Коллектив авторов

Планета Земля. Познакомьтесь с миром, который мы называем домом

This is Planet Earth

Your Ultimate Guide to the World We Call Home

First published in the English language by Hodder & Stoughton Limited.

© New Scientist, 2018

© Оформление, ООО «Издательство АСТ», 2021

Над книгой работали

Джереми Вебб – редактор-консультант, редактор New Scientist.

Элисон Джордж – редактор-эксперт серии, редактор книжной серии New Scientist.

Дэвид Кромвель – в прошлом научный сотрудник Национального Океанографического центра (Саутгемптон, Великобритания), в настоящее время – соредактор аналитического отдела СМИ на сайте medialens.org. В главе 7 рассказывает о циркуляции воды в океанах.

Джон Гриббин – приглашенный научный сотрудник на кафедре астрономии в Сассекском университете (Великобритания). Автор многочисленных книг, в том числе «Планета Земля: путеводитель для начинающих» (Planet Earth: A Beginner’s Guide, 2012). В главе 6 рассказывает о структуре атмосферы.

Сьюзан Хью – старший сейсмолог в Южно-Калифорнийском центре изучения землетрясений, член Американского геофизического союза. В главе 4 рассказывает о землетрясениях и о том, как мы можем их предсказать.

Джефф Мастерс – в главе 6 рассказывает об экстремальных погодных явлениях. Один из основателей информационной онлайн-службы погоды, директор метеорологического отдела.

Дэвид Риммер – бывший старший преподаватель почвоведения в Университете Ньюкасла (Великобритания). В главе 3 рассказывает о вопросах почвоведения.

Тоби Тиррелл – профессор Саутгемптонского университета (Великобритания), занимается вопросами земной экосистемы, автор книги «О Гее: критическое исследование взаимосвязей жизни и Земли» (On Gaia: A Critical Investigation of the Relationship between Life and Earth, 2013). В главе 8 рассказывает о слабых местах гипотезы Геи.

Питер Уорд – профессор биологии в Вашингтонском университете (Сиэтл, США). Автор книги «Гипотеза Медеи: действительно ли Жизнь на Земле разрушает сама себя?» (The Medea Hypothesis: Is Life on Earth Ultimately Self-Destructive?, 2015). В главе 8 рассматривает гипотезу Геи.

Также благодарим следующих авторов:

Анил Анантхасвами, Колин Баррас, Стивен Баттерсби, Кэтрин Брахик, Сью Боулер, Стюарт Кларк, Энди Коглан, Филип Коэн, Даниэль Коссинс, Ричард Файфилд, Линда Геддес, Шеннон Холл, Джефф Хехт, Боб Холмс, Джошуа Хоуджгоу, Феррис Джабр, Виктория Джаггард, Грэм Лоутон, Майкл Ле Пейдж, Рик Ловетт, Майлс Маклеод, Майкл Маршалл, Катя Москович, Рейчел Новак, Шон О'Нил, Стивен Орнес, Джени Осман, Фред Пирс, Кейт Равилиус, Кристина Рид, Юджини Самуэл Райх, Дэвид Шига, Колин Стюарт, Ричард Вебб, Сэм Вонг и Маркус Ву.

Введение

Земля – удивительное место. Выглянув из окна, сразу этого не заметишь: вроде бы ничего особенного, все выглядит как всегда. Но стоит только присмотреться внимательнее – как это делают ученые, – и вы обнаружите поразительные вещи, в которые трудно поверить. Когда-то наша планета представляла собой расплавленный, раскаленный докрасна скалистый шар; случалось и так, что она была похожа на гигантский космический снежок. Было время, когда в арктических широтах царили тропические температуры, а пересохшее Средиземное море ожидало, пока его берега заполнятся струями великого потопа.

Недоступные нашему взору чудеса охраняют нас каждый день. Один незримый щит укрывает нашу планету от опасных ультрафиолетовых лучей, а другой – защищает ее от потоков солнечных частиц с губительно большими энергиями. Благоприятный климат Земли зависит одновременно от многих факторов: состава почв, дыхания океана, отражательной способности облаков, формирования и эрозии скальных массивов, а также вулканических выбросов, извергающих газы, которые и охлаждают, и нагревают планету.

