Мы также не знаем, зависят ли друг от друга некоторые уникальные условия: если они независимы, это делает их одновременное наличие маловероятным, если же они связаны, одновременность вполне объяснима. Например, наличие воды в жидком виде и тектоники плит (и таких связанных с ними процессов, как вулканизм и суперконтинентальные циклы) сильно зависят друг от друга, и потому их одновременное существование не может быть просто совпадением. Возможно, на любой планете земного типа, где есть вода в жидком состоянии, есть и тектоника плит – мы этого пока просто не знаем. Точно так же гипотеза уникальной Земли предполагает, что эти условия необходимы для развития живой природы, какой мы ее знаем; в каком‑то смысле это лишь «рецепт» для возникновения таких же форм сложной жизни, как на Земле, но не общая теория возникновения сложной жизни вообще. Пока это единственный рецепт, который нам известен. Но мы могли бы узнать рецепты и других форм жизни. Живя на нашей «провинциальной» планете, мы еще слишком мало знаем даже о Солнечной системе и не можем представить себе другие формы жизни.

Независимо от того, существуют ли другие параметры жизнепригодности, мы точно знаем кое‑что о жизнепригодности нашей планеты. А поскольку Земля еще долго будет нашим домом, полезно эти вещи изучить и понять. Когда мы говорим о пригодности для жизни, то на самом деле имеем в виду стабильный климат, который обеспечивает наличие воды в жидком состоянии и устойчивое воспроизводство строительного материала для жизни (питательных веществ), – климат, который не пытается уничтожить нас каждые несколько миллионов лет или около того.

Самый важный ингредиент нашего климата – солнечный свет. В любой момент времени наша планета получает около 170 квадрлн (1,7 × 1017) Вт энергии от Солнца. Если измерять в лампочках яркостью 100 Вт, то Солнце заменяет почти 2 квадрлн лампочек, освещающих одну сторону нашей планеты в любой момент времени, или 13 таких лампочек на каждый квадратный метр поверхности планеты (обычно большинство квартир площадью 25 м² освещается двумя такими лампочками). Бóльшая часть этого излучения приходит в качестве видимого света, значительное количество солнечного света приходит в виде ультрафиолетового излучения (чтобы защититься от ультрафиолета, мы носим солнцезащитные очки и наносим на кожу защитный крем, хотя основной ультрафиолет поглощается озоном в стратосфере). Наконец, некоторая часть солнечного света представляет собой инфракрасное излучение, т. е. практически красный свет.

Одни части поверхности Земли поглощают солнечный свет, другие отражают его обратно в космос. Океаны темные и поглощают много света. Континенты светлее и отражают часть света обратно. Лед, например тот, что покрывает большую часть Гренландии и Антарктиды, отражает почти весь падающий на него свет. В целом поверхность Земли поглощает около 70 % солнечного света (отраженные 30 % обеспечивают «пепельный свет Луны») и поэтому нагревается и излучает энергию обратно в виде тепла или, что то же самое, инфракрасного излучения. Если бы у Земли не было атмосферы, поверхность планеты прогревалась бы в среднем лишь до −20 °С, что намного ниже точки замерзания воды (хотя некоторые части земного шара были бы теплее, а другие холоднее). Однако два важных газа земной атмосферы – водяной пар и углекислый газ – поглощают инфракрасное переизлучение (это означает, что инфракрасные фотоны поглощаются возбуждениями колебаний в этих молекулах) и таким образом удерживают тепло, действуя как покрывало. Хотя ни один из этих газов не является главным компонентом нашей атмосферы (где лидируют азот и кислород), именно они обеспечивают мощный парниковый эффект, укрывая Землю «покрывалом», благодаря которому средняя температура на планете составляет примерно 15 °С.

Земной климат очень чувствителен к тому, сколько солнечного света поглощает и отражает наша планета, а также к тому, сколько парниковых газов содержится в атмосфере. От перепадов этих двух факторов в высокой степени зависят стабильность климата и пригодность нашей планеты для жизни. Излучение Солнца устойчиво возрастает с тех пор, как в нем начались термоядерные реакции. В далеком прошлом солнечный свет был примерно на 30 % слабее, чем сейчас. Но количество солнечного света, которое поглощает Земля, также меняется, потому что ледяные шапки планеты увеличиваются и уменьшаются (что изменяет количество отраженного света), ось вращения Земли, которая проходит через Северный и Южный полюсы, колеблется и прецессирует (об этом явлении мы еще поговорим), орбита Земли тоже меняет наклон, наконец, у самого Солнца есть циклы активности, например 11‑летний цикл Швабе.

