Рождение и смерть Геи

Солнце испускает энергию. Через 8 минут кванты этой энергии (фотоны видимого света) достигают Земли. 28% их отражается облаками. Остальные достигают поверхности Земли и поглощаются ею. Земля нагревается и, как всякое нагретое тело, начинает излучать энергию обратно — тем больше, чем выше ее температура. Достигнув определенной температуры, при которой она излучает столько же, сколько поглощает, Земля приходит в тепловое равновесие между притоком и излучением энергии. Если приток солнечного тепла не меняется, то в дальнейшем температура Земли остается на этом равновесном уровне. Эту температуру нетрудно рассчитать. Равновесная температура Земли (в среднем по всем континентам за целый год) должна быть минус 18 градусов по Цельсию.

В действительности эта средняя температура равна 15 градусам, то есть на 33 градуса выше. Это жизненно важная разница. Для возникновения и развития жизни нужны незамерзающие водоемы. При средней температуре минус 18 градусов развитие жизни на Земле было бы, скорее всего, невозможно.

Благодетельную разницу температур обеспечивают нам парниковые газы.  Нагретая Земля отдает энергию тоже в виде излучения. Но так как ее температура много ниже, чем температура Солнца, она излучает не в видимой части спектра, а в инфракрасной. Эти кванты идут от поверхности Земли вверх, сквозь атмосферу, и в нижних ее слоях (в тропосфере) сталкиваются с молекулами газов, составляющих атмосферу. Основные из этих газов — азот и кислород — инфракрасных квантов не поглощают. Но в атмосфере есть уже упомянутые парниковые газы, молекулы которых как раз охотно поглощают многие из этих квантов.

Главных таких газов четыре, и доля их в поглощении такова: водяные пары 36—70%, СО₂— 9—26%, метан — 4—9% и озон — 3—7%. Поглотив квант, такая молекула через какое-то время его испускает, но теперь уже в любую сторону. Поэтому какая-то часть тепла уходит вверх и излучается в космос, а какая-то часть возвращается к Земле. Это означает, что из-за парниковых газов Земля не может отдать Солнцу все то тепло, которое от него получает, и ее средняя температура должна повыситься. Оказывается, она должна повыситься на целых 33 градуса, от минус 18 до плюс 15, и только тогда она вернется в состояние теплового равновесия. Тропосфера с ее парниковыми газами — та грелка, которая поддерживает возможность жизни на Земле.

На Марсе такой атмосферной грелки нет, и средняя температура там —  порядка минус 40. На Венере содержание парниковых газов в атмосфере много больше, чем на Земле (и приходящая энергия тоже больше), и, несмотря на сплошной облачный покров, поверхностная температура там — порядка плюс 400 градусов. Нам на Земле повезло. Нам даже повезло дважды. Земля отличается от Венеры еще и тем, что земная кора раздроблена на куски (тектонические плиты), которые медленно, но непрерывно движутся относительно друг друга, меняя очертания континентов и океанов. В ходе этих величественных перемещений огромные куски коры входят один под другой, унося с собой в земные глубины связанные в минералах газы, в том числе парниковые. Это тоже оказывается важным фактором в истории Земли.

Однако и на Земле температурные условия не всегда были благоприятны для жизни. 4—4,5 миллиарда лет назад Солнце, будучи еще молодым, излучало на 30% меньше энергии. Ученые узнали об этом, изучая звезды, подобные Солнцу, но разного возраста. Оказалось, что все такие звезды разогреваются постепенно. Даже 3 миллиарда лет назад Земля все еще получала от Солнца на 20% меньше энергии, чем сейчас. В таком случае средняя температура на Земле должна была быть минус 36 градусов Цельсия.

А между тем палеонтологические данные говорят, что и в те времена на Земле был относительно мягкий, а порой даже жаркий климат, и плескались открытые моря и озера. Более того, судя по некоторым данным, первые признаки жизни на Земле появились даже раньше, чуть ли не 3,8 миллиарда лет назад, когда должно было быть еще холоднее.