И вершина земного творчества – жизнь. Не стоит думать, что вы как представитель живой материи – заурядное явление. В космическом масштабе все не так просто. Вы родились на единственной планете во Вселенной, про которую мы точно можем сказать, что на ней существует жизнь; наверняка это единственное место, где организмы читают книги.

Есть еще одна вещь, которую нужно постоянно держать в памяти: жизнь не просто обитает на Земле; она – часть Земли. Роль почвы в формировании нашего климата велика, при этом большое влияние на нее оказывают микробы. Облака отражают большую часть солнечного света обратно в космос, а микробы, обитающие в верхних слоях атмосферы, «отбеливают» эти облака. Даже некоторые скалы внешней коры планеты состоят из останков тел давно умерших существ.

Земля – не просто гигантский булыжник, летящий в космическом пространстве. Это механизм, в котором все взаимосвязано и взаимодействует друг с другом: живые организмы, геологические процессы, водные резервуары, ледяные поля с айсбергамии атмосфера. Эта книга – подспорье для тех, кто хочет лучше разобраться во всех этих взаимосвязях и их взаимном влиянии друг на друга.

В первых двух главах рассказывается об образовании Земли в ее исторической перспективе – от самой начальной стадии, когда Земля существовала в виде газового облака-вихря, вращающегося вокруг молодого Солнца, до цунами, отрезавшего Британию от главного европейского материка. В главе 3 рассматривается структура Земли. Мы отправимся в рискованное путешествие: наш путь будет пролегать от поверхности, покрытой благодатным слоем плодородной почвы, прямо в глубь Земли, к ее твердому железному сердцу. Главы 4 и 5 познакомят нас с идеей тектоники плит: мы поймем, почему происходят землетрясения, увидим, что Земля – замечательный термостат, и представим картину будущих блужданий континентов на нашей планете.

В главах 6, 7 и 8 мы изучим разные сферические оболочки планеты начиная с атмосферы. Больше всего внимания уделяется самому нижнему, пригодному для дыхания слою. Это приют для жизни и одновременно лаборатория, в которой проводит свои эксперименты погода. Мы также поднимемся вверх и пройдем весь путь до границы с космосом; познакомимся с гидросферой, нырнем в глубину океанов и исследуем гигантские насосы, приводящие в действие глобальные течения. В биосфере мы поищем разгадку возникновения жизни и попробуем раскрыть секрет того, как жизнь с момента своего возникновения влияет на нашу планету.

В заключение мы остановимся на том, какое влияние оказывает человек на все системы Земли. В главе 9 расскажем об антропоцене – геологической эпохе, в которой уровень человеческой активности начинает существенным образом влиять на весь земной шар. Глава 10 посвящена величайшей опасности современности, угрожающей самому существованию жизни, – изменению климата. Мы подведем итог нашим знаниям в этой области, расскажем о том, какие проблемы еще не решены, и зададимся вопросом: можем ли мы исправить положение?

Мы надеемся, что эта книга изменит ваше представление о Земле и вы никогда больше не будете относиться к ней как к обычному, заурядному явлению. Не исключено, что вы будете потрясены, познакомившись с нашей планетой поближе.

Джереми Вебб, редактор

Глава 1. Годы становления

Земля и Луна родились из хаоса. Неистовый жар и неукротимое буйство, царившие в Солнечной системе на заре ее возникновения, навсегда скрыли от нас тайну зарождения Земли и летопись ее юных лет. Что мы можем и можем ли вообще что-то узнать о той поре, когда наша планета только начинала формироваться, чтобы превратиться в пристанище и место для эволюции живых организмов?

Уникальное место во Вселенной

Иногда случается, что ничем не примечательное событие приводит к неожиданному результату. Именно так и произошло 4,6 миллиарда лет назад в небольшом рукаве неприметной спиральной галактики.

Обширное облако газа и пыли начало сжиматься в плотный шар. Силы гравитации притягивали к нему все больше и больше вещества, температура и давление в его центре нарастали и наконец выросли настолько, что произошел термоядерный взрыв. От обилия освободившейся энергии в космосе загорелась еще одна звезда.

