История Земли. От звездной пыли – к живой планете. Первые 4 500 000 000 лет
Шрифт:
Из-за внутреннего жара Земля какое-то время оставалась черной планетой, глазированной тонкой базальтовой коркой. Но детство планеты не могло длиться долго. Новый ярко-голубой слой вот-вот должен был окутать земной шар в результате вулканической активности.
Глава 4
Голубая Земля
Образование океанов
Возраст Земли: от 100 до 200 млн лет
Раннее детство Земли, первые полмиллиарда лет или около того, окутаны мраком тайны. Горные породы и минералы предоставляют нам осязаемые данные о большей части исторического
Впрочем, это тоже полезно. Ведь ничто не приносит такое разнообразие и оживление в работу лаборатории, как осознание того, что «мы знаем, что мы ничего не знаем», и вероятность того, что в любой день мы можем обнаружить какой-нибудь мелкий факт, который приблизит нас к истине. Еще более соблазнительной представляется возможность обнаружить в природе вещей нечто такое, о чем «мы не знали, что мы не знали», т. е. сделать такие открытия, которые расширят пределы таинственного [7] . Именно способность ставить вопросы по-новому торит дорогу к прорывным открытиям: например, вместо того, чтобы просто спросить «Каковы химические и физические свойства минералов?», можно задаться вопросом «Как эволюционировали минералы?».
7
Эти цитаты часто приписываются докладам Дональда Рамсфельда (2002 г.), однако впервые они появились в 1997 г., в предисловии Максин Сингер к моей книге «Почему черные дыры не черные?» (Why Aren’t Black Holes Black?). – Прим. авт.
Очень важно составить список того, что мы не знаем. Все данные свидетельствуют о том, что Луна образовалась в результате сильнейшего столкновения, однако мы не можем с уверенностью сказать, ни когда именно это столкновение произошло, ни какова была заключительная траектория Тейи. Учитывая колоссальную мощь этого удара, можно представить, что на магматический океан Земли обрушился проливной дождь раскаленных силикатов, но у нас столь мало данных о длительности и интенсивности остывания перегретой планеты, что это может на десятилетия остаться предметом научной полемики. Столь же неточными представляются данные о первичном расстоянии и скорости удаления Луны, хотя они являются решающими для понимания ее эволюции. Точно так же мало известно, когда впервые образовались океаны и как они выглядели. Как бы то ни было, они образовались, и наш последующий рассказ, основанный на всех новейших данных, имеет полное право на существование.
Черная Земля не могла долго оставаться черной. По всей планете вулканы ежедневно миллиардами тонн выбрасывали в густеющую атмосферу азот, углекислый газ, ядовитые сернистые соединения и водяной пар. Эти летучие вещества и соединения – те же молекулы, которые образовали различные виды льдов в первичном газово-пылевом облаке, те же атомы, которые мы вдыхаем и которые входят в состав сложнейших тканей нашего организма, – выполняли множество функций в процессе быстрой эволюции Земли. Горячая вода, смешиваясь с горными породами магмы, снижала их температуру плавления, превращая их в чрезвычайно перегретый суп, устремлявшийся к поверхности. Вблизи поверхности газы, растворенные в этом магматическом супе, превращались из жидкости в бурно расширяющийся газ, вызывая массированные извержения вулканов, нечто вроде газированной воды, вырывающейся из-под крышки бутылки после хорошего взбалтывания. В насыщенных водой флюидах (жидких и газообразных легкоподвижных компонентах магмы) растворялись также и концентрировались редкие элементы: бериллий, цирконий, серебро, хлор, бор, уран, литий, золото и многие другие – все это впоследствии превратится в разнообразные рудные тела в становящейся более сложной земной коре. В хаосе земной поверхности бурлящие потоки и сокрушительные волны выполняли главную роль в эрозии горных пород, образовании первых песчаных отмелей и накоплении прибрежных осадочных отложений. Коротко говоря, вода явилась главным архитектором твердой поверхности Земли.
