Сейчас на поверхности Венеры или в ее атмосфере почти нет воды. Атмосфера этой планеты до сих пор состоит в основном из углекислого газа, а ее поверхность настолько раскалена, что находящиеся на ней горные породы ночью излучают свет. Земля имеет гораздо более разреженную атмосферу с очень небольшим количеством углекислого газа, и, конечно, на Земле достаточно прохладно, чтобы здесь могли быть полные воды океаны и, следовательно, жизнь. Если раньше эти планеты были так похожи, почему они стали такими разными?

Как уже отмечалось, атмосферы Земли и Венеры первоначально были чрезвычайно густыми и состояли из углекислого газа и воды при очень высоких температурах и давлении на поверхности. На Земле, куда попадало чуть меньше солнечного света, температура, вероятно, была достаточно низкой, а давление на поверхности достаточно высоким, чтобы вода здесь имелась в виде жидкости. При нынешнем давлении на Земле в 1 атм вода закипает при 100 °С; если давление повысить, она закипит при более высокой температуре (по этому принципу работает скороварка). При давлении в 60 атм вода могла оставаться в состоянии жидкости при температуре на поверхности Земли 200–300 °С (ниже 270 °С, чтобы быть точным). Наличия этой воды в сочетании с изменением поверхности Земли в результате тектоники плит (мы обсудим это подробнее в следующей главе), возможно, было достаточно, чтобы количество углекислого газа стало сокращаться, поскольку он связывался с горными породами. Они постепенно остужали атмосферу, создавая условия для увеличения количества воды. А увеличение количества воды и все более остывающая поверхность планеты в свою очередь способствовали тектонической активности (мы обсуждали это в предыдущей главе), отчего содержание углекислого газа продолжало падать. В итоге лишь малая часть углекислого газа осталась в атмосфере Земли, остальная перешла в состав горных пород.

На Венере, залитой бóльшим количеством солнечного света, вероятно, было слишком жарко, чтобы вода могла выпадать в виде дождя. Вся она оставалась в атмосфере, поддерживая раскаленную температуру. Солнечный ультрафиолет разделил молекулы воды на водород, который улетучился в космос, и высокоактивный кислород, который связался с минералами на поверхности. В атмосфере Венеры осталось ничтожное количество воды. Кроме того, отсутствие воды в фазе жидкости и высокая температура поверхности, вероятно, мешали регулярному подъему из недр планеты новых пород, т. е. препятствовали процессу тектоники плит, который мог бы сократить количество углекислого газа. На Земле нужный баланс смог удерживаться – вода и тектоника плит, содействуя друг другу, уменьшали количество углекислого газа, в итоге создав пригодную для обитания поверхность. На Венере такой «кооперации» между водой и тектоникой не было, и поверхность планеты осталась адски горячей, сухой и бесплодной.

В наши дни атмосфера Земли намного более разреженная, чем во времена, когда она создавалась. Сейчас она почти на 80 % состоит из газообразного азота и почти на 20 % – из кислорода, а также небольшой примеси других газов (оставшегося углекислого газа, совершающей гидрологический цикл воды и инертного аргона, концентрация которого не меняется). Почти весь кислород в атмосфере биологического происхождения. В процессе фотосинтеза двуокись углерода (та ее часть, которая не ушла в горные породы) соединяется с водой. В результате получаются органические молекулы (сахар) и кислород (подробнее об этом в главе 7). Азот, вероятно, попал из мантии в атмосферу при извержениях вулканов вместе с водой и углекислым газом. Будучи относительно инертным (и при температурах, намного превышающих его точку росы), он остался в тех местах, где и был выброшен. До того как массивная атмосфера, состоящая из углекислого газа, была втянута в горные породы (а позднее и в живые организмы), азот был незначительным компонентом атмосферы, но, после того как это произошло, азот стал доминировать, кроме него в атмосфере мало что осталось.

Эволюция атмосферы Марса представляет собой любопытный контраст Земле и Венере. Сейчас атмосфера Марса почти полностью состоит из углекислого газа и примерно в 100 раз более разреженная, чем земная, при среднем давлении у поверхности менее 0,01 от давления земной атмосферы, измеренного на уровне моря. Окажись мы на поверхности Марса без скафандра, мы ощущали бы себя, как в вакууме. К тому же температура поверхности Марса весьма низкая, в среднем 60 °С. Полярные шапки Марса в основном состоят из водяного льда и некоторого количества сухого льда – замерзшей углекислоты. Вероятно, значительное количество льда содержится и в марсианской коре в регионах вечной мерзлоты. Экваториальные области могут получать достаточно тепла, чтобы лед таял, но атмосфера Марса настолько разреженная, что лед в основном сублимируется, т. е. испаряется, не проходя стадию жидкого состояния. Это значит, что в атмосфере Марса есть небольшое количество воды, которая выпадает в виде снега в более высоких широтах. Тем не менее исследования Марса показали, что на Красной планете когда‑то было значительное количество воды в жидкой фазе – судя по эрозии поверхности, напоминающей русла рек и древние овраги. В какой‑то момент прошлого атмосфера Марса была плотнее и теплее, этого было достаточно, чтобы на планете была вода в виде жидкости.

