Сильные пассаты также перемещают тропические воды океана на запад, прижимая их к западным границам океанических бассейнов и тем самым смещая течения к северу и югу. Это приводит к образованию таких течений, как Гольфстрим, который приносит теплые воды в Северную Атлантику и обеспечивает мягкий климат Новой Англии и Западной Европы. Теплые воды Гольфстрима в конце концов охлаждаются в Северной Атлантике, где из‑за сухих и сильных западных ветров вода испаряется, отчего там она более соленая.

Очень холодная и соленая вода становится тяжелой и погружается ко дну. Этот процесс называется термохалинной циркуляцией. Морские течения, движимые и ветрами, и термохалинной конвекцией, в большой степени ответственны за глобальную циркуляцию океанов, так как перемешивают и перемещают водные массы. Весь этот процесс занимает столетия. Это длительное время перемешивания и перемещения необходимо, чтобы океан смог приспособиться к изменениям в атмосферной температуре и концентрации парниковых газов (мы поговорим об этом подробно в следующей главе).

Циркуляционные ячейки атмосферы также определяют перемещение воды по всей планете через атмосферу. Из‑за интенсивного нагрева в районе экватора испаряется много воды, благодаря чему формируются восходящие теплые потоки. Эти потоки поднимаются на большие высоты, а затем распространяются по горизонтали на север и юг. Воздух охлаждается, а вода конденсируется, создавая облака и дождь (поэтому в тропиках так влажно и дождливо). К тому времени, как этот воздух достигает своих нисходящих точек примерно на 30° с.ш. и 30° ю.ш., он теряет воду, становится очень сухим и высушивает землю в местности, на которую опускается. Это приводит к образованию аридных зон, таких как пустыни Сонора и Сахара и большинство внутренних районов Австралии, а также районы со средиземноморским климатом, в которых сухие природные зоны соседствуют с морем, например само Средиземноморье и бóльшая часть Калифорнии. Эти зоны различного климата и влажности сыграли важную роль в развитии сельского хозяйства, повлияв на ход человеческой истории и праистории.

По большей части циркуляция атмосферы Земли (и, следовательно, вод океанов) вызвана относительно быстрым вращением нашей планеты, как это описано выше. Венера вращается очень медленно и при этом в обратную сторону (относительно вращения Земли и большинства планет Солнечной системы). Один оборот Венеры вокруг своей оси занимает 243 суток, даже чуть больше, чем венерианский год (примерно 225 земных суток). Это медленное и странное вращение – одна из многочисленных загадок нашей планеты‑сестры. Несмотря на столь вялое вращение, на Венере дуют очень сильные ветры. В верхних приэкваториальных слоях атмосферы они дуют в противоположном вращению планеты направлении (на Земле, в верхней части ячейки Хэдли, ветер дует в направлении вращения). Период вращения Марса почти такой же, как и у Земли (вероятно, это случайность), и даже в его разреженной, в основном состоящей из углекислого газа атмосфере имеется ячейка циркуляции атмосферы, похожая на ячейку Хэдли, т. е. происходит перенос тепла и даже водяного пара от экватора к полюсам. Эта циркуляция также вызывает сильные ветры, что приводит к сильным пылевым бурям, которые иногда закрывают поверхность Марса на несколько месяцев.

Но я слишком долго распространялся о Земле. Было бы просто глупо не упомянуть о замечательных атмосферах Юпитера и Сатурна. Обе планеты имеют в значительной степени схожий химический состав, унаследованный от протосолнечной туманности, состав которой с некоторыми изменениями был идентичен составу Вселенной после Большого взрыва. Значит, Юпитер и Сатурн состоят в основном из водорода, меньшего количества гелия и малой доли тяжелых элементов, образованных в звездах‑сверхгигантах. Несмотря на огромные размеры, обе эти планеты вращаются в два с половиной раза быстрее Земли, с периодом оборота около 10 часов (Юпитер чуть быстрее), но по сравнению в Землей получают гораздо меньше тепла от Солнца: на каждый квадратный метр поверхности Юпитер получает в 25 раз меньше солнечной энергии, Сатурн – примерно в 100 раз. Обе гигантские планеты имеют полосы высотных струйных течений и облака, которые, в упрощенном смысле, представляют собой множество циркуляционных ячеек типа ячеек Хедли. Однако, вероятно, бóльшая часть энергии, приводящей в движение эту циркуляцию, вырабатывается за счет потери планетой ее внутреннего тепла. Полосы ветров, называемые зональными ветрами, очень быстры и на Сатурне, они могут достигать скорости более 1600 км/ч (самые быстрые ветры на Земле, вихри торнадо, не превышают 500 км/ч). На обеих планетах формируются огромные циклоны, они отдаленно напоминают земные, например ураганы и штормы, обрушивающиеся на северо‑восток Северной Америки, но гораздо, гораздо больше. На северном полюсе Сатурна действует массивный циклон, а знаменитое Большое Красное Пятно на Юпитере представляет собой ураган, размерами превышающий нашу планету и наблюдаемый уже более 100 лет.

