Симфония № 6. Углерод и эволюция почти всего: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Это осознание может привести нас в замешательство. Найти планетарных соседей, похожих на нас, землян, — это вполне человеческое желание, аналогичное тому, как мы ищем друзей и любимых, которые разделяют наши вкусы, политические взгляды и религиозные убеждения. Но наткнуться на кого-то, кто подобен нам во всех отношениях — одевается так же, имеет ту же профессию и хобби, использует точно такие же характерные фразы и язык жестов, — было бы немного жутковато. Ровно так же, мне кажется, нас несколько выведет из равновесия обнаружение планеты-клона, неотличимой от Земли.

Но не нужно волноваться, этого не произойдет. Поэтому, находясь в смелом поиске все более подобных нашему дому планет, мы можем быть абсолютно уверены, что есть только одна планета, поистине идентичная Земле.

КОДА — Вопросы без ответов

Углерод, этот феерически разносторонний элемент Земли, поведал нам многое о нашем мире. Мы зарегистрировали сотни углеродсодержащих минералов из десятков тысяч мест. Мы научились производить тысячи синтетических аналогов этих минералов, многие из которых еще ждут своего промышленного или технологического применения. Мы даже частично предсказали, какие еще неизвестные минералы углерода можно обнаружить в земной коре и гораздо, гораздо глубже в недрах нашей планеты.

Однако все то, что мы знаем о земном углероде, меркнет по сравнению с тем, чего мы еще не знаем. Какие новые необычные минералы ожидают нас в коре, в гораздо более глубоких слоях? Каковы структуры и свойства этих неизвестных соединений? Как они могут повлиять на нашу жизнь? Сколько углерода скрыто в глубинах планеты, если 99% его может быть сосредоточено в ядре Земли? Мы, ученые, с энтузиазмом продолжаем поиск ответов. В грядущие десятилетия нас поглотят эксперименты, размышления и наблюдения за миром природы.

Мы также не имеем пока представления о том, как углерод перемещается из одного резервуара в другой, особенно при движении из глубоких недр на поверхность и обратно. Для этого нам придется посмотреть на небеса — защитный воздушный покров Земли — и на углерод, элемент глобальных циклов.

ЧАСТЬ II — ВОЗДУХ

ИНТРОДУКЦИЯ — До воздуха

Углерод циклично перемещается от одной сферы Земли к другой в бесконечном танце. Атмосфера, гидросфера, биосфера, литосфера — все содержат свою долю шестого элемента и все участвуют в глобальном цикле углерода. Так происходило на протяжении более чем 4,5 млрд лет, хотя природа и масштаб цикла за это «глубокое время» изменились и многие подробности перемещения углерода остаются скрытыми из вида.

Сегодняшняя Земля — знакомый нам «бело-голубой мраморный шарик»[25], живой мир, — мало напоминает планету в ее детстве. Юной Земле, ее разрушенному каменистому ландшафту не хватало обволакивающей колыбели воздуха. Наш дом был рожден из пыли — широко разлетевшейся и разреженной и едва ли являющейся тем материалом, из которого вы бы решили создать приличную каменистую планету{74}. Но космос располагает огромным количеством пыли, а пыль имеет тенденцию скапливаться (если вы время от времени убираете за шкафом или под кроватью, вам это хорошо известно). Так вот, по мере того как Протосолнце разгоралось, посылая внутрь Солнечной системы облагораживающие импульсы тепла, первичная пыль переплавлялась в крошечные капли, называемые хондрами, как уже говорилось выше. Когда эти липкие капли стали объединяться, родилось первое поколение космических каменных тел. Из пыльной туманной среды образовались галька размером с виноградину, булыжники размером с кулак и более крупные камни, соизмеримые с автобусами или даже зданиями. Вокруг слабого молодого Солнца вращались бесчисленные камни, сталкиваясь и группируясь в более крупные зарождающиеся миры.

