Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом - Дэвид Хелфанд

Этой картине соответствуют данные о двух кратких периодах повышения уровня моря, которое могло произойти только из-за таяния огромных ледников. Два выброса талой воды охватывают время от 14 700 до 13 500 лет назад и от 11 500 до 11 200 лет назад, и каждый из этих интервалов тесно связан с двумя периодами холода на севере. На протяжении первого периода уровень моря поднимался в среднем на 60 сантиметров за десятилетие, примерно в пятнадцать раз быстрее, чем в наши дни.

Даже несмотря на все эти ингредиенты, неясно, есть ли у нас полный рецепт, который освободит Землю от глобального ледникового периода. К счастью, новые ингредиенты (если так можно сказать) появляются и сейчас. На морском дне Баренцева моря к северу от Норвегии обнаружены кратеры диаметром до 1 км. Они образуются, когда рассеивающийся метан (CH4), медленно поднимающийся вверх из глубоких (более 1 км) залежей нефти и/или газа, попадает в ледяные клатраты, образованные на глубине в несколько сотен метров ниже морской поверхности. Когда морская вода замерзла и стала частью глетчерного льда, его давление удерживало метан на месте. Но когда лед отступил, метан, освобожденный от гнета, вырвался, преодолел поверхность и через воду проник в атмосферу. Нам неизвестно, сколько метана выделилось в ходе этого процесса во всем мире, поскольку морское дно еще не столь подробно нанесено на карту и мы не можем увидеть все эти маленькие кратеры. Но измерения ледяных кернов показывают, что содержание метана в атмосфере увеличилось примерно вдвое с ледникового периода (350 ppm) до межледникового (700 ppm), и вполне возможно, что этот фактор, в числе прочих, способствовал потеплению, вызванному парниковым эффектом11.

Будущее

Современный состав нашей атмосферы относительно стабилен. Очевидные исключения вызваны антропогенным воздействием, связанным с редкими, но важными газами – это углекислый газ (CO2), закись Азота (N2O), метан (CH4) и хлорфторуглероды, которые усиливают парниковый эффект и нагреют планету на несколько градусов еще до конца века, если мы незамедлительно не примем меры по смягчению этих перемен. Легчайшие газы, которые могут достигать второй космической скорости, – Водород и Гелий – все равно улетучиваются, едва возникнув: Водород – в процессе диссоциации воды в стратосфере под воздействием ультрафиолетового излучения (см. ниже), а Гелий – в ходе альфа-распада радиоактивных элементов в земной коре и океанах (напомним, что альфа-частицы – это всего лишь ядра Гелия). Скорость потерь Водорода составляет около 93 000 тонн в год, а утечка Гелия – 1600 тонн в год. Цифры могут показаться большими, но если учесть, что в океанах содержится 150 миллиардов триллионов тонн Водорода, это незначительный эффект… по крайней мере на данный момент12.

В конце концов – через 7 миллиардов лет – Солнце расширится и станет красным гигантом, поглотив Меркурий и Венеру и опалив Землю. Однако нам не придется ждать так долго, чтобы увидеть еще одну масштабную трансформацию нашей планеты. Термоядерные реакции, происходящие в ядре, и сопутствующие изменения во внутренней структуре (глава 16) постепенно делают Солнце все ярче. Примерно через миллиард лет яркость нашей звезды повысится примерно на 10 %. Величина кажется скромной, но в десять раз превышает нагрев, вызванный парниковыми газами, которые мы добавили в атмосферу за двести лет. Более теплая поверхность Земли приведет к большему испарению H2O из океанов. Но важнее всего то, как это отразится на высоте от 10 до 20 км над поверхностью Земли.

Тропосфера – это слой воздуха, который поднимается от земли примерно на 20 километров на экваторе и на 10 километров в средних широтах. Это слой, внутри которого рождается погода. На всем его протяжении температура неуклонно падает, составляя в среднем от 16 °C на поверхности до холодных –50 °C наверху. (На этих высотах в тропосфере летают самолеты, поэтому в следующий раз проверьте на мониторе полета температуру наружного воздуха.) Выше располагается стратосфера, простирающаяся вверх на 50–60 км. В ней температура снова повышается, достигая наверху примерно 0 °C. Именно в нижней стратосфере находится слой молекул озона (O3), который не позволяет большей части ультрафиолетового излучения Солнца попасть в нижние слои атмосферы и на поверхность планеты13.

Минимальная температура на границе тропосферы и стратосферы означает, что воздух там очень сухой. Во-первых, холодный воздух может содержать меньше водяного пара, чем теплый, а во‐вторых, большая часть водяного пара конденсируется в жидкость по мере того, как он поднимается и охлаждается в верхних слоях тропосферы, выпадая в виде дождя или снега, даже не достигнув границы. Поэтому в среднюю стратосферу поднимается очень мало воды. Это очень важно, потому что только там, над защитным озоновым слоем, ультрафиолетовое излучение Солнца может разрушить молекулы H2O и позволить H2 улетучиться.

Однако по мере того, как Солнце становится ярче, а пограничный слой нагревается, утечка Водорода из нынешней струйки спустя миллиард лет превратится в поток. В течение еще одного миллиарда лет большая часть океанов испарится, и Земля станет горячей, сухой и свободной ото льда. Еще через миллиард или два миллиарда лет вся вода исчезнет, и Земля станет напоминать Венеру, на которой этот процесс завершился в течение первого миллиарда лет существования Солнечной системы, после чего в атмосфере планеты начал преобладать CO2, а температура ее поверхности достигла 460 °C. Жизнь, известная нам, исчезнет. Хорошая новость в том, что у нас еще много времени (в 10 000 раз больше, чем властвуют Homo sapiens), чтобы понять, что нам делать.

Глава 15

День рождения Солнца: формирование Солнечной системы

Моя бабушка по отцовской линии была белоруской и понятия не имела, когда у нее день рождения. Причиной тому была не утрата ума – она умерла в девяносто девять лет и сохранила ясность мышления до самых последних дней. Просто в конце XIX века в царской России крестьян не особо волновало, когда у них день рождения. Полагаю, то же самое можно сказать и о Солнечной системе: выяснение точной даты ее появления на свет – это не столь серьезная проблема. Впрочем, это удовлетворило бы праздное любопытство и помогло бы объяснить, почему планеты устроены так, как устроены, а также расширило бы сферу применения наших историков-атомов за пределами существования самой Земли. В сущности, благодаря им мы даже можем получить некоторое представление о том, что происходило в окрестностях нашей планеты до того, как возникло Солнце.

Сценарий формирования

Наша галактика, Млечный Путь, представляет собой совокупность более чем 100 миллиардов звезд, удерживаемых вместе взаимным гравитационным притяжением. Все началось с крошечного