Александр Громов - Удивительная Солнечная система
Легко понять, что в период «слипания» пылинок в протопланетный шар атмосфера Протоземли имела состав, типичный для космического облака: преимущественно водород и гелий. Оба эти газа, однако, слишком легкие, чтобы Земля могла удержать их, поэтому они быстро диссипировали в космическое пространство. Когда говорят о первичной атмосфере Земли, то о водороде и гелии, как правило, не вспоминают, а имеют в виду газы, выделившиеся из магмы при весьма активном первобытном вулканизме, и продукты химических реакций между ними.
В современную эпоху вулканические газы на три четверти состоят из паров воды, на 15 % – из углекислого газа, а 10 % приходятся на метан, аммиак, сернистые соединения, инертные газы (преимущественно аргон) и «кислые дымы» – галогеноводороды. Нет оснований считать, что газообразные продукты первичного вулканизма сколько-нибудь существенно отличались от продуктов дегазации современных лав. Водяной пар, конденсируясь, формировал гидросферу, в ней растворялись галогеновые кислоты и реагировали с минералами. Ни кислорода, ни, что интересно, азота в первичной атмосфере Земли практически не было.
Жизнь на Земле зародилась как минимум 3,8 млрд лет назад, а может быть, и раньше. Во всяком случае, в древнейших осадочных породах Земли изотопное соотношение углерода уже смещено, что говорит о существовании фотосинтеза (углерод-14 не принимает участия в процессе фотосинтеза, в отличие от углерода-12). Магматические породы, естественно, не содержат никаких следов жизни, и вот какая странная возникает картина: как только мы принципиально можем обнаружить на Земле следы древней жизни, так они и обнаруживаются на самом деле. Важно, что все древнейшие микроорганизмы были анаэробными, то есть прекрасно обходились без кислорода, которого в те времена на Земле практически не было и который является губительным ядом для анаэробов. Правда, очень небольшое количество кислорода в атмосфере присутствует всегда за счет фотолиза водяных паров, но со столь незначительным кислородным «загрязнением» анаэробы легко мирились. При этом одноклеточные фотосинтетики (типа сине-зеленых водорослей) непрерывно продуцировали кислород. Поначалу он в основном уходил на окисление всего, что может окислиться: закисного железа, сероводорода, аммиака и т. д. При окислении аммиака как раз и возник азот в атмосфере и благодаря своей химической инертности накапливался в ней.
Около 2 млрд лет назад количество свободного кислорода в атмосфере превысило 1 % от современного значения (точка Пастера) и грянул первый на Земле глобальный экологический кризис. С тех пор анаэробным микроорганизмам приходится существовать глубоко в почве, в болотах, в донных осадках – словом, там, где кислорода мало или вовсе нет. На передний план эволюции вышли аэробные, то есть дышащие кислородом, организмы, а содержание кислорода в атмосфере продолжало повышаться, достигая в некоторые периоды истории Земли 35 %!
В.И. Вернадский был совершенно прав, утверждая, что 99 % горных пород верхних слоев земной коры так или иначе сформировались при участии живых организмов. Например, громадные залежи железных руд вроде Курской магнитной аномалии сформированы древними железобактериями. Однако более наглядное представление о вопросе можно получить в том же Минералогическом музее. Сравните потрясающее богатство и красоту выставленных там минералов с метеоритной коллекцией. Контраст разителен. Да, среди метеоритов тоже встречаются симпатичные экземпляры, но чаще всего это скучные черные или серые камни, не идущие ни в какое сравнение с минеральной феерией Земли! А причина проста: на Земле уже миллиарды лет существует жизнь, прямо или косвенно меняющая ее облик (в том числе минеральный), тогда как несчастные планетоиды, чьими обломками являются метеориты, были безжизненными.
В сказанном нет никакого преувеличения. Несведущему человеку может показаться странным, что красивый агат, например, обязан своему происхождению живым существам. Ну где в нем органика? Ведь агат – всего лишь полосатая разновидность халцедона, а халцедон – это скрытокристаллический кварц с примесями. Но халцедоны образуются в известняках, а все земные известняки имеют биогенное происхождение. Желтый кристалл серы? Почти наверняка он найден в вулканическом кратере и образовался вследствие окисления сероводорода, а откуда взялся потребный на окисление кислород, как не в результате фотосинтеза? В иных случаях сера – продукт жизнедеятельности серобактерий. Тяжелый кубик пирита? Пирит может образоваться даже в навозной куче. Графит? Это метаморфизированный уголь чисто биогенного происхождения.