Во всем этом солнечном царстве господствовала гравитация. Бо́льшие массы неумолимо притягивали меньшие, захватывая их в свои гравитационные колодцы и проглатывая целиком, слизывая подчистую свободные космические пончики. Вращаясь на расстоянии 145 млн км от все еще растущего Солнца, Протоземля оказалась самой крупной из этих соревнующихся планетезималей. Какое зрелище должна была представлять собой зарождающаяся Земля! Более 4,5 млрд лет назад на растущий мир, который станет нашим домом, падали дождем бесчисленные камни. Несясь быстрее пули, эти камни при каждом столкновении выделяли кинетическую энергию, которая преобразовывалась в обжигающее тепло и ослепительный свет, разбрызгивая огромные фонтаны раскаленной магмы высоко над огненно-красной расплавленной поверхностью. В растущую раскаленную сферу подбрасывались неровные куски железо-никелевого сплава, горы силикатов, огромные пушистые, насыщенные водой снежки и отдельные черные, обогащенные углеродом каменные глыбищи.

Грандиозные физические процессы с понятными лишь избранным названиями — аккреция и дифференциация, фракционирование и конденсация, кристаллизация и конвекция — преобразовали новорожденную Землю, представлявшую собой похлебку из всякой всячины, в более «целесообразный», химически упорядоченный земной шар. Дифференциация под управлением гравитации привела Землю в состояние слоеного структурированного мира, самые плотные компоненты которого — главным образом смесь расплавленных железа и никеля — погрузились в центр, чтобы сформировать ядро. Углерод, возможно, все еще играл некоторую роль в той глубокой и полностью недоступной области, сглаживая огромную разницу в плотности между ядром и мантией и изменяя физическое состояние того скрытого царства, но мы даже близко не представляем себе деталей этой истории. Однако можем быть уверены, что углерод ядра, если он на самом деле присутствует там, на глубине более 5000 км, не играет особой роли в воздухе, которым мы дышим.

Толстая каменная мантия Земли окружает железное ядро, как сочная мякоть персика — его твердую косточку. Минералы, насыщенные более легкими элементами — кремнием, магнием и кислородом, преобладают в верхних 3220 км Земли. При экстремальных условиях в самой глубине мантии, где давление превышает 1 млн атм, мантийные породы плотнее, нежели их близповерхностные эквиваленты. Тем не менее эти породы «плавают» по поверхности гораздо более плотного жидкого металлического внешнего ядра, подобно тому как галька легко плавает по лужице плотной жидкой ртути.

Прерывистое, частично отражаемое прохождение высокоскоростных звуковых, или сейсмических, волн сквозь твердую породу указывает на наличие большего количества скрытых слоев. В направлении от ядра к поверхности Земли мантия разделена на три широкие сферические зоны. Почти недоступная нижняя мантия простирается вниз с глубины примерно 670 км до границы ядра и мантии на глубине почти 2900 км и занимает более половины объема Земли. Переходная зона средней плотности — слой Голицына — образует сравнительно узкую оболочку на глубинах от 410 до 670 км, а верхняя мантия доходит почти до поверхности Земли.

Внешние оболочки Земли — кора, океаны и атмосфера — ее тончайшие зоны, вроде скорлупы на яйце. В совокупности они занимают менее 160 км при 6371-километровом радиусе Земли и содержат в себе только порядка 1% ее массы. Зато эти поверхностные слои отличаются наибольшим химическим разнообразием, так как концентрируют многие из тех редких элементов, которые не находят удобного кристаллического дома в более глубинных минералах. Эти внешние слои также самые разнообразные по толщине. Океаническая кора простирается местами всего лишь на 8–9 км вглубь, в то время как толщина континентальной коры под самыми высокими горными хребтами может составить более 80 км.

