Планета Земля. Познакомьтесь с миром, который мы называем домом
This is Planet Earth
Your Ultimate Guide to the World We Call Home
First published in the English language by Hodder & Stoughton Limited.
© New Scientist, 2018
© Оформление, ООО «Издательство АСТ», 2021
Над книгой работали
Джереми Вебб – редактор-консультант, редактор New Scientist.
Элисон Джордж – редактор-эксперт серии, редактор книжной серии New Scientist.
Дэвид Кромвель – в прошлом научный сотрудник Национального Океанографического центра (Саутгемптон, Великобритания), в настоящее время – соредактор аналитического отдела СМИ на сайте medialens.org. В главе 7 рассказывает о циркуляции воды в океанах.
Джон Гриббин – приглашенный научный сотрудник на кафедре астрономии в Сассекском университете (Великобритания). Автор многочисленных книг, в том числе «Планета Земля: путеводитель для начинающих» (Planet Earth: A Beginner’s Guide, 2012). В главе 6 рассказывает о структуре атмосферы.
Сьюзан Хью – старший сейсмолог в Южно-Калифорнийском центре изучения землетрясений, член Американского геофизического союза. В главе 4 рассказывает о землетрясениях и о том, как мы можем их предсказать.
Джефф Мастерс – в главе 6 рассказывает об экстремальных погодных явлениях. Один из основателей информационной онлайн-службы погоды, директор метеорологического отдела.
Дэвид Риммер – бывший старший преподаватель почвоведения в Университете Ньюкасла (Великобритания). В главе 3 рассказывает о вопросах почвоведения.
Тоби Тиррелл – профессор Саутгемптонского университета (Великобритания), занимается вопросами земной экосистемы, автор книги «О Гее: критическое исследование взаимосвязей жизни и Земли» (On Gaia: A Critical Investigation of the Relationship between Life and Earth, 2013). В главе 8 рассказывает о слабых местах гипотезы Геи.
Питер Уорд – профессор биологии в Вашингтонском университете (Сиэтл, США). Автор книги «Гипотеза Медеи: действительно ли Жизнь на Земле разрушает сама себя?» (The Medea Hypothesis: Is Life on Earth Ultimately Self-Destructive?, 2015). В главе 8 рассматривает гипотезу Геи.
Также благодарим следующих авторов:
Анил Анантхасвами, Колин Баррас, Стивен Баттерсби, Кэтрин Брахик, Сью Боулер, Стюарт Кларк, Энди Коглан, Филип Коэн, Даниэль Коссинс, Ричард Файфилд, Линда Геддес, Шеннон Холл, Джефф Хехт, Боб Холмс, Джошуа Хоуджгоу, Феррис Джабр, Виктория Джаггард, Грэм Лоутон, Майкл Ле Пейдж, Рик Ловетт, Майлс Маклеод, Майкл Маршалл, Катя Москович, Рейчел Новак, Шон О'Нил, Стивен Орнес, Джени Осман, Фред Пирс, Кейт Равилиус, Кристина Рид, Юджини Самуэл Райх, Дэвид Шига, Колин Стюарт, Ричард Вебб, Сэм Вонг и Маркус Ву.
Введение
Земля – удивительное место. Выглянув из окна, сразу этого не заметишь: вроде бы ничего особенного, все выглядит как всегда. Но стоит только присмотреться внимательнее – как это делают ученые, – и вы обнаружите поразительные вещи, в которые трудно поверить. Когда-то наша планета представляла собой расплавленный, раскаленный докрасна скалистый шар; случалось и так, что она была похожа на гигантский космический снежок. Было время, когда в арктических широтах царили тропические температуры, а пересохшее Средиземное море ожидало, пока его берега заполнятся струями великого потопа.
Недоступные нашему взору чудеса охраняют нас каждый день. Один незримый щит укрывает нашу планету от опасных ультрафиолетовых лучей, а другой – защищает ее от потоков солнечных частиц с губительно большими энергиями. Благоприятный климат Земли зависит одновременно от многих факторов: состава почв, дыхания океана, отражательной способности облаков, формирования и эрозии скальных массивов, а также вулканических выбросов, извергающих газы, которые и охлаждают, и нагревают планету.
И вершина земного творчества – жизнь. Не стоит думать, что вы как представитель живой материи – заурядное явление. В космическом масштабе все не так просто. Вы родились на единственной планете во Вселенной, про которую мы точно можем сказать, что на ней существует жизнь; наверняка это единственное место, где организмы читают книги.
