Как говорилось в главе 3, все атомы находятся в движении, а температура – это всего лишь мера кинетической энергии атомов и молекул, составляющих вещество. Атмосферные частицы на любой планете движутся со скоростью, соответствующей ее температуре, – на Земле при средней температуре поверхности 16 °C их средняя скорость составляет примерно 450 м/с (1600 км/ч) для молекул N2. На Земле эти стремительные частицы удерживает гравитация, сила которой на поверхности определяется массой и диаметром планеты. Как показывает тот факт, что мы отправили ракеты на Луну, на другие планеты и даже за пределы Солнечной системы1, можно достичь достаточно большой скорости, чтобы навсегда освободиться от пут земного притяжения и оторваться от поверхности Земли, – такая скорость должна составить 11,2 км/с (40 320 км/ч). Любой атом или молекула, достигшая ее, покинет планету и никогда не вернется.
Средняя скорость даже самой легкой молекулы Водорода составляет всего 1,8 км/с (около 6275 км/ч), поэтому может показаться, что ни атомы, ни молекулы не в силах ускользнуть (по крайней мере, без помощи NASA). Но вспомните из главы 3, что, хотя многие молекулы группируются со средней скоростью, некоторые движутся гораздо быстрее (именно благодаря этому высыхает ваша посуда, оставленная на ночь на полке). Поэтому часть первозданного легкого H2 улетучивалась уже изначально. Кроме того, не только столкновения с соседями позволяют частицам достигать высоких скоростей, есть и другие способы. Если атомы или молекулы получают энергию за счет поглощения высокоэнергетических фотонов ультрафиолетового излучения, поступающего от Солнца, или за счет столкновений с высокоскоростными частицами, выбрасываемыми нашей звездой, то может возникнуть планетарный ветер, который унесет в космос много атмосферного вещества. При этом самые легкие частицы увлекут за собой и ряд более массивных частиц, точно так же, как ветер может сметать более тяжелые пылинки.
В молодости наше Солнце было намного активнее, чем сейчас. Оно вращалось гораздо быстрее, создавая более сильное магнитное поле, которое, в свою очередь, поддерживало гигантские вспышки и сильный солнечный ветер, рождавшие хаос в первозданной атмосфере. Кроме того, постоянная бомбардировка Земли массивными астероидами, проходившая в течение первых нескольких сотен миллионов лет, могла испарить целые океаны, вытеснив облака пара в верхние слои атмосферы, где ультрафиолетовое излучение могло бы разъединить молекулы H2O, позволяя Водороду уйти (см. ниже). 4 миллиарда лет назад большая часть первичной атмосферы исчезла. Доказательства утечки можно найти в соотношениях изотопов благородных газов; согласно этому сценарию, улетучивание более легких изотопов (и атомов) должно происходить свободнее. Более того, оказалось, что соотношение изотопов Неона 20Ne/22Ne на Земле составляет 0,102, что на 16 % ниже, чем в исходной солнечной туманности, из которой сформировались планеты и их атмосферы. Отношение Неона (атомная масса 20) к Аргону (атомная масса 40) на Марсе, Земле и Венере в каждом случае составляет лишь 1 % от того, какое характерно для Солнца, что указывает на предпочтительное высвобождение более легких атомов2.
В то время как первичная атмосфера удалялась с планеты, извергающиеся вулканы и непрестанные столкновения с астероидами приносили к нам молекулы Азота (N2), оксида Углерода (CO), углекислого газа (CO2), воды (H2O) и других молекул в меньших количествах. В океанах с жидкой водой CO2 может вступать в реакцию с Магнием и Кальцием с образованием карбонатных пород – так забирается большая часть атмосферного CO2 и запускается углеродный цикл, который остается активным и по сей день (атмосферный CO2 → карбонаты в океане → известняк на дне океана → известняк на суше из-за тектоники плит → выветривание горных пород, вулканы → CO2 в атмосфере и океанах).