Исследовать недра на глубинах более нескольких километров напрямую оказывается не под силу ни одной из современных технологий, но ученые изобрели другие средства, чтобы понять Землю. Мы собираем камни, зачерпываем воду и берем образцы воздуха во время наших экспедиций — полевых работ — на всех континентах, от экватора до полюсов. И каждый уголок земного шара повествует об одном и том же: камни, вода, воздух и жизнь эволюционировали совместно в течение миллиардов лет истории Земли. И каждая из этих материальных сфер является важным местом привала, на который располагается углерод во время своего динамичного глубинного земного цикла.

АРИОЗО — Происхождение земной атмосферы

Атмосфера согревает Землю. Она защищает нас от жесткого солнечного излучения. Она поддерживает нас, обеспечивая кислородом, которым мы дышим, и водой, которую мы пьем. Воздух также хранит огромные запасы углерода, используемого растениями, которые мы едим. Но Земля при рождении и в младенчестве не имела атмосферы. Воздух должен был появиться, вырасти из ничего. Как?

Чтобы узнать это, давайте перенесемся на 4,5 млрд лет назад — в эпоху, когда планеты все еще формировались, Солнечная система пребывала в хаосе, а углеродный цикл Земли только начинал складываться.

Земля получает углерод из космоса

Итак, мы на 4,5 млрд лет в прошлом. Протоземля образовалась как единое целое. Начала формироваться ее многослойная структура, состоящая из ядра, мантии и коры. Вместе с каменным дождем на Землю попали десятки химических элементов, большинство из которых — редкие{75}. В смеси компонентов доминируют несколько минералообразующих элементов: железо, кремний, магний и самый распространенный из них, дающий 90% общей массы, — кислород. Кальций, алюминий, никель и натрий составляют 90% остального. Прочее богатство Периодической таблицы встречается в меньших количествах — несколько атомов на тысячу азота и фосфора, несколько атомов на миллион лития и фтора и несколько атомов на миллиард бериллия и золота.

Земля и другие планеты земной группы — Меркурий, Венера и Марс — сформировались ближе всех к Солнцу, безжалостный жар которого испарил большинство газов. Потому-то эти каменистые внутренние планеты предпочли элементы, из которых могли образовываться твердые минералы. Самые же распространенные элементы космоса — газообразные водород и гелий — были в основном отброшены мощными солнечными ветрами далеко (на расстояние более 0,5 млрд км) от Солнца: в область газовых планет-гигантов Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна.

В космическом масштабе водород и гелий всегда составляют самую большую долю — 99% всех атомов. Из оставшегося 1% атомного вещества, которое формирует каменистые планеты, ключевую роль играют атомы углерода. Из атомов, не являющихся водородом или гелием, каждый четвертый — атом углерода. Только железо и кислород более распространены среди планетообразующих остатков. Однако в отличие от железа и кислорода большинство атомов углерода на ранних этапах истории Вселенной оказались заперты в маленьких летучих молекулах — углекислого и угарного газов, а также метана. В результате получилось, что запасы земного углерода скудны, но не понятно насколько: наше наиболее вероятное предположение — не более одного атома на сотню.

Весь углерод Земли пришел из космоса, из трех главных источников. Некоторое его количество было привнесено солнечным ветром, обогащенным углеродсодержащими газами Солнца. Более заметная доля пришла на Землю в составе черных богатых углеродом метеоритов, которые до сих пор время от времени падают с неба{76}. Эти удивительные камни доставили сюда также все виды органических молекул: нефтеподобные углеводороды и спирты плюс основные биомолекулы, а именно аминокислоты, сахара, пурины и пиримидины, которые играют существенные роли в ДНК и РНК, — все в собранном виде, готовые к химическим преобразованиям. Но самый важный вклад в растущие запасы земного углерода внесли кометы, исключительно богатые небольшими молекулами газов, в частности угарного и углекислого. Нельзя не упомянуть также, что кометы принесли и огромное количество воды, из которой образовались земные океаны.