Первыми на это противоречие (его назвали «парадоксом молодого Солнца») указали в 1972 году астрономы Саган и Мюллен. Они же предложили и первое возможное решение парадокса. По их гипотезе, в атмосфере тогдашней Земли, кроме нынешних парниковых газов, было еще много аммиака (соединение атома азота с тремя атомами водорода), и это настолько увеличивало  парниковый эффект, что Земля оставалась теплой даже при «холодном» Солнце.

В 1985 году была выдвинута другая гипотеза, согласно которой Землю тогда дополнительно согревало повышенное содержание СО₂. В 2009 году появилась третья гипотеза, по которой все объяснялось наличием в ранней земной атмосфере сульфидных соединений. Но вот недавно в журнале Nature Geoscience появилась статья, в которой было заявлено, что все эти гипотезы не учитывали важного, а возможно, даже решающего факта, каковым является роль азота.

Азот, как известно, составляет более трех четвертей  нынешней земной атмосферы. Однако при обсуждении «парадокса молодого Солнца» его никогда не учитывали, поскольку он не является парниковым газом (не поглощает инфракрасного излучении Земли). Но теперь, изучив процессы биологического связывания азота почвенными бактериями и последующего его «изъятия из обращения» за счет тектонических подвижек, ученые пришли к выводу, что 3 — 4 миллиарда лет назад азота в земной атмосфере было вдвое больше, чем сейчас. Иными словами, ранняя земная атмосфера была много плотней и давление в ней было много выше. А это, как говорит физика, меняет характер поглощения газами инфракрасных квантов. Происходит это потому, что при повышенной плотности соударения молекул газа друг с другом происходят много чаще, и в результате эти молекулы начинают поглощать не только те кванты, что раньше, но и другие, с близкой длиной волны, причем чем больше давление, тем шире такой «круг поглощаемых молекулой квантов» (этот физический эффект так и называется — «расширение под давлением»). В результате поглощение парниковых газов становится больше, а повышенное парниковое поглощение, понятно, дополнительно повышает температуру Земли, и вот так мы приходим к выводу, что в древние времена, когда азота имелось больше, парниковый эффект был выше, и это могло компенсировать меньший приток тепла от «молодого Солнца».

Однако из этой же цепочки рассуждений следует также, что со временем парниковый эффект должен постепенно спадать. В самом деле, бактерии с момента своего появления непрерывно связывали азот в виде разного рода азотистых соединений, а затем значительная часть этих соединений уходила из круговорота веществ из-за тектонических подвижек. Поэтому со временем азота в атмосфере становилось все меньше и меньше, его «расширяющее» влияние на парниковый эффект уменьшалось, парниковое поглощение падало, и Земля охлаждалась. Но поскольку одновременно Солнце взрослело и посылало на Землю все больше энергии, то эти эффекты компенсировали друг друга, и температура на Земле все время держалась в тех умеренных пределах, которые обеспечивали возможность существования и развития жизни. Это сохранение пригодных для жизни температур было обусловлено, как мы видим, поразительно согласованным взаимодействием атмосферных и биологических процессов. И таким образом открытие роли азота стало очередным подтверждением знаменитой «гипотезы Геи», выдвинутой еще в 1960-е годы Джеймсом Лавлоком.

Эта гипотеза говорит, что биосфера, кора и атмосфера Земли образуют сложно взаимодействующую систему, которая ведет себя в определенном смысле как единый организм. В частности, все живое на Земле в своей совокупности оказывает такое регулирующее воздействие на среду своего обитания, что это делает ее пригодной для жизни. И мы только что видели один из конкретных механизмов такой регулировки: бактерии удаляют из среды лишний азот, тем самым уменьшая атмосферное давление, что вызывает постепенный спад парникового эффекта, параллельный росту энергии, приходящей от Солнца. Однако гипотеза Геи объясняет не только прошлое Земли — она позволяет заглянуть в ее будущее, и в 1982 году сам Лавлок показал, что это будущее не сулит Земле ничего хорошего. Тот же «благодетельный» процесс взаимодействия био- и геосферы, который миллиарды лет обеспечивал существование земной жизни, неизбежно должен в своем продолжении положить конец этому существованию.