Есть еще одна вещь, которую нужно постоянно держать в памяти: жизнь не просто обитает на Земле; она – часть Земли. Роль почвы в формировании нашего климата велика, при этом большое влияние на нее оказывают микробы. Облака отражают большую часть солнечного света обратно в космос, а микробы, обитающие в верхних слоях атмосферы, «отбеливают» эти облака. Даже некоторые скалы внешней коры планеты состоят из останков тел давно умерших существ.
Земля – не просто гигантский булыжник, летящий в космическом пространстве. Это механизм, в котором все взаимосвязано и взаимодействует друг с другом: живые организмы, геологические процессы, водные резервуары, ледяные поля с айсбергамии атмосфера. Эта книга – подспорье для тех, кто хочет лучше разобраться во всех этих взаимосвязях и их взаимном влиянии друг на друга.
В первых двух главах рассказывается об образовании Земли в ее исторической перспективе – от самой начальной стадии, когда Земля существовала в виде газового облака-вихря, вращающегося вокруг молодого Солнца, до цунами, отрезавшего Британию от главного европейского материка. В главе 3 рассматривается структура Земли. Мы отправимся в рискованное путешествие: наш путь будет пролегать от поверхности, покрытой благодатным слоем плодородной почвы, прямо в глубь Земли, к ее твердому железному сердцу. Главы 4 и 5 познакомят нас с идеей тектоники плит: мы поймем, почему происходят землетрясения, увидим, что Земля – замечательный термостат, и представим картину будущих блужданий континентов на нашей планете.
В главах 6, 7 и 8 мы изучим разные сферические оболочки планеты начиная с атмосферы. Больше всего внимания уделяется самому нижнему, пригодному для дыхания слою. Это приют для жизни и одновременно лаборатория, в которой проводит свои эксперименты погода. Мы также поднимемся вверх и пройдем весь путь до границы с космосом; познакомимся с гидросферой, нырнем в глубину океанов и исследуем гигантские насосы, приводящие в действие глобальные течения. В биосфере мы поищем разгадку возникновения жизни и попробуем раскрыть секрет того, как жизнь с момента своего возникновения влияет на нашу планету.
В заключение мы остановимся на том, какое влияние оказывает человек на все системы Земли. В главе 9 расскажем об антропоцене – геологической эпохе, в которой уровень человеческой активности начинает существенным образом влиять на весь земной шар. Глава 10 посвящена величайшей опасности современности, угрожающей самому существованию жизни, – изменению климата. Мы подведем итог нашим знаниям в этой области, расскажем о том, какие проблемы еще не решены, и зададимся вопросом: можем ли мы исправить положение?
Мы надеемся, что эта книга изменит ваше представление о Земле и вы никогда больше не будете относиться к ней как к обычному, заурядному явлению. Не исключено, что вы будете потрясены, познакомившись с нашей планетой поближе.
Джереми Вебб, редактор
Глава 1. Годы становления
Земля и Луна родились из хаоса. Неистовый жар и неукротимое буйство, царившие в Солнечной системе на заре ее возникновения, навсегда скрыли от нас тайну зарождения Земли и летопись ее юных лет. Что мы можем и можем ли вообще что-то узнать о той поре, когда наша планета только начинала формироваться, чтобы превратиться в пристанище и место для эволюции живых организмов?
Уникальное место во Вселенной
Иногда случается, что ничем не примечательное событие приводит к неожиданному результату. Именно так и произошло 4,6 миллиарда лет назад в небольшом рукаве неприметной спиральной галактики.
Обширное облако газа и пыли начало сжиматься в плотный шар. Силы гравитации притягивали к нему все больше и больше вещества, температура и давление в его центре нарастали и наконец выросли настолько, что произошел термоядерный взрыв. От обилия освободившейся энергии в космосе загорелась еще одна звезда.
Как именно начался этот процесс, мы не знаем, но раньше это случалось бесчисленное множество раз, да и образовавшаяся звезда ничего особенного собою не представляла.
Звезда пришла во вращение, притягивая на свою орбиту небольшие соседние тела, которые начали слипаться в комки. Молекулы газа и частицы пыли объединялись, образуя камни и целые глыбы; некоторые из них сталкивались друг с другом, формируя громадные булыжники, которые затем превращались в планетезимали. Гравитация этих объектов возрастала, они привлекали к себе все больше вещества, создавая раскаленные, расплавленные тела – прототипы тех планет, которые мы знаем сегодня.
