Если тектоника плит, океаны и умеренный климат зависят друг от друга, возникает вопрос, подобный загадке о курице и яйце: что же появилось раньше? Это «вопрос на миллион» в науках о Земле, не дешевый, конечно, вопрос, но и не такой дорогой, как Большой взрыв, который можно оценить в триллионы долларов. Чтобы ответить на него, мы должны знать, когда – если даже не знаем как – возникла тектоника плит и океаны. Есть привлекательные, но далекие от окончательных предположения, которые могут дать ответ на этот вопрос.

В последнее десятилетие мы стали свидетелями открытия очень древних крошечных минералов циркона (тип кристалла) возрастом 4,4 млрд лет, собранных в основном лишь в австралийской местности Джек Хиллс. Эти кристаллы, по всей видимости, образовались в гранитах. Поскольку большинство гранитов образуются за счет плавления гидратированных горных пород, само их наличие означает, что вода и процессы субдукции (и, следовательно, что‑то вроде тектоники плит) уже существовали в то давнее время. Мы не знаем, что появилось раньше, возможно, они появились одновременно. Возможно, если бы они не появились одновременно, то не появились бы вообще никогда. Тем не менее есть вероятность, хотя и весьма низкая, что граниты формировались другими способами. Можно неоднократно переплавлять горные породы, например беспрестанно изливая на нее горячую лаву гавайского типа. Вопрос, что появилось раньше, тектоника плит или вода, все еще открыт. Тем не менее мы рассмотрим его в следующих главах.

Рассматривая образование континентов, на которых мы с вами живем, нам пришлось заглянуть внутрь Земли и понять, как она движется. При этом мы обнаружили еще две большие странности Земли в дополнение к нашей странной Луне. Во‑первых, вероятно, все планеты земной группы имеют мантии, поддерживающие тепловую конвекцию, но только на Земле она проявляется в виде тектоники плит, которая вызывает разрушительные землетрясения и извержения вулканов, выносит мантийные горные породы (магму) на поверхность и уносит обратно в мантию поверхностный материал, например воду и (мы еще поговорим об этом) углекислый газ. Насколько нам известно, на других планетах земной группы обмен идет односторонний, они просто извергают магму на поверхность с помощью вулканов. Во‑вторых, у Земли есть сильное магнитное поле, которого нет ни у одной другой планеты земной группы, по крайней мере такого же, как у нас (спорное исключение – Меркурий). Наше магнитное поле проходит через верхние слои атмосферы, но, что удивительно, создается в естественном «генераторе» из жидкого железа, находящегося в центре нашей планеты. По внутренней структуре и составу Земля и Венера не слишком отличаются. Даже размеры этих двух планет почти одинаковы. Однако условия на Земле и Венере – их орбитальное расположение относительно Солнца или, возможно, тот факт, что одна из планет‑сестер испытала столкновение с объектом, в результате которого образовалась Луна, а другая нет, – складывались совершенно по‑разному. Только на Земле появились магнитное поле, тектоника плит, вода в фазе жидкости и жизнь.

5. Океаны и атмосфера

Жизнь состоит из веществ, которые в основном обнаруживаются в разреженной прослойке газов и водяного пара на поверхности нашей планеты. Мы представляем собой углеродную форму жизни, состоим в основном из воды и очень зависим от растений, которые преобразуют углекислый газ и воду в сахарозу. Но в жизни есть вещи и посерьезнее сахарозы (а может, и нет, зависит от того, насколько вы любите сахар), и вскоре мы рассмотрим это подробнее. А для начала давайте зададимся вопросом, откуда вообще взялась эта оболочка из газа и воды. Судьба атмосфер (и, вероятно, океанов) планет земной группы была предопределена, когда Протосолнце создало планеты внутренней области Солнечной системы слишком горячими, чтобы на них могла конденсироваться жидкость из протосолнечного газового диска (см. главу 3). Внешняя область Солнечной системы, за пределами снеговой линии, сохранила много льда, жидкостей и таких газов, как водород и все, что может быть из него получено (например, вода, метан и аммиак). Внутренняя Солнечная система осталась с кучей «камней» и без каких‑либо предпосылок к образованию где‑либо существенной атмосферы. Однако в наши дни Венера имеет массивную атмосферу, у Земли она тоже достаточно плотная, а атмосфера Марса хоть и разреженная, но все же существенная (вот, например, Меркурий обладает слишком разреженной атмосферой, чтобы о ней упоминать). Откуда же взялись атмосферы у планет земной группы?