Внимание к океанам и атмосфере носит несколько
Пять основных игроков – азот, углерод, сера, водород и кислород – исполняют ведущие роли среди подвижных газовых составляющих Земли. Все эти ингредиенты в изобилии производятся крупными звездами, широко распространяются при взрыве сверхновых звезд, и все они сконцентрировались в самых примитивных, богатых углеродом хондритах более 4,5 млрд лет назад.
В целом средний химический состав метеоритов хондритов совпадает с таковым составом Земли. Элементы большой шестерки (кислород, кремний, алюминий, магний, кальций и железо), описанной в главе 3, встречаются в похожей пропорции, так же как и разнообразные, менее распространенные элементы. Но даже самое беглое знакомство с этими удивительными обломками древности показывает, что в наше время на планете отсутствует большая часть летучих веществ, которые были раньше. Самые примитивные хондриты содержат более 3 % углерода, но все известные источники углерода на Земле содержат не более 0,1 %. Похожим образом и содержание воды в хондритах превышает среднее содержание воды в породах современной Земли примерно в 100 раз и больше. Такие существенные различия в составе указывают на бурное и беспорядочное прошлое. Большинство неустойчивых веществ либо улетучилось с Земли в космос, либо погребено так глубоко, что до них не добраться.
Ключ к пониманию превращения Земли из враждебной негостеприимной черной планеты в прохладный, обитаемый голубой мир следует искать в истории ее непоседливых летучих соединений. Но со времен первого полумиллиарда лет планеты в первозданном виде не сохранилось ни одного из летучих соединений. Почти весь азот и углерод, сера и вода претерпели бесчисленное количество изменений, хотя те же самые атомы использовались вновь и вновь. Хондриты метеоритов дают нам основу для предположений; несколько образцов минералов и горных пород времен первого миллиарда лет земной истории вкупе с данными, полученными с Луны и других объектов Солнечной системы, позволяют уточнить наши рассуждения. Так же как при изучении эволюции мантии и коры в первые 100 млн лет и процесса формирования звезд задолго до этого, ключ к сколько-нибудь достоверному сценарию следует искать в знании неизменных характеристик исследуемых элементов, в нашем случае в физических и химических свойствах летучих – азота, углерода, серы и воды.
Из этих четырех веществ легче всего разобраться с азотом. Это химически инертный газ, который образует малое число минералов, почти не участвует в образовании горных пород и в основном сосредоточен в атмосфере. Только с появлением жизни на Земле увеличилось значение азотного цикла в формировании верхних слоев планеты. Углерод и сера также выдвинулись на заметные роли примерно 1–2 млрд лет назад, когда жизнь и насыщенная кислородом атмосфера преобразовали земные реалии. Но четвертый компонент, вода, с самого начала стал определяющим для истории Земли.
Вода: краткая биография
Многообразные геологические функции воды вытекают из химических свойств окиси водорода. Не забудем, что водород – это элемент номер один, а кислород – элемент номер восемь; ни один из них не содержит магического числа двух или десяти электронов. Каждый принимающий электроны атом кислорода нуждается в двух дополнительных электронах, чтобы достичь магического числа десять, а каждому атому водорода с единственным электроном нужен еще один электрон. В результате образуется молекула с пропорцией водорода к кислороду два к одному: H2O. В этом соединении атомы принимают компактную V-образную форму: к центральному, более крупному атому кислорода с двух сторон присоединяются два атома водорода, нечто похожее на уши Микки-Мауса. Позаимствовав два электрона у двух атомов водорода, атом кислорода получает слабый отрицательный электрический заряд, а каждый из двух атомов водорода соответственно приобретает слабый положительный заряд. В результате возникает полярная молекула, в которой друг другу противостоят положительно и отрицательно заряженные частицы (примерно как уши и подбородок у Микки-Мауса).