Значительная часть этих запасов углерода циркулировала в составе флюидов глубоко под поверхностью, подвергаясь там температурам, достаточным для разделения большого скопления разных атомов на их простейшие молекулярные компоненты — азот, воду и углекислый газ. Так начался круговорот земного углерода. Поскольку горные породы в твердом состоянии не могут долго удерживать горячие, находящиеся под давлением подвижные флюидные потоки, те начали пробиваться к поверхности всевозможными путями. Они продвигались, растворившись в расплавленной породе — раскаленной магме, которая прокладывала себе путь наверх, используя любую трещину или щель. Недалеко от поверхности — возможно, на глубине 1 км или меньше, где давление падает ниже критического значения, — горячие потоки преобразовывались во взрывообразно расширяющийся газ. Подобно шампанскому из откупоренной бутылки, газы и измельченные в порошок камни вырывались наружу, создавая горячие фонтаны золы и воздуха. В более холодных зонах эти легкие подвижные молекулы также должны были подниматься сквозь кору, находя любой путь и постепенно заполняя огромные пространства покорной Земли. Освобожденная при этом вода стала первыми океанами, а газы — первым воздухом.

Никто не знает состава первичной атмосферы Земли{77}. Химически нейтральный газ, который доминирует в нынешнем воздухе, — изначально азот в форме молекул N₂ с небольшой примесью аргона — безусловно, присутствовал с самого начала. Атмосфера Земли должна была подождать более 2 млрд лет, пока не накопится благотворный для жизни химически активный кислород O₂, другой ее главный современный компонент. В первоначальной смеси должны были содержаться и зловонные вулканические, содержащие серу газы, такие как сероводород (H₂S) и сернистый газ (SO₂). В раннюю атмосферу Земли вошли также газы, насыщенные углеродом.

Углерод атмосферы сконцентрирован в составе трех простых молекул. Углекислый газ CO₂ в наши дни заслужил множество публикаций в прессе (в большей их части он плохой). Это простая молекула — атом углерода в ней встроен в середину аккуратного ряда между двумя атомами кислорода. При низких температурах внешнего космоса углекислый газ, замерзая, может образовывать чистые бесцветные кристаллы, известные как сухой лед. На Земле CO₂ — доминирующий в атмосфере углеродсодержащий газ. Его концентрация составляет, согласно последним измерениям, 400 частей на миллион и продолжает повышаться с каждым годом.

Вдали от звезд и планет, в глубоком космосе, где изолированные атомы находят друг друга лишь изредка, единичный атом кислорода может соединиться с единичным атомом углерода в угарный газ CO — одну из самых распространенных молекул космического пространства. Угарный газ всегда был второстепенным компонентом атмосферы Земли — менее одной части на миллион в воздухе, которым мы дышим сегодня. В нашей повседневной жизни угарный газ представляет реальную опасность, потому что он легко образуется при неполном сгорании углеродных видов топлива. При сгорании такого топлива углерод всегда соединяется с кислородом, но если перекрыть поток воздуха к вашей печи или камину, то кислорода для образования углекислого газа окажется недостаточно и ваш дом наполнится угарным газом. Последствия станут катастрофическими.

Угарный газ коварен, потому что он бесцветный и не имеет запаха, вследствие чего наши тела принимают его за кислород O₂. Но, в отличие от кислорода, который мы быстро усваиваем при вдохе, угарный газ блокирует человеческое дыхание. Нехватка кислорода вызывает медленную потерю сознания. Мозг умирает, а затем умираете вы.

Третья простая углеродсодержащая молекула в атмосфере Земли — это метан CH₄, который вы оплачиваете как «природный газ», когда готовите еду или отапливаете свой дом. Это изящная маленькая молекула с центральным атомом углерода, окруженным пирамидой из четырех атомов водорода. Современная атмосфера Земли содержит лишь следы метана — всего две части на миллион, но, как мы увидим, этого достаточно, чтобы были последствия.

[25] Имеется в виду знаменитая фотография земного шара, сделанная 7 декабря 1972 г. экипажем космического корабля «Аполлон-17» и названная The Blue Marble. — Прим. науч. ред.