Что скрывает атмосфера, или Как возник воздух…
Шрифт:
Впрочем, изоляция Трумэна подходила к концу. К моменту смерти Эдди геологи, собиравшие пробы грунта у подножия горы, обнаружили неопровержимые доказательства старых извержений. В отчете, составленном в 1978 г., говорилось, что «за последние 4500 лет гора была активнее любого другого вулкана на территории Соединенных Штатов». Пророческие слова. В природе прекрасное часто оказывается смертельно опасным, и прекрасная вершина горы вполне могла оказаться пушечным жерлом.
События на горе Сент-Хеленс были самым серьезным уроком по геологии в истории Америки. Кроме того, верьте или не верьте, когда-то давно гора участвовала в создании ранней атмосферы нашей планеты. Мы редко задумываемся о том, что раньше воздуха не было.
Нам кажется, что воздух был всегда. Однако все планеты создают свою атмосферу с нуля. И какими бы
Таким образом, чтобы понять, что такое воздух, нужно понять суть вулканического извержения. И для рассказа нам не найти лучшего примера, чем самое изученное в истории извержение вулкана, и лучшего героя, способствовавшего известности этого извержения.
История горы Сент-Хеленс, хотя она не такая уж старая, все же связана с тем периодом времени, когда Земля еще только формировалась. Примерно 4,5 млрд лет назад в нашем уголке Вселенной взорвалась сверхновая звезда, распространив в космосе ударную волну. Эта ударная волна врезалась в море газообразного водорода и взбаламутила его недра, заставив закрутиться воронкой. Под действием гравитационных сил из 99,9 % этого газа образовалась новая звезда – наше Солнце. Основная часть оставшегося газа была вытолкнута на задворки зарождавшейся Солнечной системы, где из него сформировались гигантские газовые планеты, такие как Юпитер и Сатурн.
Совсем небольшая часть газового облака осталась между Солнцем и газовыми гигантами, и химические элементы из этого облака – кислород, углерод, кремний, железо и другие – стали соединяться друг с другом сначала с образованием микроскопических частиц, потом – камней и астероидов, а затем – твердых тел размером с континенты. Гравитация – эффективный дворник, быстро собравший маленькие фрагменты в большие планеты – по некоторым оценкам, это произошло всего за миллион лет. Когда соединилось достаточное количество частиц, возникли каменистые планеты, в том числе Земля. Таким образом, все, что нас окружает, – пол под ногами, книга в руках и даже наше собственное тело, – каким бы твердым ни казалось, произошло из газа. Каждый из нас – бывший газ.
Кажется странным говорить о твердых телах, таких как планета Земля, как о бывшем газе, но это совершенно оправданно, если разобраться в том, что такое газ и твердое вещество на молекулярном уровне. Молекулы твердого вещества имеют постоянную «прописку» и не могут сильно от нее отклоняться. Вот почему твердые вещества хорошо сохраняют форму. Молекулы жидкостей тоже касаются друг друга, но у них больше энергии и свободы для движения, что объясняет их текучесть и способность принимать форму емкости, в которую их помещают. Молекулы газа не соприкасаются друг с другом; они «асоциальны» и держатся на расстоянии от соседних молекул. А если они сталкиваются, то отскакивают в новых направлениях, как шарики в 3D-бильярде. В среднем при 22 °C молекула воздуха перемещается со скоростью около 1000 км/ч.
Таким образом, на определенном уровне газы, жидкости и твердые вещества сильно различаются, и поначалу ученые классифицировали такие вещества, как вода, лед и пар, как разные субстанции. Сегодня мы знаем, что это не совсем верно. Нагрейте кусок льда, и его молекулы разорвут сковывающие их цепи и начнут двигаться, как в жидкости. Добавьте еще тепла, и молекулы жидкости присоединятся к воздуху, превратившись в пар. Эти три субстанции – одно и то же вещество, только в разных обличьях. И другие соединения тоже могут претерпевать подобные превращения. Мы не привыкли думать, скажем, о железе, кремнии или уране из горных пород как о потенциальных газах, однако любое вещество из периодической таблицы можно превратить в газ, если соответствующим образом нагреть. И обратный процесс тоже имеет место. Охладите газ, и он превратится в жидкость. Охладите еще сильнее – и получите твердое вещество. Сдавливая газ, его тоже можно перевести в менее свободное состояние.