Изменения количества парниковых газов также очень важны. Водяной пар является наиболее важным парниковым газом с точки зрения его непрозрачности для теплового излучения. Однако количество воды в атмосфере всегда примерно одинаково, так как атмосфера находится в контакте с океанами, всегда насыщена парами воды и не может впитать ее больше. Если атмосфера слишком сухая, она в конечном итоге впитает испарения. Если она слишком влажная, избыток влаги выпадет в виде дождя. По этой причине воздух всегда стремится быть насыщенным, но не слишком влажным и не слишком сухим. Поэтому, если мы вдруг выбросим в атмосферу больше водяного пара, скажем, в результате извержения вулкана, бóльшая часть этого пара выпадет в виде дождя и, с учетом быстрой циркуляции атмосферы, дождь пойдет задолго до того, как пар приведет к повышению температуры, вызванному парниковым эффектом. Насыщение атмосферы водой имеет большое значение для гидрологического цикла испарений и осадков, которые, как мы увидим, определяют работу общего тектонического термостата планеты. Совсем не так обстояло дело с атмосферой Венеры. Возможно, она была такой горячей, что в ней всегда недоставало влаги, венерианская атмосфера могла содержать больше водяного пара, не проливая его в виде дождя. Водяной пар, вошедший в состав атмосферы Венеры (либо при вулканической дегазации, либо от испарения океана, если на Венере когда‑то был океан), делал атмосферу более горячей, что заставляло ее испарять еще больше воды, что сделало бы ее еще горячее… И так далее. Это называется необратимым парниковым эффектом.

Метан также является очень мощным парниковым газом, но в настоящее время присутствует в атмосфере в малых количествах (хотя его доля неуклонно растет). Когда жизнь только появилась, а Солнце было тусклее, метана, возможно, было намного больше. Сейчас срок жизни метана в атмосфере не достигает 10 лет, так как он эффективно реагирует с атмосферным кислородом (а конкретнее, с кислородосодержащими радикалами в стратосфере) и образует более слабые парниковые газы, углекислый газ и воду.

Углекислый газ – более мощный парниковый газ, чем водяной пар, но более слабый, чем метан, однако у него уникальная история распределения в различных частях Земли. В свое время в атмосфере содержалось много углекислого газа, сейчас он в основном содержится в коре и в меньшей степени – в океанах и биосфере (ниже мы поговорим об этом подробнее). Но когда в атмосферу высвобождается даже небольшая часть этого огромного скрытого резервуара углекислого газа, требуется очень много времени, чтобы вытеснить его оттуда. Углекислый газ не выпадает в виде дождя, как вода, и не исчезает быстро в результате реакций, как метан. Самый быстрый и самый эффективный способ избавления от углекислого газа – растворение в океане, но даже это происходит очень медленно (мы обсудим это чуть позже). Поэтому углекислый газ задерживается и накапливается в атмосфере в течение многих столетий или даже больше, оказывая огромное влияние на климат.

Несколько важных естественных механизмов обратной связи на Земле усиливают или сдерживают колебания климата, и некоторые из них связаны с углекислым газом. Если петля обратной связи положительная, она усиливает колебания климата, если отрицательная, она стабилизирует климат. Например, тектоника плит обеспечивает важную отрицательную обратную связь, которая сохраняет климат ровным в течение сотен миллионов лет. Кроме того, тектоника плит действует независимо от погодных условий, времени года или климата, сохраняя свою отрицательную обратную связь независимо от того, что происходит на поверхности. Геофизики вроде меня любят раздражать коллег, занимающихся изучением климата, утверждая, что наиболее важной частью климатологии является тектоника плит. Это могло бы даже быть правдой.

Обратная связь тектоники плит называется тектоническим или геохимическим циклом углерода и имеет несколько переменных составляющих. Во‑первых, тектоника плит доставляет на поверхность Земли новое минеральное вещество из коры и мантии. Это происходит благодаря извержению вулканов в срединно‑океанических хребтах, где литосферные плиты расходятся, а также благодаря вулканизму и горообразованию в зонах субдукции и коллизии, где плиты погружаются одна под другую и опускаются в мантию, в результате чего континенты сминаются, сжимаются и образуют горные массивы. Это же происходит в океанических горячих точках, таких как Гавайи, но там поверхность Земли изменяется намного меньше. Попав на поверхность, минеральное вещество вступает в химическую реакцию и с водой, и с углекислым газом – в дождевой воде, в реках, озерах и океанах. Углекислый газ растворяется в воде (особенно хорошо в дождевых каплях из‑за большой площади их поверхности), образуя слабую кислоту – угольную, ту же, что содержится в газированных напитках. Она вступает в реакцию с силикатными породами, образуя карбонаты, например известняк и мрамор. Таким образом, с помощью воды углекислый газ выводится из атмосферы, входит в структуру минералов и остается в составе горных пород. Если бы эти реагирующие вещества были оставлены в состоянии покоя, они образовали бы тонкий слой карбонатов, который не позволил бы расположенным более глубоко породам вступать в реакции, и в конце концов процесс впитывания углекислого газа прекратился бы. Однако дождь, снег, реки и ледники смывают вступившие в реакцию вещества в море. Эрозия помогает открыть доступ к новым минералам, доставленным на поверхность благодаря тектонике плит, и они продолжают вступать в реакции с углекислым газом, уменьшая его содержание в атмосфере.

