Вселенная внутри нас: что общего у камней, планет и людей
Шрифт:
Тадж нашел остатки жизни вблизи Северного полюса, а Колберт — у Южного. Первый обнаружил в регионе, где сегодня простираются ледяные пустыни, леса, характерные для умеренного климата, а второй — тропических животных. Наша нынешняя эпоха — с полярными льдами — представляет собой аберрацию: на протяжении большей части истории климат на всей планете был теплым, почти тропическим. Древние горные породы, почти как увеличительные стекла, позволяют нам увидеть, что наш довольно холодный мир — это ненормальное состояние Земли. Это великое похолодание стало одним из главных факторов, определивших форму нашего тела, нашу жизнь и нашу способность воспринимать мир.
Измеряем температуру
Карл Саган однажды высказался на тему парадоксальности климата на Земле. Солнце
О присутствии такого термостата догадался один упрямый шведский студент. Для начала он заявил научному руководителю, что разработал совершенно новую теорию электропроводности. И услышал в ответ: «До свидания». Однако стойкость вознаграждается. Возможно, порадовав своих с облегчением вздохнувших преподавателей, Сванте Август Аррениус в 1881 году отправился в Стокгольм, чтобы работать в Шведской академии наук под руководством одного из профессоров. Там он начал обдумывать другие научные проблемы.
Одна такая проблема, можно сказать, стояла у него перед глазами. Он видел, как фабричные трубы извергают дым — говоря его собственными словами, «превращают наши угольные запасы в пар». Аррениус знал, что основной компонент дыма — углекислый газ — способен удерживать тепло. Он провел несколько вычислений, показавших, что повышение содержания углекислого газа в воздухе приводит к удерживанию тепла и повышению температуры на планете. У этой идеи в последующие годы было не много сторонников, зато Аррениус получил Нобелевскую премию за цикл работ, ставших продолжением его, казалось бы, неудачной диссертации, так расстраивавшей преподавателей.
В основе известного всем парникового эффекта лежат найденные Аррениусом закономерности. Чем больше углекислого газа попадает в атмосферу, тем больше планета накапливает тепла. Верна и обратная закономерность. Но углерод в атмосфере играет и более важную роль, которая становится понятна лишь при анализе событий, произошедших миллионы лет назад.
Персонаж известного телесериала [«Все в семье» (All in the Family)] Арчи Банкер, рассуждая о пиве, заметил: «Ты не можешь им обладать — ты можешь только взять его на время». Эта сентенция справедлива в отношении каждого атома в нашем организме: мы является временными обладателями элементов, составляющих наше тело. И мало какие из этих элементов играют в нашей жизни (и в жизни планеты) столь же важную роль, как углерод. Связь между отдельными частями Земли зависит от круговорота углерода в воздухе, камнях, воде и наших телах. Чтобы увидеть эту связь, живые организмы, камни и океаны нужно рассматривать как этапы превращения углерода в ходе эволюции Земли.
Если смотреть на вещи так, то становится ясно: содержание углерода в воздухе определяется тонким равновесием. Атмосферный углерод смешивается с водой и выпадает в виде чуть кисловатых осадков. Последствия этого мы наблюдаем ежедневно. Здания Чикагского университета построены в основном в конце XIX века, но многие химеры на водостоках уже «потеряли лицо». Кислотные дожди разъедают камни, где бы те ни находились: на склонах гор, в галечных россыпях или прибрежных утесах. Когда кислотные дожди разрушают камни, из них тоже выделяется углерод, а обогащенная углеродом вода стекает в ручейки, реки и в конечном счете в океаны. Здесь углерод включается в тела и клетки морских обитателей: моллюсков, рыб и планктона. Остатки этих существ, содержащие углерод, оседают на океаническом дне и становятся его частью. И, как нам известно благодаря исследованиям Мэри Тарп, Брюса Хейзена и Гарри Гесса, морское дно подвижно, что обуславливает круговорот веществ в земных недрах.
В результате этой совокупности процессов углерод удаляется из атмосферы и поступает в горячие недра Земли. Если бы этот процесс был однонаправленным, в воздухе не осталось бы углерода и Земля, лишившаяся согревающей газовой оболочки, замерзла бы. Однако этого не происходит: существует механизм, обеспечивающий круговорот углерода. Из земных недр углерод выбрасывается обратно в атмосферу в составе вулканических газов. Именно извержения вулканов являются основным источником углерода, который мы вдыхаем. Обычно вулканы выбрасывают огромные количества водяного пара, диоксида углерода и других газов: согласно некоторым оценкам, ежегодно они поставляют в атмосферу свыше ста двадцати миллионов тонн диоксида углерода.
Миллионы лет углерод попадает в атмосферу в составе вулканических выбросов, а затем постепенно возвращается на дно океанов в виде минеральных отложений, и цикл повторяется. Эта связь осуществляется посредством кислотных дождей, которые выводят углерод из воздуха и смывают в океан, где он включается в осадочные породы.
В этой цепи событий каждая стадия понятна, но конечный результат удивителен: выходит, что эрозия гор связана с климатом. Эрозия гор под действием кислотных дождей выступает в роли гигантской губки, собирающей углекислый газ. Снижение количества углекислого газа в атмосфере приводит к снижению температуры на планете. С другой стороны, события, повышающие содержание углерода в воздухе (усиление вулканической активности или замедление выведения углекислого газа из воздуха), очевидно, способствуют повышению температуры. При прочих равных условиях усиление эрозии снижает температуру, а ослабление эрозии ее повышает.
Круговорот углерода связывает горные породы с изменениями климата и в конечном счете объясняет парадокс Сагана о Солнце. Температура на планете сохраняется в узком диапазоне благодаря перемещению углерода между воздухом, дождем, горами и вулканами. При жаркой погоде усиливается эрозия горных пород, что активирует процесс выведения углерода из атмосферы и приводит к снижению температуры. Затем цикл идет в обратную сторону: снижение температуры ослабляет эрозию и увеличивает содержание углерода в атмосфере, что приводит к повышению температуры. Наличие жидкой воды на нашей планете возможно только благодаря этому равновесию. Иначе не было бы ни нас самих, ни окружающей среды, от которой мы зависим. Жидкая вода служит своеобразным индикатором вроде канарейки в шахте. Если жидкой воды слишком много или слишком мало, это указывает на долгосрочный сдвиг в функционировании планеты, на то, что у нее «жар» или «озноб».
Что же произошло около сорока миллионов лет назад, когда Земля стала замерзать у полюсов? Похолодание произошло в то же время, что и сильное снижение уровня углерода в атмосфере. Возникает вопрос: почему изменился уровень углерода?
Морин Раймо поступила в университет, чтобы изучать климат и влияющие на него геологические процессы. И, подобно Аррениусу, написала диссертацию, вызвавшую у рецензентов бурную реакцию. Один из них назвал работу «полной ерундой».
Путь Раймо начинался, как путь любого другого студента: она слушала лекции по основным дисциплинам, касающимся ее предмета. В 80-х годах на семинарах по геологии много говорили о связи температуры на Земле с балансом углерода. В классической статье Роберта Бернера, Антонио Ласаги и Роберта Гаррелса обсуждались химические детали этой зависимости. Для краткости статью называли BLaG — по первым буквам фамилий авторов. Все читали BLaG, все пытались сверять с BLaG свои гипотезы, хотя абсолютно все, включая авторов, понимали, что блестящая статья все еще требует детализации.