И хотя атмосфера Земли не является самой большой, горячей, холодной, быстрой или медленной, она все равно уникальна для Солнечной системы по одной замечательной причине: ее атмосфера полностью отличается от той атмосферы, которая была в самом начале. Состав атмосфер всех остальных планет почти точно такой же, как и во время их образования – более 4 млрд лет назад. Но Земля «выворачивает себя наизнанку» благодаря тектонике плит, она излила всю свою воду на поверхность, чтобы там смогли образоваться океаны, и потому на Земле смогла развиться жизнь. Сегодня наша атмосфера ничем не схожа с той, что была изначально. Ни одна известная нам планета не изменила (не развила) свою поверхность и атмосферу так, как это смогла сделать Земля.

6. Климат и пригодность для жизни

В отличие от других планет Солнечной системы на Земле образовался умеренный климат, поэтому на ней сохранялась вода в жидком состоянии, а следовательно, и жизнь, по крайней мере такие ее формы, которые нам известны. Первыми живыми организмами, появившимися на Земле, были микроорганизмы, и произошло это за несколько миллиардов лет до того момента, с которого мы, люди, считаем планету пригодной для жизни, не говоря уже гостеприимной. Но даже в наши дни мы нашли на планете микробную жизнь, обитающую в самых неблагоприятных природных условиях – в средах, где температура превышает 100 °C, или в кислотных кратерных озерах. Поэтому определение «пригодности для жизни» имеет довольно широкий диапазон. Мы можем обнаружить микробную жизнь, существующую или существовавшую когда‑то на других планетах, условия на которых не хуже самых плохих условий на Земле.

Вода исключительно важна для жизни, поэтому список потенциально пригодных для жизни планет включает в себя Марс и ледяные спутники Юпитера и Сатурна (Европу и Энцеладу соответственно), на которых точно есть вода в жидком состоянии. Как бы то ни было, мы точно знаем, что на нашей планете выработался особенно стабильный и мягкий климат, давший жизни достаточно времени, чтобы она могла стать сложной и многоклеточной.

Разговор об условиях, необходимых для существования жизни на планете, нужно начать с классического понятия «зоны возможной жизни». Эта зона, по сути, является диапазоном орбит в любой планетной системе, где условия на поверхности находящихся в ней планет позволяют существовать воде в жидком состоянии. Другими словами, планета должна быть не так далеко от звезды, чтобы вся вода замерзла (как, вероятно, произошло на Марсе, хотя это становится все более сомнительным), но и не так близко, чтобы вся вода испарилась (как на Венере). Это понятие до сих пор используется астрономами, обнаруживающими планеты в других планетных системах, так как основными характеристиками, которые они устанавливают, по крайней мере пока, являются расстояние от планеты до звезды и (иногда) масса и/или размер планеты.

Орбита в зоне благоприятного обитания – важная часть теорий о вероятности нахождения разумной внеземной жизни. Под «разумной» я понимаю такую жизнь, которая может передавать в космос сигналы (например, радиоволны), несущие систематизированную информацию. Распознают ли внеземные формы жизни в наших радиоволнах признаки того, что они были посланы разумными существами, или нет, еще не известно, но, если мы сами будем искать в космосе сигналы с альфы Центавра (как в «Стартреке» и «Бонанце», любимых фантастических сериалах моего детства), тогда критерии поиска должны быть очевидны. Вероятность получения нами таких сигналов выражена в известном уравнении Дрейка (в честь американского радиоастронома Франка Дрейка) и равна произведению нескольких вероятностей (например, вероятностей того, что у звезды имеются планеты и по крайней мере одна из них находится в обитаемой зоне жизни, и эта потенциальная форма жизни посылает радиоволны именно тогда, когда мы можем их обнаружить, т. е. не слишком рано и не слишком поздно). Вероятность того, что из звездной системы, где существует жизнь, смогут в нужный момент послать радиоволны и «достучаться» до нас, астрономически мала. Тем не менее только в нашей Галактике миллиарды звезд, которые могли поддерживать жизнь в ходе длительной эволюции (как правило, это небольшие звезды, горящие миллиарды лет). Даже если на малой части из них существует жизнь, способная передавать радиосигналы, тогда таких звезд будут миллионы или по крайней мере десятки или сотни тысяч. В этом случае можно было бы ожидать увидеть хотя бы одно плохое инопланетное телешоу с помощью наших радиотелескопов, но пока этого не произошло. И это приводит нас к известному вопросу, заданному физиком Энрико Ферми: «Ну и где они?» Почему мы не наблюдаем следов внеземной разумной жизни? Либо условия, необходимые для ее формирования куда сложнее, чем мы предполагали, либо инопланетяне сразу же изобрели кабельное телевидение.