Все дело в том, что с момента появления растительности биосфера энергично высасывает из атмосферы также и углекислый газ. Как показывают климатические модели, 3,5 миллиарда лет назад давление CO₂на уровне океана равнялось 7000 паскалям. Если б оно и сейчас оставалось таким, среднегодовая температура на планете была бы выше 50 градусов, так что большая часть сложных клеток давно бы погибла. К счастью, биовысасывание CO₂шло так активно, что к 1750 году (то есть к началу индустриальной эры) давление этого газа на уровне океана упало до 28 паскалей. Исходя из этих цифр, Лавлок рассчитал, что при таких темпах давление CO₂на уровне океана примерно через 100 миллионов лет упадет до 15 паскалей, а это — та граница, ниже которой растения уже не могут осуществлять фотосинтез. Фотосинтез и сопровождающее его образование кислорода — это основа всей земной жизни, и потому прекращение фотосинтеза означает ее конец. Правда, несколько позже другие расчеты сильно отодвинули эту границу, показав, что растения, питающиеся менее распространенными изотопами углерода, способны к фотосинтезу даже при давлении CO₂на уровне океана в 1 паскаль. Новые расчеты показали, что эта граница будет достигнута примерно через 900 миллионов лет.

Оказывается, тот замечательный процесс саморегулировки, который миллиарды лет поддерживал земную жизнь, обречен в конце концов с неизбежностью превратиться в свою противоположность и эту же жизнь уничтожить. Выходит, жизнь на Земле уже с момента рождения была обречена на самоубийство. Но недавно в академическом журнале появилась статья   известного американского геолога Киршвинка и его коллег. Эти авторы заново пересчитали будущий срок существования земной жизни с учетом ранее никем не  учтенного фактора — продолжающегося биологического высасывания атмосферного азота. Действительно, это высасывание мало-помалу понижает атмосферное давление, что в свою очередь вызывает уменьшение того «расширения» поглощательных способностей парниковых газов, о котором говорилось выше. Это означает, что в перспективе многих сотен миллионов лет парниковый эффект должен постепенно спадать, и поскольку он все меньше будет защищать Землю, средние температуры на Земле тоже будут снижаться, а это должно неизбежно привести к замедлению всех глобальных биологических процессов, в том числе и биологического высасывания углекислого газа. Поэтому своего предельного уровня в 1 паскаль давление этого газа достигнет не через 900 миллионов лет, а много позже. По расчетам Киршвинка и его коллег, это должно произойти примерно через 2,3 миллиарда лет.

Казалось бы — что это меняет? Просуществовав до нынешней поры уже 3,8 миллиарда лет и умерев еще через 2,3 миллиарда лет, земная жизнь продлится в общей сложности более 6 миллиардов лет, почти половину времени существования Вселенной вообще, но тем не менее все равно умрет. Стоит, однако, вспомнить, что в космосе, как сегодня можно почти с уверенностью сказать, существует множество землеподобных планет, обращающихся вокруг других звезд, и некоторые из них могут быть обитаемы, и та же цифра «6 миллиардов лет» покажется ободряющей. Такой огромный срок возможного существования жизни на землеподобных планетах — почти половина возраста Вселенной! — весьма повышает вероятность перекрытия их «периодов обитаемости». Это, в свою очередь, резко повышает вероятность обнаружения сигналов других цивилизаций, если таковые еще где-нибудь появились. И более того — теперь, когда известно, что весь этот 6-миллиардолетний цикл существования жизни управляется (в частности) атмосферным давлением различных газов, наука получила новый критерий для опознания тех землеподобных планет, которые несут на себе жизнь, способную регулировать эти давления.

Тот факт, что через 2,3 миллиарда лет Земля станет непригодной для жизни, не так уж страшен. Если разумная жизнь просуществует даже десятую часть этого времени, она наверняка сможет и для этой проблемы найти решение.

Михаил Вартбург