Часть 1. Климат планеты

Есть некая случайность, выпавший шанс в игре Вечности. И небесная скала поразила Землю именно в этот момент, вызвав все последствия. Но что, если бы она промахнулась? Если бы Случай решил иначе и космическая бомба миновала бы Землю? Каким был бы сейчас мир?

Гарри Гаррисон. Запад Эдема

Все формы жизни на Земле тесно взаимосвязаны. Мы имеем общую органическую химию, общее эволюционное наследие. И в результате наши биологи крайне ограничены в своих исследованиях. Они изучают только один тип биологии, только одну тему в музыке жизни. Является ли этот слабый и пронзительный мотив единственным голосом на тысячи световых лет? Или существует своего рода космическая фуга с темами и контрапунктом, гармониями и диссонансами, миллиардами разных голосов, исполняющих музыку жизни в Галактике?

Карл Саган. Космос. Эволюция Вселенной, жизни и цивилизации

Ливни, дожди, засухи… Как много они значат для жизни на Земле, какую огромную роль играли в судьбе человечества в прошлом и продолжают играть еще и сейчас! Нельзя сказать, что зависимость людей, их хозяйственной деятельности от капризов погоды ныне такая же, какой была раньше. Но она есть, и довольно значительная. А ведь люди испокон веков мечтали освободиться от этой неволи. Излишек воды – плохо, недостаток – тоже. Земледелец же, посеяв хлеб, хотел, чтобы он хорошо уродился, не вымок бы, поливаемый бесконечными дождями, или не выгорел под палящими лучами солнца. И молил об этом небо, надеясь на милость Господа. Иногда казалось, что мольба достигла цели: на изнывающее под зноем поле вдруг выпадал благодатный дождь. Если Всевышний оставался глухим и не желал помочь, земледелец покорно винил себя – чем-то, видно, прогневал Бога… Одно же удачное совпадение – то есть когда дождь прошел бы наверняка и без молитвы – подстегивало и мысли, и чувства верующих. Священнослужители ловко пользовались этим.

А где-то в стороне от религиозного мировосприятия и даже нередко вопреки ему, исподволь, из века в век копились наблюдения – основа опытного знания, приобретавшего форму примет. Люди практичные доверяли больше приметам, чем молитвам.

По сути дела, примета – тот же прогноз, только составленный интуитивно, не по науке. Он может осуществиться, а может и нет. И вовсе не только потому, что составлен ненаучно, а потому главным образом, что природа не застрахована от случайностей. Даже сегодня составление прогноза – дело непростое, хотя научная и техническая оснащенность современного специалиста, работающего в этой области, не идет ни в какое сравнение с тем, чем располагали люди прошлого. Надо учесть множество факторов – а многие из них еще не изучены, не выявлены, не все взаимосвязи в природе вскрыты. Нужно переработать гигантский объем научной информации – настолько гигантский, что без помощи мощных компьютеров с ним справиться практически невозможно, – и получить в результате прогноз, надежность которого не всегда, вернее, не стопроцентно гарантирована. Особенно это относится к прогнозам долгосрочным.

Проблема повышения надежности прогноза опасных природных аномалий, подобных всемирному потопу, ураганам и цунами, стоит перед целым комплексом наук, изучающих глобальные геофизические процессы. Наряду с ней метеорологи и геофизики не оставляют свою самую заветную мечту – управлять развитием погодных явлений. Многие ученые все еще считают подобные проекты беспочвенными фантазиями, однако в ограниченных масштабах уже найдены практические решения, такие как распыления особых реагентов над тучами или обстрел их специальными снарядами. Целый ряд подобных успешных экспериментов позволяет надеяться, что здесь можно достичь решающих успехов. Так, рассеивание в атмосфере специальных веществ для прояснения неба над аэропортом или стадионом, заставляющее тучу пролиться дождем или, наоборот, ускорить и усилить конденсацию водяных паров в атмосфере с образованием облачности, является общепризнанной практикой.

Большая часть нашей планеты покрыта водой. Океанами и морями залиты три четверти поверхности Земли, а сушу покрывают бесчисленные реки и озера. Снег и лед на вершинах множества гор является водой в замороженном состоянии. Существенная часть земной воды находится в небе: каждое облако содержит тысячи, иногда миллионы тонн воды в форме пара. Время от времени часть этого пара превращается в капли жидкости и падает на землю – иными словами, идет дождь. Даже воздух, которым мы дышим, содержит определенное количество водяного пара.

