Айзек Азимов - Загадки мироздания
1) отсутствующая или почти отсутствующая атмосфера: Меркурий;
2) восстановительная атмосфера: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун;
3) окислительная атмосфера: Земля;
4) нейтральная атмосфера: Венера, Марс.
Из 31 спутника планет Солнечной системы единственный, о котором известно, что у него есть атмосфера, — это Титан, крупнейший спутник Сатурна. Его атмосфера — восстановительная. Все же остальные спутники, включая нашу Луну, атмосферы не имеют или почти не имеют.
Короче говоря, нигде в нашей Солнечной системе, кроме самой Земли, окислительной атмосферы нет. Нигде больше нет свободного кислорода.
Почему?
Начнем с рассмотрения того облака пыли и газа, из которого, как принято считать, возникла наша Солнечная система. По мнению астрономов, около 90 процентов этого облака составлял водород, а еще 9 процентов — гелий. В оставшийся 1 процент вошли кислород, неон, азот, углерод, кремний, магний, железо, сера и аргон, скорее всего, именно в таком порядке убывания концентрации, и прочие элементы — в еще меньшем количестве.
Углерод, кремний, магний, железо и сера при обычной температуре — твердые вещества и образуют друг с другом твердые же соединения (карбиды, силициды и сульфиды). По мере образования в облаке завихрений атомы и молекулы этих веществ начали слипаться с образованием сначала песчинок, затем камней, а в конце концов — и так называемых «малых планет». Вокруг этих последних со временем сформировались планеты. Что касается Земли, то на ней тяжелые металлы осели в самом ядре, а каменистые вещества образовали толстую внешнюю кору.
Водород, ввиду своего подавляющего количественного преобладания, вступал в соединение с чем угодно. Он соединялся с кислородом, образуя воду (Н20), с азотом, образуя аммиак (NH2), с углеродом, образуя метан (СН4), с серой, образуя сероводород (Н2S). Вот с гелием, неоном и аргоном водороду соединяться не удавалось, поскольку эти три газа являются так называемыми «благородными» (инертными) и вообще не вступают ни в какие соединения, насколько нам известно.
Все эти вещества — водород, гелий, неон, аргон, вода, аммиак, метан и сероводород — имеют низкую температуру плавления, то есть при обычных температурах являются газами, за исключением воды, которая, впрочем, тоже представляет собой легко испаряющуюся жидкость.
При тех низких температурах, при которых образовывались планеты, некоторые из этих веществ (в первую очередь это относится к воде и аммиаку) могли быть твердыми и наравне с металлами и камнями образовывать ядра малых планет. Да и те вещества, что сохраняли газообразную форму, тоже могли попадать в эти ядра, заполняя полости в них.
Но затем в центре Солнечной системы огромная масса вещества сконденсировалась до такой степени, что внутреннее нагревание породило ядерный взрыв. Родилось Солнце.
Солнечное тепло испарило все вещества, имеющие низкую температуру кипения, и из недр формирующихся планет начали выделяться газы. Эти газы не вступали в химическую реакцию с твердым веществом планеты — их удерживала теперь только сила тяготения. Если молекулы газа двигались медленно, то слабой гравитации оказывалось достаточно, чтобы удержать их; если же они двигались быстро, то планета теряла их.
Чем выше температура газа, тем быстрее движутся его молекулы и тем легче их потерять. Малые планеты, находившиеся близко к Солнцу, получая от него больше всего тепла, стали быстро терять атмосферу. Газы, сдуваемые солнечным ветром (состоящим из вылетающих из Солнца частиц), уносились во внешние, более холодные регионы Солнечной системы.
По мере формирования внешних планет они обретали значительную атмосферу, не только за счет собственного газа, но и за счет газа, поступающего из более теплых глубин Солнечной системы, утраченного более близкими к Солнцу планетами. Именно поэтому Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун так велики по сравнению с «внутренними» планетами. Они состоят по большей части из водорода и его соединений, которых было так много в первоначальном газовом облаке. Эти планеты имеют толстый слой восстановительной атмосферы, состоящей из водорода, гелия, аммиака и метана.
А вот внутренняя группа малых планет полностью утратила свою первоначальную атмосферу. Свободный водород и инертные газы улетучились навсегда. Часть молекул воды, аммиака, метана и водорода осталась на планетах только за счет удержания слабыми химическими связями с твердой корой.