Как именно начался этот процесс, мы не знаем, но раньше это случалось бесчисленное множество раз, да и образовавшаяся звезда ничего особенного собою не представляла.

Звезда пришла во вращение, притягивая на свою орбиту небольшие соседние тела, которые начали слипаться в комки. Молекулы газа и частицы пыли объединялись, образуя камни и целые глыбы; некоторые из них сталкивались друг с другом, формируя громадные булыжники, которые затем превращались в планетезимали. Гравитация этих объектов возрастала, они привлекали к себе все больше вещества, создавая раскаленные, расплавленные тела – прототипы тех планет, которые мы знаем сегодня.

Образовалось восемь планет, а на третьей из них, считая от Солнца, произошло нечто поистине замечательное. Возникшие на ней условия позволили жизни зародиться и расцвести во всей красе. Процесс увенчался появлением разумной жизни в форме существ, способных задавать вопросы: как образовалась наша планета и как она смогла взрастить жизнь? Эти существа назвали свое ближайшее космическое окружение Солнечной системой, дали звезде имя Солнце, а свою планету нарекли Землей.

Таинственное начало

Такова картина крупными мазками. Временем «нуль» для Солнечной системы считается момент, произошедший 4,567 миллиарда лет назад, а уже 4,55 миллиарда лет назад было сформировано почти 65 % планеты Земля.

Ранний этап образования Солнечной системы ознаменовался бурной и кипучей деятельностью. В течение первых нескольких сотен миллионов лет нередкими были столкновения между населяющими Солнечную систему телами – Земля подвергалась жесткому обстрелу со всех сторон. Примерно 4,53 миллиарда лет назад, когда в основном «картина» была уже написана и краска высыхала на холсте под названием «Малютка Земля», разразилась катастрофа. Земля получила скользящий предательский удар в бок: в нее врезалась другая планета размером с Марс. От удара в космос брызнули осколки, из них со временем образовалась наша спутница – Луна. Энергия столкновения расплавила верхние слои земной коры и полностью изменила геологию планеты. Испарившийся газообразный кремний, не вошедший в состав Луны, сконденсировался и выпал на Землю в виде осадков – лавового дождя. На нашей планете образовалось море из жидких камней, и Земля расплавилась до самого ядра. Формирование твердой поверхности началось заново.

Такова одна из гипотез образования Луны. Как вы увидите позже, она не единственная. Несомненно одно: бурный период в жизни нашей Земли продолжался довольно долго. Закончился он так называемой последней метеоритной бомбардировкой, которая произошла примерно 4,1–3,8 миллиарда лет тому назад. О степени интенсивности и продолжительности этого эпизода в истории Земли ученые ведут дебаты до сих пор.

Неописуемое неистовство происходящих в ту пору событий – одна из причин зияющего пробела в наших знаниях о том, какой Земля могла быть в течение первых 500 миллионов лет. Эта геологическая эпоха называется гадейским эоном по имени Гадеса, или Аида, – бога подземного царства в древней Греции. Слишком мало достоверных сведений, чтобы ученые могли составить четкую картину возможных происшествий в ту пору; некоторые отрывочные сведения можно собрать из физических и химических свойств окружающего нас мира, результатов научных экспериментов, наблюдений других астрономических объектов и компьютерного моделирования.

Наука не стоит на месте. Прямо в этот момент осуществляются исследования, которые позволят ответить на многие из этих вопросов; все время добываются новые данные, проводятся наблюдения и строятся различные модели. Наши знания проверяются и перепроверяются с учетом новых результатов. Часто ученым приходится менять свои, уже устоявшиеся взгляды.

Один из вопросов, на которые до сих пор нет ответа: как получилось, что Земля приобрела так много воды? Ведь она довольно близко к Солнцу и на ней было слишком жарко, чтобы вода могла просто сконденсироваться в газовом облаке в период образования планеты. В любом случае вода должна была испариться при чудовищном столкновении с иным телом, которое привело к образованию Луны. Возможно, вода появилась на Земле позже – например, была занесена во время последней метеоритной бомбардировки ледяными кометами и астероидами из внешних зон Солнечной системы.