Специалисты установили, что сейсмическая активность в восточной части Тихого океана как-то связана с уникальным природным явлением Эль-Ниньо. Эль-Ниньо – это резкое потепление океанских вод и находящихся над ними атмосферных масс, очень необычное течение, сравнимое с Гольфстримом, оно охватывает экваториальные районы океана с интервалами в несколько лет – и так же неожиданно исчезает. По данным геофизиков, несколько последних случаев Эль-Ниньо довольно точно совпадали с возрастанием числа землетрясений в Восточно-Тихоокеанском регионе вблизи острова Пасхи. И хотя полученной статистики еще недостаточно, чтобы полностью исключить случайное совпадение явлений, изучение возможной корреляции между метеоокеанологическими и сейсмологическими процессами в глобальном масштабе вызывает громадный интерес. Между тем последние геологические и палеоклиматологические данные, полученные при анализе колонок льда, поднятых при бурении в Андах, указывают, что явление Эль-Ниньо существует на Земле, по крайней мере, на протяжении последних 100 тысяч лет.

Наблюдения показывают, что при горизонтальном ветре на уровне верхней части облака оно начинает клониться к Земле, и положительный заряд смещается в направлении ветра. Со временем такое смещение приводит к появлению в «передней» части грозы центра с положительным зарядом

Глобальная международная программа изучения непогоды наглядно показала, что во время многих гроз, особенно осенью и зимой, электрическое поле атмосферы приобретает необычное строение. Большинство молний, возникающих на «переднем крае» бури, обладает положительным зарядом, то есть ток течет с облака к поверхности Земли. Однако всего лишь в сотне километров, в «тылу» грозы, большинство молний несет к Земле отрицательный заряд. Такое биполярное строение грозы было обнаружено, когда несколько локальных сетей, измеряющих атмосферное электричество, объединили в единую систему. В качестве предполагаемой причины биполярности гроз называют горизонтальные ветры.

Обычно грозовое облако имеет вертикальное строение: верхняя часть несет положительный заряд, а нижняя – отрицательный.

Экологи уже давно изучают воздействие на состав и свойства атмосферы выбросов судовых двигателей в открытом море. С искусственных спутников Земли легко прослеживаются длинные полосы выбросов, оставляемых проходящими кораблями. Формирующиеся при этом искусственные облака сильно отличаются от природных прототипов и имеют разную отражающую способность. Исследователи установили, что поступающие в воздушное пространство продукты сгорания судовых двигателей заметно меняют характер облачности, которая становится намного мощнее и интенсивнее препятствует уходу тепла с поверхности океана во внешнее пространство, усиливая тем самым парниковый эффект. Это в серьезной мере меняет существующие представления, будто роль отражающей способности облаков, связанных с транспортно-промышленной деятельностью человека, незначительна.

Как все начиналось

Наша Вселенная возникла в чудовищном катаклизме Большого взрыва из загадочного состояния бесконечно малой сингулярности – «запрещенной реальности» – точки со свитым в один сверхмикроскопический клубок пространством – временем. В первые мгновения новорожденная Вселенная представляла собой кипящее варево полей и сил. И лишь позже появились элементарные частицы, из них образовались атомы водорода; облака водорода, сжатые силами гравитации, превратились в звезды первого поколения. Так мрак «темных веков», выражаясь словами астрономов, озарился вспышками первых звезд, в которых зажглись топки реакций ядерного синтеза, превращающего самое распространенное космическое топливо – водород – в гелий.

Прошло еще несколько сотен миллионолетий, и самые крупные звезды после истощения запасов водорода начали взрываться. При этом давление и температура в недрах звезды достигали колоссальных величин. Это создавало необходимые условия для синтеза тяжелых элементов. Все элементы тяжелее гелия, в том числе необходимые для жизни углерод, кислород, азот, фосфор, сера и др., могли образоваться лишь во время таких взрывов. Звезды первого поколения стали фабрикой по производству атомов, необходимых для будущей жизни.