Имеются и некоторые признаки того, что в далеком прошлом на Марсе была тектоническая активность, возможно, в то время там имелась и жидкая вода. Быть может, Марсу был присущ взаимно поддерживающийся водно‑углеродно‑тектонический цикл, подобный тому, что наблюдается на Земле сейчас. Но это лишь догадки. В любом случае Марс потерял плотную атмосферу, сейчас его окружает разреженная газовая оболочка.

Одна из наиболее вероятных причин потери Марсом атмосферы – то, что он просто слишком мал, чтобы удерживать теплую атмосферу: молекулы газа легко достигали достаточно высокой скорости, выходили из гравитационного поля Марса, и таким образом атмосфера медленно улетучилась в космос. В то же время атмосфера Марса, вероятно, «сдувалась» солнечным ветром – потоком электрически заряженных частиц (ионов), который «обтекает» планеты. Эти частицы медленно выносят в космическое пространство атмосферу из ее верхних слоев. Сильное магнитное поле Земли отклоняет солнечный ветер и защищает атмосферу (и нас) от этих частиц и их десорбирующего эффекта. Венера не имеет магнитного поля, поэтому даже сейчас ее атмосфера постепенно улетучивается; но так как она очень плотная, а сама планета обладает достаточной массой, чтобы удерживать молекулы газа, они рассеиваются в космическое пространство довольно медленно. Возможно, Марс некогда имел сильное магнитное поле (данные спутников зафиксировали следы древней тектоники плит – полосовые магнитные аномалии, «замороженные» в коре планеты, так же, как в центрах растекания морского дна Земли). Однако сейчас там тектоники плит нет и, вероятно, не было на протяжении большей части марсианской истории, поэтому атмосфера Красной планеты рассеивалась солнечным ветром. То, что Марс утратил (а может быть, и никогда не имел) тектонику плит и магнитное поле, также лучше всего объясняется его размерами: он слишком мал, чтобы сохранить в недрах изначальное, оставшееся со времен его формирования тепло, и потому конвекция в мантии и ядре Красной планеты стала слишком слабой, чтобы питать и тектонику плит, и магнитное динамо.

Возникновение атмосферы и океанов Земли позволило сформироваться условиям, подходящим для возникновения жизни. Структура и движение океана и атмосферы играют важную роль в жизнепригодности Земли, уже не говоря о том, что они стабилизируют климат (мы обсудим это в следующей главе).

Самый нижний слой нашей атмосферы называется тропосферой, здесь, как мы полагаем, формируются погодные условия и ветры. Это слой толщиной в среднем около 10 км (он толще на экваторе и тоньше на полюсах). Атмосфера здесь подвергается тепловой конвекции, весьма напоминающей конвекцию земной мантии. Нагретая лучами Солнца Земля согревает приповерхностный воздух, он поднимается, остывает, а затем опускается где‑то в другом месте. Таким образом, в нижней части тропосферы теплее, в верхней – холоднее. Как мы вскоре увидим, конвективное движение в тропосфере – это сложный процесс, в основном он ответственен за движение ветров и погоду.

Над тропосферой расположена стратосфера, температура которой возрастает с увеличением высоты. Воздух в ее верхней части теплый, плавучий и неподвижный, он не тонет, поэтому аэрозоли и вулканическая пыль задерживаются там. (Стабильность стратосферы также защищает ее от конвекции, в этой зоне почти нет турбулентности, поэтому самолеты гражданской авиации совершают полеты именно в нижней стратосфере.) Высокая температура стратосферы обусловлена наличием в ней озона – молекул, состоящих из трех атомов кислорода. И образование (из обычных молекул кислорода, которые имеют два атома), и разрушение стратосферного озона (до кислорода) происходит из‑за поглощения определенных видов ультрафиолетового излучения, поступающего от Солнца, в результате стратосфера нагревается. Этот эффект также очень важен, так как защищает жизнь на поверхности Земли от вредного ультрафиолетового излучения. Развитие жизни и выработка кислорода были укрепляющими друг друга процессами, так как благодаря последнему появился защитный озоновый слой. Этот процесс также напоминает, почему потеря озонового слоя приведет к катастрофическим последствиям. Наличие озоновых дыр над полюсами Земли, предсказанное в 1970‑х гг. и открытое в 1985 г., заставило международное сообщество регулировать процессы загрязнения воздуха для того, чтобы эти дыры затянулись.

