Внимание к океанам и атмосфере носит несколько антропоцентричный характер, поскольку эти подвижные среды занимают незначительное место на планете в целом. В наше время океаны составляют всего 0,02 % всей массы Земли, а атмосфера занимает примерно одну миллионную часть от ее массы. Тем не менее Мировой океан и атмосфера оказали и продолжают оказывать невероятно большое влияние на превращение Земли в уникальную планету, каковой она является сегодня.
Пять основных игроков – азот, углерод, сера, водород и кислород – исполняют ведущие роли среди подвижных газовых составляющих Земли. Все эти ингредиенты в изобилии производятся крупными звездами, широко распространяются при взрыве сверхновых звезд, и все они сконцентрировались в самых примитивных, богатых углеродом хондритах более 4,5 млрд лет назад.
В целом средний химический состав метеоритов хондритов совпадает с таковым составом Земли. Элементы большой шестерки (кислород, кремний, алюминий, магний, кальций и железо), описанной в главе 3, встречаются в похожей пропорции, так же как и разнообразные, менее распространенные элементы. Но даже самое беглое знакомство с этими удивительными обломками древности показывает, что в наше время на планете отсутствует большая часть летучих веществ, которые были раньше. Самые примитивные хондриты содержат более 3 % углерода, но все известные источники углерода на Земле содержат не более 0,1 %. Похожим образом и содержание воды в хондритах превышает среднее содержание воды в породах современной Земли примерно в 100 раз и больше. Такие существенные различия в составе указывают на бурное и беспорядочное прошлое. Большинство неустойчивых веществ либо улетучилось с Земли в космос, либо погребено так глубоко, что до них не добраться.
Ключ к пониманию превращения Земли из враждебной негостеприимной черной планеты в прохладный, обитаемый голубой мир следует искать в истории ее непоседливых летучих соединений. Но со времен первого полумиллиарда лет планеты в первозданном виде не сохранилось ни одного из летучих соединений. Почти весь азот и углерод, сера и вода претерпели бесчисленное количество изменений, хотя те же самые атомы использовались вновь и вновь. Хондриты метеоритов дают нам основу для предположений; несколько образцов минералов и горных пород времен первого миллиарда лет земной истории вкупе с данными, полученными с Луны и других объектов Солнечной системы, позволяют уточнить наши рассуждения. Так же как при изучении эволюции мантии и коры в первые 100 млн лет и процесса формирования звезд задолго до этого, ключ к сколько-нибудь достоверному сценарию следует искать в знании неизменных характеристик исследуемых элементов, в нашем случае в физических и химических свойствах летучих – азота, углерода, серы и воды.
Из этих четырех веществ легче всего разобраться с азотом. Это химически инертный газ, который образует малое число минералов, почти не участвует в образовании горных пород и в основном сосредоточен в атмосфере. Только с появлением жизни на Земле увеличилось значение азотного цикла в формировании верхних слоев планеты. Углерод и сера также выдвинулись на заметные роли примерно 1–2 млрд лет назад, когда жизнь и насыщенная кислородом атмосфера преобразовали земные реалии. Но четвертый компонент, вода, с самого начала стал определяющим для истории Земли.
Вода: краткая биография
Многообразные геологические функции воды вытекают из химических свойств окиси водорода. Не забудем, что водород – это элемент номер один, а кислород – элемент номер восемь; ни один из них не содержит магического числа двух или десяти электронов. Каждый принимающий электроны атом кислорода нуждается в двух дополнительных электронах, чтобы достичь магического числа десять, а каждому атому водорода с единственным электроном нужен еще один электрон. В результате образуется молекула с пропорцией водорода к кислороду два к одному: H2O. В этом соединении атомы принимают компактную V-образную форму: к центральному, более крупному атому кислорода с двух сторон присоединяются два атома водорода, нечто похожее на уши Микки-Мауса. Позаимствовав два электрона у двух атомов водорода, атом кислорода получает слабый отрицательный электрический заряд, а каждый из двух атомов водорода соответственно приобретает слабый положительный заряд. В результате возникает полярная молекула, в которой друг другу противостоят положительно и отрицательно заряженные частицы (примерно как уши и подбородок у Микки-Мауса).