Следующий вопрос: когда именно Земля обзавелась корой? Сегодняшняя кора почти полностью состоит из каменных пород, возраст которых не превышает 3,8 миллиарда лет. Это значит, что следов инфернального гадейского периода на поверхности почти не осталось. Большинство древних утесов сильно изменилось под влиянием температуры и давления. Кое-какую важную информацию можно извлечь из крошечных живучих кристаллов – цирконов, сохранившихся до наших дней со времен глубокой древности. В совокупности с постоянно совершенствующимися методами микроанализа они могут помочь ученым добыть знания, которые способны совершить переворот в представлениях об истории ранней Земли.

Есть и еще один способ получить знания о гадейском периоде. Геолого-разведочные работы на Луне и Марсе могли бы прояснить, какой была Земля до великого столкновения. В отличие от Земли на поверхности этих небесных тел можно найти истинно древние породы, потому что они не подвергались повторному плавлению, как это было на нашей планете. Мы можем даже вытянуть счастливый лотерейный билет по геологии – найти кусок от гадейской Земли, отколотый от материнской планеты при ударе астероида и выкинутый в открытое пространство, который впоследствии мог найти себе пристанище на Луне или на Марсе.

Таковы основные сведения о той поре, когда Земля была совсем молодой. Запомним их. А теперь вникнем в суть тех проблем, которые не дают спать по ночам людям, посвятившим себя науке о Земле, а также астрофизикам и специалистам в области палеобиологии.

Наша загадочная Луна

Объяснить происхождение Луны очень трудно. Это поистине большая проблема. Ни одна другая планета в Солнечной системе не может похвастаться спутником, который был бы настолько велик в сравнении с ней, как Луна в сравнении с Землей: размер Луны превышает четверть диаметра Земли. Есть гипотеза, что другие планеты могли захватить свои небольшие спутники, когда они случайно пролетали мимо. Но в случае с Луной этого не могло произойти: она представляет собой слишком большое небесное тело. В 1879 году астроном Джордж Дарвин, сын Чарльза Дарвина, выдвинул другую гипотезу. Он предположил, что молодая Земля вращалась так быстро, что распалась на куски, один из которых отлетел в космос и превратился в Луну.

Эта идея была довольно популярна какое-то время, но в начале XX века впала в немилость: специалисты по планетарной динамике провели расчеты и обнаружили, что этого не могло произойти. Для раскола планеты нужно, чтобы центробежная сила, направленная наружу, была больше гравитационной силы, направленной внутрь; Земля должна была вращаться неимоверно быстро и совершать один оборот за два часа, чтобы сработал этот сценарий.

На смену идее Дарвина пришла гипотеза гигантского столкновения, согласно которой в Землю по касательной врезалось небесное тело размерами примерно с Марс (см. рис. 1.1). На ранних этапах в Солнечной системе был настоящий вихрь из небесных тел; неудивительно, что в какие-то моменты произошли столь колоссальные повреждения.

Тем не менее гипотеза гигантского столкновения не получила подтверждения в ходе анализа камней, привезенных с Луны астронавтами миссии «Аполлон». Если бы эта гипотеза была верна, некоторые лунные камни должны были бы иметь внеземное происхождение и принадлежать небесному телу, которое столкнулось с Землей; но их состав, включая изотопы кислорода, хрома, калия и кремния, оказался идентичен земным камням. Кроме того, некоторые образцы – предположительно, из лунной коры – содержали воду. При гигантском столкновении должно было выделиться тепло, которое расплавило бы камни, и воды бы не осталось.

Рис. 1.1. Верна ли гипотеза происхождения Луны в результате гигантского столкновения?

Но не все потеряно. Если даже не рассматривать чисто умозрительную идею, что внутри Земли взорвался естественный ядерный реактор и выбросил в космос часть планеты, можно путем моделирования показать, что существуют такие типы столкновения, которые могут выдержать критику в свой адрес.