Взрывы первых звезд создали тяжелые элементы и рассеяли их в космосе. Из новых скоплений атомов образовались звезды второго поколения, в том числе и наше Солнце (об этом читатели могут подробно узнать в книге «Взрыв мироздания». СПб., «Страта», 2016). Облака рассеянных частиц, не вошедших в состав центральной звезды, вращались вокруг нее и постепенно разделялись на отдельные сгустки – будущие планеты. Именно на этом этапе мог начаться синтез первых органических молекул, и на далеком горизонте космической эволюции возник призрак живой материи. Таким образом, молодая Земля могла иметь в своем составе большое количество органики уже с самого начала своего существования.

Около 5 млрд лет на месте нашего вселенского дома или, как поэтично сказал выдающийся американский астроном и популяризатор науки Карл Саган, космического зáмка с усадьбой из шлейфа планет, их спутников, астероидов и метеоров вращался колоссальный диск из пыли, газа, собравшегося в гигантские комки на месте будущих небесных тел. Через это газопылевое облако протопланетной туманности тускло светился диск новорожденного Солнца, лучи которого переливались на мириадах кристалликов льда. Именно эти мельчайшие частички застывшей воды и вошли в ядра формирующихся планет, в том числе Земли.

Возможность органического синтеза в протопланетном облаке предполагалась давно, но для этого опять-таки необходимо твердо доказать наличие водных кристалликов льда. При помощи сложных расчетов и компьютерного моделирования ученые показали, что в газово-пылевых протопланетных облаках имеются необходимые условия для синтеза разнообразной органики из водорода, азота, угарного газа, цианистого водорода и других простых молекул, обычных в космосе. Непременным условием при этом является присутствие в жидкой среде мелкодисперсных водных капелек твердых частиц-катализаторов, содержащих железо, никель и кремний.

Протопланетное облако

По мере уплотнения первичного планетарного облака его температура медленно повышалась, и постепенно в формирующемся ядре Земли запускались глубинные физико-химические процессы. На фоне радиоактивного распада и уплотнения исходного вещества там развивались колоссальные давления и температуры, приводящие к сложным превращениям ядерной сердцевины. Все это сопровождалось интенсивной генерацией парогазовых соединений, в своем абсолютном большинстве состоящих из воды или отдельных ее элементов.

В конечном итоге земная кора приняла вид тонкой оболочки, напоминающей некий кислородный каркас из окисленных пород. При этом в ядре планеты стали скапливаться металлогидриды с карбидом железа, из зон высокотемпературного давления начался интенсивный дрейф водорода и углеводородов. Приближаясь к поверхности, эти вещества принялись интенсивно реагировать с приповерхностными окислами, бурно выделяя углекислый газ и водяной пар.

Вместе с Землей возник и круговорот химических веществ в природе. Одни элементы поступали из сдавленных разогревшихся недр Земли, формируя первичную атмосферу и океаны. Другие приходили из космоса в виде звездопада осколков протопланетного облака – астероидов, метеоритов и комет. В атмосфере, на поверхности суши и в водоемах все эти вещества смешивались, вступая друг с другом в химические реакции, и превращались в новые соединения, которые, в свою очередь, тоже вступали в реакции друг с другом.

Гидрогеологи и геофизики утверждают, что подобным образом через жерла вулканов, трещины в разломах коры и гейзеры за всю историю существования твердой оболочки Земли на ее поверхность попало несколько млрд км³ воды с растворенными в ней минеральными веществами. Причем компьютерные модели показывают, что не менее трети выбросов составил водяной пар, значительная часть которого впоследствии распалась под лучами Солнца на водород и кислород.

Оставшееся количество водных соединений путем постоянного накопления составило водную оболочку Земли – гидросферу. С самого начала вместе с парами воды и оксидом углерода выделялось много соединений азота, фосфора, серы, которые были вовлечены в кругооборот нарождающейся живой материи.

Сегодня гидрогеологи оценивают суммарный объем гидросферы приблизительно в 1,5 млрд км³ воды, покрывающей три четверти поверхности нашей планеты. Именно поэтому из космоса Земля выглядит как голубая планета, покрытая проседью облаков с небольшими вкраплениями суши. Если распределить всю воду по поверхности, то она покроет ее трехкилометровым слоем! Правда, лишь чуть больше 2 процентов гидросферы составляет живительная пресная вода – все остальное соленая морская. При этом половина всей пресной воды заморожена в ледниках и полярных шапках, а еще почти столько же воды скрыто в земных недрах. И лишь несколько процентов живительной «сладкой» влаги накоплено в пресноводных озерах, реках и болотах, и еще 13 тысяч тонн воды находится в ближайших слоях атмосферы – тропосфере.