Эрозия сама по себе сделала бы океаническое дно Земли плоским (вернее, сферическим, как бильярдный шар), что защитило бы его от дальнейшей эрозии и замедлило или прекратило дальнейшее выведение углекислого газа (в зависимости от глубины дна, но лучше обойти эту чрезвычайно сложную тему). Однако тектоника плит не только выносит на поверхность свежие породы, но и непрерывно создает вулканы и горы, что позволяет циклу эрозии продолжаться. Разрушенные минералы смываются в реки, озера и в конце концов в океаны и там насыщаются углекислотой, так как воды Земли содержат много растворенного углекислого газа. Карбонизации океана способствует строительство известковых раковин кораллами и планктоном, например фораминиферами и кокколитофоридами, и эта реакция, несомненно, будет продолжаться. Из‑за нее бóльшая часть изначальной, в 60 раз более массивной земной атмосферы, состоявшей из углекислого газа, содержится теперь в карбонатах на дне океанов (и на дне древних океанов, образовавшем горы и континенты благодаря тектонике плит). Без этого геологического уменьшения концентрации углекислого газа наша атмосфера была бы похожа на венерианскую.

Однако углекислый газ не может храниться в породах бесконечно. В частности, в зонах субдукции карбонаты океанского дна погружаются в мантию. Часть углекислого газа из этих пород испаряется при высоких температурах и растворяется в расплаве мантии над погружающимся краем литосферной плиты (плавление происходит из‑за воды, которая также испаряется из слэба, как это описано в главе 4), а потом возвращается в атмосферу с вулканическим газом. Некоторые карбонаты выживают на стадии выпаривания и, возможно, погружаются в глубокую мантию. Считается, что мантия способна сохранять большое количество углерода, пусть и не в высоких концентрациях. С учетом ее огромного объема полное количество углерода в мантии, вероятно, значительно больше, чем в земной коре и океанах, хотя это еще остается предметом дискуссий. То, что в мантии Земли много углерода, доказывает его устойчивая форма, скрытая на глубине нескольких сотен километров, – алмазы. Время от времени они быстро поднимаются к поверхности и остаются в застывших магматических породах – магме, которая «застревает» в земной коре. Самые известные такие породы называются кимберлитами – в честь города Кимберли в Южной Африке, где их впервые нашли. Но алмазы явно не способствуют увеличению в атмосфере двуокиси углерода, а вот при извержениях вулканов в срединно‑океанических хребтах (и в меньшей степени в горячих точках, вроде Гавайских островов) из мантии просачивается углекислый газ. Так происходит медленное и постоянное проникновение углекислого газа в атмосферу Земли из ее недр. Не весь он затем уходит обратно в результате эрозии и выветривания, и этой медленной подачи углекислого газа в атмосферу достаточно для поддержания парникового эффекта на нашей планете.

Этот геохимический цикл углерода – выведение углекислого газа из атмосферы в результате выветривания и эрозии свежих минералов и возвращение его обратно благодаря вулканизму – предположительно, оказывает значительную отрицательную обратную связь, которая очень важна для этой истории. (Гипотеза о существовании отрицательной обратной связи до сих пор вызывает активные споры. Ее иногда называют моделью Walker World в честь Джеймса Уокера и его коллег. Эта модель похожа на более продвинутую BLAG‑ модель Роберта Бернера.) Выветривание и эрозия минералов зависят от температуры поверхности во многих отношениях. Во‑первых, при высоких температурах испаряется больше воды и, как следствие, выпадает больше осадков в виде дождя или снега, которые, в свою очередь, управляют процессом эрозии. Выпадению осадков также способствует наличие гор, так как ветер несет влажный воздух вдоль их склонов на большую высоту, где конденсируется водяной пар. Во‑вторых, при высоких температурах быстрее происходят карбонизация и выветривание. Когда избыток углекислого газа выбрасывается в атмосферу в результате извержения вулкана, лесного пожара или неконтролируемого сжигания ископаемого топлива (хм, что бы это могло быть?), потепление и парниковый эффект усиливают осадки и эрозию и ускоряют процесс выветривания минералов, выводя углекислый газ из атмосферы. (Это занимает миллионы лет и потому не спасет человечество, если мы не сумеем намного ускорить этот процесс и продолжим наше безрассудное потребление.) Если же уровень углекислого газа резко упадет, как это, возможно, произошло в далеком прошлом, тогда отсутствие парникового эффекта приведет к тому, что температуры снизятся и это ограничит процесс испарения, выпадения осадков, эрозию и выветривание, а затем остановит и выведение углекислого газа. Его уровень не будет снижаться, а вулканизм будет медленно выпускать углекислый газ в атмосферу. Таким образом, тектоника плит не позволяет ни уровню содержания углекислого газа, ни температуре стать слишком высокими или слишком низкими. Тектонический цикл сохраняет климат относительно стабильным в течение сотен миллионов лет. Слово «стабильный» здесь означает, что тектонический цикл препятствует скачкам температуры в десятки градусов Цельсия, однако он не защищает Землю от наступления ледникового периода или установления жаркого климата и исчезновения льдов.