Условия для формирования жизни, сложной и технологически продвинутой, вероятно, более сложны и не исчерпываются астрономическим положением и радиусом орбиты. То есть не только солнечный свет определяет условия нашего ровного климата. Например, в Солнечной системе Земля, естественно, расположена внутри орбитальной зоны жизни (особенно учитывая все эмпирические доказательства того, что она действительно населена). Однако, если бы в атмосфере Земли не было водяного пара или углекислого газа, тогда не было бы и парникового эффекта и поверхность нашей планеты, вероятно, замерзла бы, покрывшись снегом и льдом. Возможно, это и происходило в течение нескольких периодов в далеком прошлом (мы обсудим это далее). Даже если некоторое количество жидкой воды сохранилось под ледяным покровом, Земля не получала достаточно солнечной энергии для поддержания жизни (учитывая высокую отражательную способность снега и льда). Если бы жизнь могла получать энергию только из других источников, например вулканизма, то для этого потребовался бы вулканизм в дополнение к нужной орбите. С другой стороны, если весь первоначальный углекислый газ, эквивалентный давлению в 60 атм, который теперь содержится в земной коре, оказался в атмосфере, парниковый эффект слишком сильно нагрел бы поверхность планеты. Мы упоминали микробов, которые могут успешно выживать при очень высоких и низких температурах, но они не эволюционировали за пределы их микробного состояния. По крайней мере, не на Земле. При экстремальных условиях – слишком высокой или слишком низкой температуре – мы могли бы рассчитывать в лучшем случае лишь на одноклеточную жизнь. Короче говоря, орбита определяет не все. Но тогда каковы они, эти условия жизни? Хороший вопрос.

Гипотеза уникальной Земли, предложенная геологом Питером Уордом и астрономом Дональдом Браунли, – хорошая, хотя и спорная попытка ответить на парадокс Ферми. Она утверждает, что наша планета стала пригодна для жизни благодаря почти невероятному, уникальному стечению обстоятельств, которые позволили возникнуть живым организмам, а следовательно, и людям. Это сочетание благоприятных условий настолько маловероятно, что шансы обнаружить внеземные радиосигналы в ограниченное время наших наблюдений ничтожно малы. Таким образом, ответ на вопрос Ферми заключается в том, что Галактика больше смахивает на пустыню Гоби, чем на Гонконг или Париж.

В соответствии с гипотезой уникальной Земли наша планета отвечает всем необходимым астрономическим условиям, находясь в нужном месте Галактики, т. е. не слишком близко к ее центру со множеством звезд и интенсивным излучением, которое испускает вещество, падающее в сверхмассивную черную дыру. Земля сформировалась в нужное время, чтобы на ней оказались строительные блоки для жизни. Мы находимся в середине орбитальной зоны жизни Солнечной системы, на нашей планете есть вода не только в жидком, но и в газообразном и твердом состоянии (что очень важно для климата; подробнее об этом ниже). В дополнение к благоприятным астрономическим условиям на Земле происходит тектоника плит, стабилизирующая климат. У Земли есть большой спутник, а значит, и приливные зоны, организмы в них должны были выживать и под водой, и на суше, что способствовало выходу жизни на сушу. Также у Земли «правильный» угол наклона оси вращения, что приводит к смене времен года, а это, в свою очередь, увеличивает биологическое разнообразие. В истории Земли происходили массовые вымирания видов, вызванные астероидными бомбардировками планеты и вулканической активностью. Например, Массовое пермское вымирание около 250 млн лет назад, вероятно, было вызвано извержениями вулканов на территории Сибири, когда огромные потоки лавы высвободили токсичные газы и выжгли множество угольных пластов, что способствовало глобальному потеплению. Образование суперконтинента также приводило к изменению береговой линии и связанных с ней морских экосистем. Каждое массовое вымирание вызывало экологическую перезагрузку, способствуя большему биологическому разнообразию и эволюции.

К сожалению, нам известна только одна такая планета – Земля. У нас слишком мало данных, чтобы определить, является ли сочетание всех этих условий абсолютно необходимым для развития жизнепригодности. Достаточно ли некоторых из этих условий или необходимы они все? У нас только одна планета для сбора данных, поскольку мы не знаем другой планеты земной группы с тектоникой плит, водой в жидком состоянии и большим естественным спутником. Со временем мы узнаем больше, потому что астрономы уже открыли ряд планет земного типа, обращающихся вокруг других звезд. Раньше или позже мы увидим, есть ли на них условия, необходимые для жизни, правда, для того, чтобы увидеть детали, например океаны и тектонику плит, потребуются телескопы с более высоким разрешением и четкостью.