Как мы установили в главе 13, жизнь на Земле процветала еще до того, как нашей планете исполнился миллиард лет и цианобактерии начали свою работу по новому преображению атмосферы, накачивая ее Кислородом. На протяжении миллиарда с лишним лет этот высокореактивный элемент сочетался с другими элементами на поверхности Земли и в океанах (особенно с Железом в виде Fe3O4 и Fe2O3), что привело к образованию полосчатых железистых кварцитов, источника большей части сегодняшней железной руды3. В конечном итоге окисление железа и других элементов начало снижаться, а O2, производимый фотосинтезирующими бактериями, стал накапливаться в атмосфере в ходе так называемой «Кислородной катастрофы», случившейся 2,5–2,4 миллиарда лет назад, когда атмосферный O2 повысился от нуля до примерно 4 %. Это было фатальным для многих одноклеточных организмов, которые могли жить только в бескислородной среде, хотя некоторые из них, например археи, производящие метан, и анаэробная бактерия ботулизма (clostridium botulinum), выживают и по сей день.
Уровень атмосферного Кислорода оставался неизменным на протяжении еще более чем миллиарда лет, пока примерно 650 миллионов лет назад не начал повышаться после насыщения всеми металлами, с которыми он мог соединяться как на суше, так и в море. За следующие 100 миллионов лет он быстро возрос до 12 %, а потом произошел кембрийский взрыв – внезапный расцвет многоклеточных растений и животных в океане и появление первых растений на суше. Поскольку наземные растения теперь выделяли O2 (и лишь немногие наземные животные вдыхали его), уровень продолжал расти, и примерно 280 миллионов лет назад достиг своего пика, – в те дни, когда огромная часть флоры на протяжении тысячелетий сгнивала и уходила под землю, чтобы превратиться в современные угольные пласты, он составлял 35 % атмосферы. Насекомые, которые поглощают Кислород непосредственно через панцирь и ограничены в размерах его концентрацией, достигли своего наивысшего расцвета: размах крыльев у стрекозоподобных видов превышал 60 см.
К этому времени Землю заселили земноводные и рептилии. Массивные извержения вулканов, которые произошли примерно 241 млн лет назад, вызвали резкое снижение содержания O2 примерно до 15 % (и привели к крупнейшему массовому вымиранию за последние полмиллиарда лет). Затем содержание Кислорода медленно восстановилось, снова поднявшись примерно до 30 %, когда на Земле властвовали самые крупные динозавры, а затем, после удара астероида и мел-палеогенового вымирания, снова снизилось и примерно 25 миллионов лет назад оказалось на уровне в 21 %, который мы наблюдаем сегодня. Таким образом, на протяжении нескольких последних миллиардов лет действовала петля обратной связи, в которой состав атмосферы влиял на структуру жизни, а присутствие развивающейся жизни вело к изменению состава атмосферы.
Атмосферные изменения: термический максимум после катастрофы
Как мы видели в главах 12 и 13, изменения в микроэлементном составе атмосферы могут оказывать большое влияние на условия на поверхности Земли. Во многих исследованиях при помощи изотопной записи фиксировались серьезные изменения климата Земли, вызванные геологической и биологической активностью. Я уделю внимание только двум примерам: это период выраженного потепления, наставший примерно через 10 миллионов лет после столкновения с астероидом, уничтожившим динозавров, и конец последнего ледникового периода, наступивший 12 000 лет назад.
Палеоцен-эоценовый термический максимум – это одно из самых резких изменений климата Земли со времен образования Чикшулуба. О нем свидетельствует внезапное повышение температуры, совпадающее с резким изменением соотношения 13C/12C, указывающим на быстрый выброс большого количества Углерода в окружающую среду. Время этого события уточнили с помощью уран-свинцового датирования цирконов с острова Шпицберген в Северном Ледовитом океане – они появились на свет от 55,73 до 55,96 млн лет назад; примерно такая же цифра, 56,09 ± 0,13 млн лет назад, получена при помощи того же метода для цирконов из Венесуэлы4.