Вещества постоянно переходили из одного состояния в другое на первозданной Земле – бурлящем и расплавленном космическом теле, даже отдаленно не напоминавшем гладкую и уютную планету, на которой мы сегодня живем. Когда космические камни только начали сбиваться в общую массу, гигантские гравитационные силы расплавили большинство из них. Более плотные жидкости (такие как расплавленное железо) оказались внутри, а более легкие остались на поверхности и вновь затвердели при соприкосновении с космическим холодом. Такая Земля походила на яйцо: железный желток, вокруг вязкая мантия и тонкая оболочка камней. Однако внешняя оболочка оказалась расколота на миллионы фрагментов, и
У первозданной Земли тоже была атмосфера (атмосфера номер один), но она была столь ничтожной, что фактически не соответствовала смыслу этого слова. Она в основном состояла из водорода и гелия, заполнявших пространство между Солнцем и Юпитером. И вскоре после образования эту атмосферу смахнул солнечный ветер – исходящий из недр Солнца поток электронов и протонов; он сорвал с Земли эту оболочку и унес в космос. Но многие атомы водорода и гелия улетели по собственной воле. Один из законов физики газов гласит, что небольшие молекулы движутся с гораздо более высокими скоростями, чем крупные молекулы. Водород и гелий занимают первые ячейки периодической таблицы химических элементов, являясь самыми легкими и, следовательно, самыми подвижными элементами. Каждый день какая-то их часть достигает второй космической скорости (более 10 км в секунду) и высвобождается из гравитационного поля Земли. Триллионы этих микроскопических ракет прощались с огненной Землей и уносились в холодное спокойствие космоса.
На месте первой атмосферы вскоре появилась вторая, рожденная самой Землей. Как в крови растворен кислород, а в шампанском углекислый газ, так и в магме (подземной лаве) содержатся растворенные газы. И как из открытой бутылки шампанского вырывается пена углекислого газа, так из прорвавшейся сквозь трещины в земной коре лавы тоже выделяются газы, и давление магмы сразу падает. По-видимому, эта газовая смесь состояла в основном из водяных паров и углекислого газа (геологи пока не пришли к единому мнению), но там могли содержаться и другие газы. Если вам когда-нибудь доводилось подходить к вулкану, вы, возможно, знаете о некоторых из них, например о соединениях серы, придающих вулканическим газам запах тухлых яиц и пороха (это, соответственно, сероводород и диоксид серы). Вулканы выбрасывали также пары металлов, включая пары золота и ртути. Прекрасная смесь для дыхания!
Земля производила газы и позволяла им потихоньку выходить наружу. Но от этого среда не была более дружелюбной. Окажись мы в той атмосфере, воздух сжег бы нам кожу, серные газы разъели бы нос, а кислоты и аммиак разорвали легкие. При таком давлении человеческий череп был бы немедленно сплющен, а сам человек превратился в нечто сферическое.
Некоторые геологи считают, что все эти газы появились из-под земли единовременно – в процессе так называемой «большой отрыжки». Но, к моему великому сожалению, никакой «большой отрыжки», скорее всего, не существовало. И давление на Земле было нешуточным. Магма выбивалась на поверхность с огромной силой и содержала много газов: каждые сутки из-под земной коры в атмосферу вылетали миллиарды тонн газов. В результате давление воздуха было, вероятно, в сотни раз выше теперешнего. Легчайший бриз в воздухе такой плотности сбивал бы с ног и опрокидывал в расплавленную лаву.
Эта вторая атмосфера отличается от сегодняшнего воздушного океана по нескольким параметрам. Основной компонент той атмосферы, пар, постепенно начал конденсироваться, превращаясь в дождь, и скапливаться на поверхности в виде озер и морей. Образование водоемов вызвало эффект домино, поскольку второй важнейший компонент того воздуха, углекислый газ, легко растворяется в воде и реагирует с минеральными веществами, образуя твердый осадок. Это приводило к удалению CO2 из атмосферы.
Еще одна причина смены воздуха заключается в том, что поток астероидов и/или комет продолжал бомбардировать Землю, разрушая первичную атмосферу. Конечно, не каждое столкновение приводило к катастрофе. Небольшие астероиды могли даже привносить в нашу атмосферу другие газы – из содержавшихся внутри них паров. Но каждое столкновение с большим небесным телом являлось для нашей планеты серьезным уроком по сохранению энергии. При столкновении астероида с земной атмосферой значительная часть кинетической энергии астероида превращалась в тепло, под действием которого атмосферные газы вылетали в космическое пространство. Оставшаяся часть кинетической энергии вызывала гигантскую ударную волну, выдувавшую еще больше воздуха. Некоторые геологи считают, что подобные столкновения многократно уничтожали нашу атмосферу, полностью оголяя Землю. Если это так, следует говорить не о второй атмосфере вулканического происхождения, а об атмосферах 2a, 2b, 2c и т. д. Все они состояли примерно из одного и того же набора газов, но астероиды и кометы постоянно сдували их в космос.