Имелись две точки зрения (хороший способ заменить оборот «шли бурные дебаты») на эту проблему. Одна из теорий, так называемая гипотеза позднего вмешательства, исходит из того, что поверхности Земли и других планет земной группы были подвержены сильным бомбардировкам астероидами, приходящими по эксцентричным орбитам из внешней области Солнечной системы. Эту эпоху (около 4 млрд лет назад) называют поздней тяжелой бомбардировкой (возможно, вызванной миграцией гигантских планет, см. главу 3), и эта бомбардировка должна была начисто смести все атмосферы. Состав существующих сейчас атмосфер и океанов мог образоваться только после этого разрушительного события, в результате которого из внешней области Солнечной системы вместе с астероидами были доставлены летучие (легко испаряющиеся) компоненты, такие как лед, углекислый газ и др. (В главе 3 говорилось о двух больших областях скопления комет в Солнечной системе – поясе Койпера прямо за орбитой Нептуна и расположенном очень далеко облаке Оорта.) Таким образом, внешний слой атмосферы был образован поздно.

Сторонники другой теории утверждают, что атмосфера и океаны образовались из самой планеты, и эта теория имеет менее привлекательное название – эндогенное происхождение, т. е. атмосфера образовалась на Земле без влияния извне. (Таким образом, теория позднего внешнего вмешательства может быть названа экзогенной.) Как мы уже говорили, вода может содержаться в гидратированных минералах поверхностных горных пород, а углекислый газ – в породах, называемых карбонатами, обычно встречаемых в форме известняка или мела. Большинство мантийных пород также могло присоединять воду и углекислый газ в различные гидратированные или карбонизированные формы, но в очень малых количествах; в большинстве своем эти породы могут поглощать летучие вещества в размере лишь доли процента от своего веса. Тем не менее мантийным породам не нужно было много воды, чтобы образовать океаны нашей планеты. Масса океанов Земли составляет в общей сложности около 0,03 % от всей массы мантии (масса атмосферы ничтожна по сравнению с океанами), и можно было бы спрятать наши океаны в мантии несколько раз, а горные породы даже не стали бы мокрыми (может быть, слегка влажными). Даже слегка увлажненные и карбонизированные породы астероидов и планетезималей, которые сформировали нашу планету, похоронили бы эти компоненты глубоко внутри Земли, поскольку она увеличивалась. Таким образом, мантия могла бы сохранить достаточное количество воды и двуокиси углерода, чтобы в конечном итоге эта вода вышла наружу, образовав океаны и атмосферу.

Но каким образом вода и углекислый газ смогли попасть на поверхность Земли, если они находились глубоко внутри планеты? Во‑первых, если океан магмы действительно существовал, что кажется вполне правдоподобным, то при его кристаллизации было бы выделено значительное количество летучих газов, таких как вода и углекислый газ. Можно предположить, что первоначально океан магмы содержал в себе летучие вещества из исходных строительных блоков планет, например хондритов. Если бы весь океан магмы единовременно остыл, летучие вещества остались бы растворенными в конечной твердой мантии в малых концентрациях и при этом были бы широко распространены. Однако океан магмы должен был представлять собой смесь различных компонентов, одни из которых остывали быстрее, чем другие. Жидкие части, которые застывали медленнее, сохраняли все большее количество воды и углекислого газа, так как жидкости растворяют гораздо больше этих летучих веществ, чем кристаллизующиеся вещества. (Хорошим примером того, что жидкости лучше растворяют большинство химических веществ, служит вода – она растворяет соль намного эффективнее льда, даже в морском льду соли почти нет.) К тому моменту, когда океан магмы окончательно остыл, остатки расплава содержали много летучих веществ. Легкие расплавы поднялись к поверхности, более глубокие и более плотные ушли вниз, сформировав нижний слой океана магмы (этот процесс описывался в главе 4). Так как плавучие жидкости поднимаются к зонам более низкого давления, они начинают хуже растворять летучие вещества и потому высвобождают их (вот почему бутылка газировки шипит, когда вы открываете крышку и давление падает: углекислый газ внезапно становится нерастворимым и создает пузыри). Последние плавучие расплавы в остывшем океане магмы вначале накопили бы, а затем выпустили много воды и углекислого газа, высвобождая их в виде газа на поверхность планеты и, вероятно, делая это довольно быстро (по геологическим меркам).