Образовалось восемь планет, а на третьей из них, считая от Солнца, произошло нечто поистине замечательное. Возникшие на ней условия позволили жизни зародиться и расцвести во всей красе. Процесс увенчался появлением разумной жизни в форме существ, способных задавать вопросы: как образовалась наша планета и как она смогла взрастить жизнь? Эти существа назвали свое ближайшее космическое окружение Солнечной системой, дали звезде имя Солнце, а свою планету нарекли Землей.
Таинственное начало
Такова картина крупными мазками. Временем «нуль» для Солнечной системы считается момент, произошедший 4,567 миллиарда лет назад, а уже 4,55 миллиарда лет назад было сформировано почти 65 % планеты Земля.
Ранний этап образования Солнечной системы ознаменовался бурной и кипучей деятельностью. В течение первых нескольких сотен миллионов лет нередкими были столкновения между населяющими Солнечную систему телами – Земля подвергалась жесткому обстрелу со всех сторон. Примерно 4,53 миллиарда лет назад, когда в основном «картина» была уже написана и краска высыхала на холсте под названием «Малютка Земля», разразилась катастрофа. Земля получила скользящий предательский удар в бок: в нее врезалась другая планета размером с Марс. От удара в космос брызнули осколки, из них со временем образовалась наша спутница – Луна. Энергия столкновения расплавила верхние слои земной коры и полностью изменила геологию планеты. Испарившийся газообразный кремний, не вошедший в состав Луны, сконденсировался и выпал на Землю в виде осадков – лавового дождя. На нашей планете образовалось море из жидких камней, и Земля расплавилась до самого ядра. Формирование твердой поверхности началось заново.
Такова одна из гипотез образования Луны. Как вы увидите позже, она не единственная. Несомненно одно: бурный период в жизни нашей Земли продолжался довольно долго. Закончился он так называемой последней метеоритной бомбардировкой, которая произошла примерно 4,1–3,8 миллиарда лет тому назад. О степени интенсивности и продолжительности этого эпизода в истории Земли ученые ведут дебаты до сих пор.
Неописуемое неистовство происходящих в ту пору событий – одна из причин зияющего пробела в наших знаниях о том, какой Земля могла быть в течение первых 500 миллионов лет. Эта геологическая эпоха называется гадейским эоном по имени Гадеса, или Аида, – бога подземного царства в древней Греции. Слишком мало достоверных сведений, чтобы ученые могли составить четкую картину возможных происшествий в ту пору; некоторые отрывочные сведения можно собрать из физических и химических свойств окружающего нас мира, результатов научных экспериментов, наблюдений других астрономических объектов и компьютерного моделирования.
Наука не стоит на месте. Прямо в этот момент осуществляются исследования, которые позволят ответить на многие из этих вопросов; все время добываются новые данные, проводятся наблюдения и строятся различные модели. Наши знания проверяются и перепроверяются с учетом новых результатов. Часто ученым приходится менять свои, уже устоявшиеся взгляды.
Один из вопросов, на которые до сих пор нет ответа: как получилось, что Земля приобрела так много воды? Ведь она довольно близко к Солнцу и на ней было слишком жарко, чтобы вода могла просто сконденсироваться в газовом облаке в период образования планеты. В любом случае вода должна была испариться при чудовищном столкновении с иным телом, которое привело к образованию Луны. Возможно, вода появилась на Земле позже – например, была занесена во время последней метеоритной бомбардировки ледяными кометами и астероидами из внешних зон Солнечной системы.
Следующий вопрос: когда именно Земля обзавелась корой? Сегодняшняя кора почти полностью состоит из каменных пород, возраст которых не превышает 3,8 миллиарда лет. Это значит, что следов инфернального гадейского периода на поверхности почти не осталось. Большинство древних утесов сильно изменилось под влиянием температуры и давления. Кое-какую важную информацию можно извлечь из крошечных живучих кристаллов – цирконов, сохранившихся до наших дней со времен глубокой древности. В совокупности с постоянно совершенствующимися методами микроанализа они могут помочь ученым добыть знания, которые способны совершить переворот в представлениях об истории ранней Земли.
Есть и еще один способ получить знания о гадейском периоде. Геолого-разведочные работы на Луне и Марсе могли бы прояснить, какой была Земля до великого столкновения. В отличие от Земли на поверхности этих небесных тел можно найти истинно древние породы, потому что они не подвергались повторному плавлению, как это было на нашей планете. Мы можем даже вытянуть счастливый лотерейный билет по геологии – найти кусок от гадейской Земли, отколотый от материнской планеты при ударе астероида и выкинутый в открытое пространство, который впоследствии мог найти себе пристанище на Луне или на Марсе.
