли составляла половину нынешней, то скорость столкновения была более 6 километров в секунду. А когда масса приближалась к ее конечному значению, скорости столкновения превышали 10 километров в секунду. Мы уже говорили о том, что поверхности планет несут на себе следы этих чудовищных столкновений. Но что происходит с самим веществом?
Для решения задачи об эволюции атмосферы важно то, что часть материала и зародыша и планетезимали при столкновении нагревается до очень высоких температур. Примерно до 10 тысяч градусов. Конечно, не весь материал системы «снаряд — мишень» испаряется. Некоторая часть находится в виде расплава, некоторая в виде горячих обломков. И естественно, что при нагревании все газы, летучие соединения, выходят из твердого вещества наружу. Они-то впоследствии и составляют основу будущей атмосферы планеты.
Герасимов теоретически рассмотрел все механизмы выделения газов в ударном процессе, рассчитал и продемонстрировал их высокую эффективность. Но, как говорили раньше, теория без практики мертва. В Институте космических исследований только еще продумывали эксперимент, когда Аренс начал стрелять из пушки по горным породам и оказался впереди нас, поскольку результаты конкретного эксперимента всегда производят в мире науки большее впечатление, чем теоретические построения. (Мы, конечно, не рассматриваем случай, когда теоретические построения по своей значимости не очень сильно уступают общей теории относительности или, на худой конец, теории испарения черных дыр.)
Итак, у нас не было пушки, как у Аренса. Но у нас была идея. Пушка занимает много места. Техника безопасности не разрешит заводить орудие войны даже в мирных целях в академическом институте. И мы, как в автомобильных гонках, обошли Аренса на вираже, за счет новой идеи. Мы смоделировали ударный процесс при помощи лазера.
Да, пучок мощного лазерного излучения направлялся в мишень — кусок метеорита или горной породы. Образовывался маленький кратер, а мы «собирали» газы, которые выделялись из мишени при выстреле из лазера, и анализировали состав газовой смеси на очень чувствительном хроматомасс-спектрометре. И вот после первых же опытов обнаружились совершенно непонятные вещи. Прибор показывал, что при выстреле в горную породу в газовой фазе всегда присутствует кислород.
Результат как гром среди ясного неба. Ведь, если это не ошибка, все современные представления об эволюции атмосферы Земли, да и других планет, придется пересмотреть под совершенно другим углом зрения. Опыты повторялись десятки раз, а пик кислорода упрямо появлялся, как бы бросая вызов всей геохимии.
Посудите сами. До сих пор считалось, что атмосфера древней Земли была восстановительной. Другими словами, она содержала водород, метан, аммиак, окись углерода. Более поздние работы показали, что аммиак вряд ли мог присутствовать в атмосфере, так как он разрушается ультрафиолетовым излучением Солнца. С метаном тоже не все ясно. Но ни у кого не возникло мысли, что с самого начала в атмосфере Земли мог быть кислород.
Правда, советский геофизик Э. Бютнер показала в своей теоретической работе, что кислород должен появиться в атмосфере за счет фотодиссоциации водяного пара. Но это происходило бы на более поздних этапах. А у нас в измерительной камере, в которой мы анализировали модель атмосферы юной Земли, был и кислород, и водород, и окись углерода, и углекислый газ.
Можно, конечно, спросить: «А что здесь особенного?» Особенность заключается в том, что кислород термодинамически не совместим ни с водородом, ни с окисью углерода. Кислород по определению — сильнейший окислитель, а водород — восстановитель.