Весьма вероятно, что благодаря затвердению океана магмы образовалась бóльшая часть первоначальной воды и состоящей из углекислого газа атмосферы, однако мантия продолжала медленно выделять газы и воду даже после того, как затвердела. Даже если бы океана магмы не было, из мантии все равно просочились бы вещества, из которых впоследствии образовалась ранняя атмосфера, просто этот процесс был бы более продолжительным. Мы уже упоминали, что в твердой мантии процессы конвекции протекают медленно и, по мере того как горячие поднимающиеся горные породы приближаются к поверхности и входят в зоны более низкого давления, они плавятся легче (хотя ненамного, возможно, на десятые доли процента). Этот расплав остается на поверхности, образуя кору, почти всегда океаническую. Как отмечалось выше, когда расплав только формируется, он намного лучше твердой породы растворяет летучие вещества, такие как вода и углекислый газ. Таким образом, когда мантия плавится, вода и углекислый газ, растворенные в горных породах, стремительно переходят (если позволите так выразиться) в расплав, который наполняется этими летучими веществами. Поднимаясь к поверхности Земли, расплав входит в зоны более низкого давления и, как откупоренная бутылка газировки, начинает выпускать газ. Именно это заставляет вулканы извергаться – быстрое высвобождение воды и углекислого газа в поднимающейся магме. Застывая на поверхности Земли или вблизи нее, магма уже не может растворять газ, и оставшаяся часть газа высвобождается. Суть в том, что небольшое количество расплава твердой мантии вбирает в себя эти газы и доставляет их на поверхность, это происходит исключительно за счет всевозможных форм вулканизма – от мощных извержений вулканов до мирного выброса лавы глубоководными центрами спрединга. Что бы ни было причиной – океан магмы и/или вулканизм, не требуется много расплава, чтобы извлечь летучие вещества из гигантской мантии для создания океанов и атмосферы.

Какая же гипотеза происхождения атмосферы верна – эндогенная или экзогенная? В естественных науках редко удается дать четкий однозначный ответ. Лучшим ответом, вероятно, будет то, что вода и другие летучие вещества попадали в атмосферу Земли, вероятно, обоими путями. Но какой путь – эндогенный или экзогенный – имел большее значение? Один из основных аргументов против экзогенной гипотезы (гипотезы позднего вмешательства) состоит в том, что химический состав комет (его можно измерить с помощью телескопов по спектру отраженного от комет света, а иногда и напрямую, с помощью космических аппаратов) отличается от того, что содержат океаны Земли. Наиболее очевидным признаком является соотношение количества дейтерия (тяжелого водорода с одним протоном и одним нейтроном в ядре) и обычного водорода (у которого в ядре только один протон). Это отношение обычно значительно больше на кометах, чем на Земле (т. е. на кометах больше дейтерия). Диапазон этого соотношения для комет, однако, довольно широк и превышает значения Земли не намного, так что это нельзя считать явным аргументом в пользу данной теории. Тем не менее другие подобные соотношения, например между изотопами азота, показывают, что их количество у комет и у Земли очень различается. В то же время химические и изотопные составы метеоритов из пояса астероидов, а именно хондритов, совпадают с земными. Таким образом, изотопные доказательства в целом указывают на то, что океан и атмосфера не «доставлены с запозданием» из космоса, а зародились внутри Земли и попали на поверхность в ходе ее аккреции хондритовыми строительными блоками. Кроме того, гипотеза позднего внешнего вмешательства основана на идее, что тяжелая метеоритная бомбардировка должна была уничтожить атмосферу не раньше чем 4 млрд лет назад (или даже немного позже). Но австралийские цирконы, которые мы упоминали выше, позволяют сделать вывод, что вода в состоянии жидкости уже имелась на поверхности Земли более 4 млрд лет назад, несмотря на горячую и враждебную окружающую среду.

Учитывая все имеющиеся на сегодняшний день доказательства, можно сделать вывод, что атмосферы на Земле появлялись в основном путем дегазации, т. е. «просачивались» изнутри нашей каменистой планеты при затвердевании океана магмы, а затем и во время вулканической активности или при обоих процессах сразу. Первичная атмосфера Земли не имела ничего общего с сегодняшней атмосферой: если ее образовал вулканический газ, она должна была состоять, главным образом, из углекислого газа и воды.

И углекислый газ, и вода являются парниковыми газами: они пропускают видимый свет от Солнца, который согревает землю; тепло от земли исходит в виде инфракрасного излучения, которое поглощается парниковыми газами, как одеяло нагревающими поверхность нашей планеты. При большом количестве углекислого газа и воды в атмосфере Земли могло скопиться много тепла, поэтому было очень жарко – температура поверхности, возможно, превышала 200–300 °С, что весьма отличается от современных 15 °С. Похожая по размеру и химическому составу на Землю, Венера могла бы иметь такой же состав атмосферы, но она расположена немного ближе к Солнцу, на ней намного более сильный парниковый эффект, и ее поверхность была еще горячее. Венера все еще близка к тому состоянию, имея температуру поверхности около 500 °С. Изначально на Земле и на Венере было примерно одинаковое количество углекислого газа в атмосфере и, возможно, воды. В наши дни массивная атмосфера Венеры все еще содержит большую часть того углекислого газа, а давление на ее поверхности в 90 раз больше, чем на Земле. (На Земле, чтобы испытать давление в 90 атм, нужно опуститься на подводной лодке на глубину 1000 м). Вероятно, в атмосфере Земли было почти такое же содержание углекислого газа, эквивалентное по меньшей мере давлению в 60 атм. Однако сейчас на Земле и Венере наблюдаются совершенно разные условия.