Таковы основные сведения о той поре, когда Земля была совсем молодой. Запомним их. А теперь вникнем в суть тех проблем, которые не дают спать по ночам людям, посвятившим себя науке о Земле, а также астрофизикам и специалистам в области палеобиологии.
Наша загадочная Луна
Объяснить происхождение Луны очень трудно. Это поистине большая проблема. Ни одна другая планета в Солнечной системе не может похвастаться спутником, который был бы настолько велик в сравнении с ней, как Луна в сравнении с Землей: размер Луны превышает четверть диаметра Земли. Есть гипотеза, что другие планеты могли захватить свои небольшие спутники, когда они случайно пролетали мимо. Но в случае с Луной этого не могло произойти: она представляет собой слишком большое небесное тело. В 1879 году астроном Джордж Дарвин, сын Чарльза Дарвина, выдвинул другую гипотезу. Он предположил, что молодая Земля вращалась так быстро, что распалась на куски, один из которых отлетел в космос и превратился в Луну.
Эта идея была довольно популярна какое-то время, но в начале XX века впала в немилость: специалисты по планетарной динамике провели расчеты и обнаружили, что этого не могло произойти. Для раскола планеты нужно, чтобы центробежная сила, направленная наружу, была больше гравитационной силы, направленной внутрь; Земля должна была вращаться неимоверно быстро и совершать один оборот за два часа, чтобы сработал этот сценарий.
На смену идее Дарвина пришла гипотеза гигантского столкновения, согласно которой в Землю по касательной врезалось небесное тело размерами примерно с Марс (см. рис. 1.1). На ранних этапах в Солнечной системе был настоящий вихрь из небесных тел; неудивительно, что в какие-то моменты произошли столь колоссальные повреждения.
Тем не менее гипотеза гигантского столкновения не получила подтверждения в ходе анализа камней, привезенных с Луны астронавтами миссии «Аполлон». Если бы эта гипотеза была верна, некоторые лунные камни должны были бы иметь внеземное происхождение и принадлежать небесному телу, которое столкнулось с Землей; но их состав, включая изотопы кислорода, хрома, калия и кремния, оказался идентичен земным камням. Кроме того, некоторые образцы – предположительно, из лунной коры – содержали воду. При гигантском столкновении должно было выделиться тепло, которое расплавило бы камни, и воды бы не осталось.
Рис. 1.1. Верна ли гипотеза происхождения Луны в результате гигантского столкновения?
Но не все потеряно. Если даже не рассматривать чисто умозрительную идею, что внутри Земли взорвался естественный ядерный реактор и выбросил в космос часть планеты, можно путем моделирования показать, что существуют такие типы столкновения, которые могут выдержать критику в свой адрес.
Матия Кук, сотрудница американского института SETI (от англ. Search for Extraterrestrial Intelligence – «поиск внеземного разума») (Маунтин-Вью, Калифорния), и Сара Стюарт из Калифорнийского университета в Дейвисе (Калифорния) установили, что для образования Луны в результате столкновения не обязательно должен был произойти сильный удар по касательной очень массивного тела. Достаточно было того, что в прошлом Земля вращалась быстрее; тогда тело могло быть в два раза меньше Марса, но, столкнувшись с Землей, ударить ее под более крутым углом и вонзиться довольно глубоко в нашу планету. В результате компьютерного моделирования Кук и Стюарт пришли к выводу, что от такого события могло выделиться достаточно много энергии, чтобы на земную орбиту от взрыва выбросился шлейф, состоящий из чисто земных каменных пород. Тогда изотопный состав Луны и не должен отличаться от земного.
Еще одну версию гигантского столкновения, но в более «легкой» форме, предложила Робин Кэнап – американский астрофизик и планетолог из Юго-Западного исследовательского института (Боулдер, Колорадо). Она рассмотрела случай медленного столкновения двух планет, каждая из которых примерно в два раза меньше Земли. В результате слияния тел образовалась наша планета, а на долю Луны остались «отходы». Таким образом, и Земля, и Луна могли образоваться из одних и тех же ингредиентов.
Ад на Земле?
Хаос, существовавший на ранних этапах в Солнечной системе, был поистине неописуем. Тела разных размеров то и дело сталкивались друг с другом. Не только наша планета испытывала сильные удары. Чтобы понять, насколько сильно небесные тела молотили друг друга, достаточно посмотреть на лунные кратеры. На Земле мы не видим подобного урона, потому что следы от вмятин были сглажены ветрами, дождями и процессами жизнедеятельности в растительном мире.