И так далее.
4. Наша система и окрестности
Взглянем теперь на Солнечную систему, так сказать, со стороны. Поднявшись над северным полюсом Земли, мы обнаружим, что планета вращается против часовой стрелки. В том же направлении движется Луна. Опять-таки против часовой стрелки вращается Солнце и движутся по орбитам планеты. Видимый с Земли путь Солнца по небу называется эклиптикой, и, соответственно, плоскость земной орбиты часто называют плоскостью эклиптики. То, что орбиты планет суть кривые, лежащие примерно в одной плоскости, понял еще Николай Коперник; впоследствии Иоганн Кеплер заменил коперниковы орбиты-окружности орбитами-эллипсами, приведя расчетные положения планет на небе в значительно лучшее соответствие с наблюдаемыми положениями, чем прежде. Он же открыл три закона, которые и теперь называют кеплеровскими. Вот они.
1. Планеты движутся в плоскости, проходящей через Солнце, по эллипсам, причем Солнце находится в одном из двух фокусов эллипса.
2. При движении планеты вокруг Солнца прямая, соединяющая ее с Солнцем (радиус-вектор), описывает равные площади в равные промежутки времени (закон площадей).
3. Квадраты времен обращения двух планет вокруг Солнца пропорциональны кубам больших полуосей их орбит.
Все три закона Кеплера выводятся из закона всемирного тяготения (причем для третьего закона получается более строгое уравнение), но последний был открыт Ньютоном значительно позднее, так что на приоритет Кеплера никто не покушается. Закон всемирного тяготения назвал причину движения планет. Для Кеплера она так и осталась загадкой, и он постулировал существование у каждой планеты специального ангела, обеспечивающего ее движение. Тягловый ангел – это, конечно, курьез, поэтому вряд ли Кеплер относился всерьез к своей выдумке. История науки знает случаи, когда учеными в рамках мысленного эксперимента вводились мифологические персонажи с теми или иными свойствами (например, демоны Максвелла и Лапласа), и, видимо, кеплеровских ангелов надо ставить в тот же ряд.
Как известно, планеты в своем движении по небу описывают вытянутые петли и зигзаги. Уже из этого наблюдательного факта ясно, что плоскости планетных орбит наклонены к плоскости эклиптики на некоторый угол. Угол этот, как правило, очень небольшой. Максимальное наклонение имеет орбита Меркурия: чуть более 7°; минимальное – Уран (несколько менее 0,8°). Плутон с наклоном своей орбиты, превышающим 17°, теперь не считается планетой.
А что же эксцентриситеты орбит? Эксцентриситетом е называется степень вытянутости эллипса: для окружности е = о, а для параболы (частный случай эллипса с одним из фокусов, вынесенным в бесконечность) е = 1. Из закона всемирного тяготения также следует, что, вообще говоря, различные тела не обязательно должны обращаться вокруг Солнца по эллипсам. Теоретически возможны окружности, параболы и гиперболы (у гиперболы е > l). Ясно, однако, что тела с гиперболическими орбитами, проходящие вблизи Солнца только для того, чтобы затем навсегда уйти от него в глубины космоса, не являются планетами по определению, а окружность и парабола требуют столь точно «выверенного» эксцентриситета, что подобная математическая точность в природе просто не встречается. Итак, планетные орбиты – эллипсы.
Почти у всех планет эксцентриситеты орбит малы, так что их орбиты не очень отличаются от круговых. Наибольшей эксцентричностью отличается орбита Меркурия (е = 0,206), на втором месте по вытянутости орбиты стоит Марс (е = 0,093). У Венеры и Нептуна орбита почти точно круговая, у Земли – чуточку более вытянутая. Многим известно среднее расстояние от Солнца до Земли, равное примерно 149,6 млн км. Однако в перигелии (ближайшей к Солнцу точке орбиты) Земля подходит к Солнцу на 147,117 млн км, тогда как в афелии (наиболее удаленной точке орбиты) расстояние между Солнцем и Землей составляет 152,083 млн. км. Казалось бы, разница невелика, однако в настоящую эпоху Земля проходит через перигелий в начале января, а через афелий – в начале июля. Как следствие, в северном полушарии Земли лето несколько прохладнее, а зима несколько теплее, чем они были бы при круговой орбите. Южному полушарию повезло меньше: там и лето теплее, и зима холоднее, что и подтверждают метеорологи.