Но процесс образования полноценных планет из древних малых планет продолжался — планеты увеличивались и их гравитационные поля — тоже. Внутренние ядра планет нагревались, молекулы газов высвобождались из химических соединений и устремлялись наружу, вылетая на поверхность под действием внутреннего давления или в результате вулканической деятельности. Меркурий так и не увеличился до достаточных размеров, чтобы удерживать эти газы в условиях непрекращающегося нагревания со стороны близко расположенного к нему Солнца. Из-за малого размера и слабого гравитационного поля он и сейчас практически лишен атмосферы.
Другие близкие к Солнцу планеты — Венера, Земля и Марс — увеличились в размерах больше, чем Меркурий, и при этом сохраняли менее высокую температуру, так что им удалось удержать часть газов при себе. Сравнительно небольшой Марс удержал лишь тонкий слой атмосферы, Земля и Венера смогли сохранить больше. Молекулы аммиака, метана и водорода окутали Венеру, Землю и Марс тонким слоем «вторичной атмосферы», восстановительной по своим химическим свойствам.
Из недр планет вырвалась наружу и вода. Некоторое количество ее так и осталось в газообразном виде в атмосфере, но большая часть все же сконденсировалась в жидкость. На Земле медленно образовывались огромные океаны, но на Венере, которая меньше и горячее Земли, и воды осталось явно меньше, а на совсем небольшом Марсе — еще меньше.
Именно в условиях восстановительной атмосферы и зародилась жизнь. Более того, именно такая атмосфера и является обязательным условием для зарождения жизни (см. главу 9). Для того чтобы жизнь могла зародиться, сначала должны были сформироваться сложные молекулы, состоящие в основном из атомов водорода и углерода. Если бы атмосфера тогда была бы насыщена, как сейчас, свободным кислородом, то эти молекулы не смогли бы сформироваться.
Кроме того, такие молекулы могли образоваться только за счет энергетически насыщенного ультрафиолетового излучения Солнца, которое без помех обрушивалось на древнюю атмосферу и океан. Если бы в атмосфере содержался кислород, он отразил бы ультрафиолет и океан не получил бы необходимой энергии.
Да, та же самая энергия ультрафиолета, которая помогла сформироваться первым сложным углеводородным молекулам, послужила бы разрушению тех из них, что стали бы слишком сложными. Так что простейшие формы жизни, имевшие уже очень сложный молекулярный состав, могли существовать только в океане на глубине нескольких десятков метров, куда уже не проникали ультрафиолетовые лучи. В верхних слоях воды могли формироваться умеренно сложные молекулы, чтобы потом, опускаясь вниз, служить пищей первым живым существам.
Но даже по мере развития жизни на Земле атмосфера продолжала эволюционировать. Ультрафиолетовое излучение, пробиваясь сквозь атмосферу, разлагало молекулы воды на свободный водород и свободный кислород (этот процесс называется «фотодиссоциацией»).
Чем меньше масса молекулы газа, тем быстрее она движется при любой заданной температуре и тем легче ей вырваться за пределы гравитационного поля. Атомы водорода, высвобожденные после распада молекулы воды, постепенно покидали нашу планету, улетая в межпланетное пространство.
А вот атомы свободного кислорода оказались достаточно массивны, чтобы гравитация Земли смогла удержать их. Они соединялись между собой, образуя молекулярный кислород (где каждая молекула состоит из двух соединенных между собой атомов кислорода), который далее уже вступал в соединение с другими веществами. Соединение кислорода с каменистыми веществами, содержащимися в почве, давало окислы минералов — в основном силикаты. Соединялся кислород и с атмосферными газами — аммиаком, метаном, сероводородом, образовывая в ходе реакций в первом случае азот и воду, во втором — углекислый газ и воду, а в третьем — серу и воду.
Образованная в ходе этих реакций вода также подвергалась фотодиссоциации, и процесс продолжался. Сера входила в состав твердой коры, образовывая сульфиды или в соединении с кислородом — сульфаты. Атмосферные аммиак и метан постепенно полностью перешли в азот и углекислый газ за счет постепенного уменьшения водных запасов. Так восстановительная атмосфера сменилась нейтральной.
На Марсе аналогичный процесс на этом и закончился. Его тонкая атмосфера состоит сейчас практически целиком из углекислого газа, а водные запасы планеты снизились настолько, что воды еще хватает на образование тонких полярных ледяных шапок.