Стратосфера простирается на высоту до 50 км, а то, что выше, является еще более разреженной мезосферой. Мезосфера простирается на высоту до 100 км, хорошо охлаждается излучением и потому холоднее, чем стратосфера. Следом за мезосферой располагается намного более горячая и гораздо более разреженная термосфера (примерно до 600 км), а еще выше – экзосфера (примерно до высоты 10 000 км или даже больше), за границами которой начинается космическое пространство. Верхняя мезосфера, термосфера и нижняя экзосфера, в которых высока концентрация ионизированных атомов, вместе образуют ионосферу, представляющую естественный канал для переноса радиоволн по всему земному шару.

Но давайте вернемся к тропосфере. Конвекция в этом слое приводится в движение солнечным теплом, максимально сильным вблизи экватора в тропиках, где солнечный свет падает на поверхность под прямым углом, и слабым на полюсах, куда солнечный свет почти не попадает. Если бы Земля не вращалась, конвекция представляла бы собой горячий воздух, поднимающийся от нагретой на экваторе поверхности в верхние части тропосферы, а затем переправляющийся к полюсам, где он бы остывал, опускался вниз и возвращался к экватору над поверхностью Земли. Однако наша планета вращается довольно быстро, и воздух, находящийся у поверхности на экваторе, движется по направлению на восток с очень высокой скоростью, проходя окружность Земли за сутки (т. е. 40 000 км за 24 часа, что равно 1700 км/ч). Воздух, находящийся у поверхности планеты у Северного и Южного полюсов, движется медленнее, проходя за 24 часа по меньшей окружности, чем на экваторе. На полюсах же почти полный штиль, ветер вращается очень медленно и локально. Таким образом, воздух, поднимающийся на экваторе, с высокой скоростью дует в восточном направлении, и, по мере того как он поднимается, а затем перемещается в сторону холодных полюсов, его движение на восток становится все быстрее по отношению к поверхности. Таким образом, в то время как этот теплый поднимающийся воздух пытается переместиться к одному из полюсов, он будет все больше, относительно окружающего его воздуха, отклоняться к востоку, поэтому по существу воздух будет двигаться исключительно в восточном направлении по окружности вдоль заданной широты. В конце концов он теряет тепло и опускается вниз между 30° с.ш. и 30° ю.ш. (Флорида, США до Перта, Австралия). Этот прохладный опускающийся воздух достигает земли и распространяется на север и на юг. Двигающийся у поверхности к экватору ветер отклоняется на запад по отношению к окружающему его воздуху, который, как и сама поверхность Земли у экватора, движется более быстро в восточном направлении. Эти отклоненные к западу воздушные течения образуют пассаты – преобладающие в тропиках ветра. Вся эта циркуляция теплого воздуха, поднимающегося от экватора и циркулирующего между 30° с.ш. и 30° ю. ш., которая затем охлаждается, опускается и уходит обратно к экватору, называется циркуляционной ячейкой Хэдли. С другой стороны, поверхностный воздух, распространяющийся из опускающегося прохладного воздушного течения, находящегося за пределами 30° с.ш. и 30° ю.ш. и уходящего по направлению к полюсам (подобно экваториальному апвеллингу), отклоняется на восток. Это создает западные ветра умеренного пояса, преобладающие на большей части континентальной части США и Европы. (Термины «восточный ветер» и «западный ветер» могут сбить с толку читателя: специалисты так называют ветра, дующие с востока или запада. Соответственно, западные ветра – те, что дуют на восток.)

Циркуляция атмосферы переносит теплый воздух из тропических зон к полюсам, а холодный воздух – в тропики. Однако из‑за вращения Земли циркуляция атмосферы делится на три ячейки, вращающиеся в противоположных направлениях в Северном и Южном полушариях. Поток воздуха в нижней части каждой ячейки отклоняется на восток или на запад из‑за вращения Земли (и в зависимости от того, направлен ли поток к экватору или в противоположную сторону от него). Эти потоки образуют преобладающие ветра в атмосфере Земли. (С разрешения Барбары Шеберл, Animated Earth LLC.)

Наконец, холодный воздух на полюсах, который движется по направлению к экватору, попадает в ветры, дующие гораздо быстрее в восточном направлении, и этот воздушный поток отклоняется на запад по отношению к этим ветрам. Эти воздушные течения называются полярными восточными ветрами, которые преобладают примерно на 60‑м градусе широты в обоих полушариях (например, на Аляске или в Антарктиде). В Северном и Южном полушариях Земли есть три вращающиеся в противоположных направлениях циркуляционные ячейки, которые охватывают Землю параллельно экватору. Они ответственны за перенос горячего воздуха от экватора к полюсам и прохладного воздуха от полюсов к экватору. В этом процессе они управляют преимущественными ветрами планеты, которые находятся, по сути, в нижней части каждой из этих ячеек. Эти преимущественные ветра в основном определяют метеорологические условия (а также высотные струйные течения, которые находятся в верхней части циркуляционных ячеек, а также между ними). Во времена плаваний под парусами они были чрезвычайно важны для моряков.