Что скрывает атмосфера, или Как возник воздух… - Кин Сэм - Страница 5

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.

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 через трещины на поверхность просачивалась раскаленная лава. Тогда на Земле ночью было видно оранжевое свечение лавы, которая нередко пенилась и взлетала вверх, как фонтаны в аду.

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!

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.