Многие особенности молекулы воды объясняются такой полярностью. Полярная вода является суперрастворителем, поскольку сильное воздействие ее положительных и отрицательных зарядов способно разрушать другие молекулы. Поэтому в воде так быстро растворяется поваренная соль, сахар и многие другие вещества. Чтобы растворить горные породы, времени требуется больше, но за миллионы лет в океанах скопились почти все химические элементы. (В результате в каждом кубическом километре морской воды содержится около 44 кг золота, ценностью более 2,4 млн долларов, по текущему курсу драгоценных металлов, если бы существовали технологии, позволяющие добыть это золото из воды.) Такая несравненная способность воды растворять и перемещать различные химикаты превращает ее в идеальную среду для зарождения и развития жизни. Жизнь на Земле и, пожалуй, повсюду в космосе зависит от воды.
Полярность молекул воды обусловливает их прочную связь друг с другом: положительно заряженная сторона молекулы притягивает отрицательно заряженные края других молекул. Вот почему лед является таким твердым (в чем можно убедиться, если вам приходилось когда-либо падать, катаясь на коньках). Чрезвычайно крепкая межмолекулярная связь воды сказывается и в высоком поверхностном натяжении – удивительное свойство, которое позволяет мелким насекомым буквально ходить по воде. В свою очередь, поверхностное натяжение ведет к капиллярности, которая позволяет воде подниматься по узким каналам ствола растения и питать влагой деревья высотой десятки метров. Появление круглых капель дождя под влиянием сильного взаимного притяжения молекул воды – еще одно проявление поверхностного натяжения и важное условие необычайно быстрого круговорота воды на планете. Неполярные, летучие молекулы вроде метана или углекислого газа не способны образовывать круглые капли. Они просто парят в атмосфере в виде сверхтонкого, всепроникающего тумана, так что на планетах, где в атмосфере преобладают такие газы, слово «дождь» не известно.
Крепкая взаимосвязь молекул предопределяет и многие другие, весьма любопытные свойства воды: вода в жидком состоянии на 10 % плотнее льда. Почти все известные химические соединения, находящиеся в твердом состоянии, тонут в жидкости из того же вещества – это объяснимо с точки зрения интуитивной логики, поскольку в твердом веществе молекулы упаковываются в повторяющиеся правильные группы, тогда как в том же веществе, находящемся в жидком состоянии они располагаются хаотично. Представьте себе коробки с обувью в кладовой обувного магазина. Ровные стопки и ряды коробок (именно так располагаются молекулы в кристаллических структурах) занимают гораздо меньший объем в пространстве, чем их беспорядочное нагромождение (так хаотично болтаются молекулы в жидкости). Но молекулы воды отличаются большей вязкостью, т. е. оказываются гораздо более плотно связанными в жидком виде, чем в упорядоченных кристаллах льда.
Важным следствием этого свойства оказывается плавучесть льда: в виде кубиков в стакане, льдин на реке или гигантских айсбергов в океане. Если бы не эта особенность, многие водоемы каждую зиму промерзали бы до дна, вместо того чтобы образовывать толстый защитный слой льда на поверхности воды. При таком абсолютном оледенении водные формы жизни в холодных регионах вряд ли смогли существовать, да и сам круговорот воды остановился бы. Любопытно отметить, что это свойство является одним из условий (может, не самым важным) для катания на коньках и на лыжах. Сильное давление лезвия конька на твердый лед сопровождается образованием на его поверхности тончайшего слоя жидкой воды, благодаря которому коньки скользят по льду. При слишком низкой температуре (обычно ниже –73 °С) жидкая водяная смазка не образуется, что сильно затрудняет скольжение конька или лыжи.
Еще одним отличительным свойством «чистой» воды является ее недостаточная чистота. Независимо от самой тщательной фильтрации или дистилляции, вода никогда не состоит только из молекул H2O. Некоторая часть молекул, состоящих из трех атомов, неуклонно распадается на положительно заряженные ионы водорода (гидроны, или ионы H+, которые на самом деле представляют собой независимые, положительно заряженные протоны без каких-либо электронов вообще), а также отрицательно заряженные гидроксильные ионы (ионы OH–). Гидроны быстро присоединяются к молекулам воды, образуя ионы гидроксония H3O+. То, что мы называем чистой водой при комнатной температуре, содержит примерно одинаковое количество ионов гидроксония и отрицательно заряженных гидроксильных ионов, в химических терминах это и есть pH = 7 (можно сказать, что «сила водорода» составляет 10–7 моль/л).