Анализ камней, доставленных с Луны астронавтами миссии «Аполлон», показал, что наиболее интенсивные удары Земля испытывала во время последней метеоритной бомбардировки. Ученые полагают, что и до, и во время этой бомбардировки Земля была жгучей адской бездной. Слишком высокая температура и отсутствие влаги не предполагали наличия жизни в какой-либо форме. Условия немного улучшились только в тот момент, когда закончилась бомбардировка метеоритами и наступил архейский эон (см. главу 2). И только тогда жизнь на Земле начала постепенно завоевывать себе позиции.
Однако в последние годы гипотеза последней метеоритной бомбардировки начала подвергаться сомнениям с разных сторон. Наиболее радикальные высказывания сводятся к тому, что данные, свидетельствующие о сильной бомбардировке Луны метеоритами, могли быть неверно истолкованы: все зависит от того, как трактовать найденные астронавтами образцы.
Образцы грунта были собраны из разных мест на Луне. Тем не менее исследователи считают, что все эти образцы могут быть следствием одного и того же события – при ударе или ударах метеоритами, в результате чего возник Бассейн Дождей – большое темное пятно на лунной поверхности, которое является частью иллюзорной картинки под названием «Человек на Луне». Все эти фрагменты могут быть следствием одной бомбардировки: камни разлетелись по лунной поверхности и создали впечатление многочисленных соударений, хотя на самом деле таких соударений могло быть гораздо меньше. Если бомбардировка была не слишком интенсивной, на молодой Земле могли существовать не такие уж адские условия.
Свидетельства о том, что в гадейский период на Земле существовали более мягкие условия, чем первоначально считалось, приходят также и из других источников. Возьмем самых крошечных свидетелей – цирконы. Эти прочные кристаллы из силиката циркония, в длину не превышающие миллиметра, относятся к старейшим образованиям на Земле. Они выживут, если их прожарить при температуре 1600 °C, и не раскрошатся, долго пролежав в русле реки с бурным течением. Геологи особенно ценят их за то, что они способны уцелеть в толще осадочных отложений, даже если на них сверху давит не одна тонна, и не подвергнутся никаким метаморфозам или плавлению. Другие вещества на это не способны.
Цирконы можно найти повсюду. Они встречаются почти во всех типах гранитов, которые образуются при переплавлении породы внутри Земли. Потом эти граниты поднимаются на поверхность и охлаждаются. При отвердевании гранита содержащийся в расплавленном материале цирконий захватывает силикаты – соли кремниевых кислот – и кристаллизуется в виде цирконов. Их часто можно найти в осадочных породах, подвергшихся эрозии, в результате чего они освобождаются из исходных гранитов.
В Западной Австралии есть холмы под названием Джек Хиллс. Возраст этих скал около 3,7 миллиарда лет. В этих холмах были найдены цирконы, которые и заставили усомниться в обоснованности первоначального вердикта, вынесенного гадейскому периоду. Возраст этих цирконов, определенный по методу радиоактивного распада урана (см. главу 2), оказался еще больше, чем возраст самих холмов. Для одного циркона, например, получена оценка в 4,4 миллиарда лет. Это значит, что вещества в твердом виде существовали на поверхности Земли уже через 200 миллионов лет после ее рождения.
Более того, ученые нашли внутри цирконов включения посторонних веществ – следы кварца, слюды и полевого шпата. Это означает, что цирконы образовались из расплавленных, преобразованных осадочных отложений, которые могли изначально напоминать жидкую грязь или глину. Проведенный анализ показал, что древние цирконы содержат высокие концентрации изотопа кислород-18. Если сравнивать разные породы, то те из них, что образуются при низкой температуре во влажных условиях, как раз и стремятся поглощать больше кислорода-18.
Этот вывод подтверждается и оценками содержания других элементов в цирконах. Складывается впечатление, что 4,4 миллиарда лет тому назад Земля была вовсе не океаном из магмы, а твердым, прохладным и влажным миром. Моря, озера и океаны должны покоиться на твердой поверхности; скорее всего, земная кора образовалась довольно рано, а если на Земле была жидкая вода, то должна была быть и плотная атмосфера – в противном случае вода испарилась бы с поверхности. Ад на Земле нежданно-негаданно обернулся вполне животворным местом.