Матия Кук, сотрудница американского института SETI (от англ. Search for Extraterrestrial Intelligence – «поиск внеземного разума») (Маунтин-Вью, Калифорния), и Сара Стюарт из Калифорнийского университета в Дейвисе (Калифорния) установили, что для образования Луны в результате столкновения не обязательно должен был произойти сильный удар по касательной очень массивного тела. Достаточно было того, что в прошлом Земля вращалась быстрее; тогда тело могло быть в два раза меньше Марса, но, столкнувшись с Землей, ударить ее под более крутым углом и вонзиться довольно глубоко в нашу планету. В результате компьютерного моделирования Кук и Стюарт пришли к выводу, что от такого события могло выделиться достаточно много энергии, чтобы на земную орбиту от взрыва выбросился шлейф, состоящий из чисто земных каменных пород. Тогда изотопный состав Луны и не должен отличаться от земного.

Еще одну версию гигантского столкновения, но в более «легкой» форме, предложила Робин Кэнап – американский астрофизик и планетолог из Юго-Западного исследовательского института (Боулдер, Колорадо). Она рассмотрела случай медленного столкновения двух планет, каждая из которых примерно в два раза меньше Земли. В результате слияния тел образовалась наша планета, а на долю Луны остались «отходы». Таким образом, и Земля, и Луна могли образоваться из одних и тех же ингредиентов.

Ад на Земле?

Хаос, существовавший на ранних этапах в Солнечной системе, был поистине неописуем. Тела разных размеров то и дело сталкивались друг с другом. Не только наша планета испытывала сильные удары. Чтобы понять, насколько сильно небесные тела молотили друг друга, достаточно посмотреть на лунные кратеры. На Земле мы не видим подобного урона, потому что следы от вмятин были сглажены ветрами, дождями и процессами жизнедеятельности в растительном мире.

Анализ камней, доставленных с Луны астронавтами миссии «Аполлон», показал, что наиболее интенсивные удары Земля испытывала во время последней метеоритной бомбардировки. Ученые полагают, что и до, и во время этой бомбардировки Земля была жгучей адской бездной. Слишком высокая температура и отсутствие влаги не предполагали наличия жизни в какой-либо форме. Условия немного улучшились только в тот момент, когда закончилась бомбардировка метеоритами и наступил архейский эон (см. главу 2). И только тогда жизнь на Земле начала постепенно завоевывать себе позиции.

Однако в последние годы гипотеза последней метеоритной бомбардировки начала подвергаться сомнениям с разных сторон. Наиболее радикальные высказывания сводятся к тому, что данные, свидетельствующие о сильной бомбардировке Луны метеоритами, могли быть неверно истолкованы: все зависит от того, как трактовать найденные астронавтами образцы.

Образцы грунта были собраны из разных мест на Луне. Тем не менее исследователи считают, что все эти образцы могут быть следствием одного и того же события – при ударе или ударах метеоритами, в результате чего возник Бассейн Дождей – большое темное пятно на лунной поверхности, которое является частью иллюзорной картинки под названием «Человек на Луне». Все эти фрагменты могут быть следствием одной бомбардировки: камни разлетелись по лунной поверхности и создали впечатление многочисленных соударений, хотя на самом деле таких соударений могло быть гораздо меньше. Если бомбардировка была не слишком интенсивной, на молодой Земле могли существовать не такие уж адские условия.

Свидетельства о том, что в гадейский период на Земле существовали более мягкие условия, чем первоначально считалось, приходят также и из других источников. Возьмем самых крошечных свидетелей – цирконы. Эти прочные кристаллы из силиката циркония, в длину не превышающие миллиметра, относятся к старейшим образованиям на Земле. Они выживут, если их прожарить при температуре 1600 °C, и не раскрошатся, долго пролежав в русле реки с бурным течением. Геологи особенно ценят их за то, что они способны уцелеть в толще осадочных отложений, даже если на них сверху давит не одна тонна, и не подвергнутся никаким метаморфозам или плавлению. Другие вещества на это не способны.

Цирконы можно найти повсюду. Они встречаются почти во всех типах гранитов, которые образуются при переплавлении породы внутри Земли. Потом эти граниты поднимаются на поверхность и охлаждаются. При отвердевании гранита содержащийся в расплавленном материале цирконий захватывает силикаты – соли кремниевых кислот – и кристаллизуется в виде цирконов. Их часто можно найти в осадочных породах, подвергшихся эрозии, в результате чего они освобождаются из исходных гранитов.

В Западной Австралии есть холмы под названием Джек Хиллс. Возраст этих скал около 3,7 миллиарда лет. В этих холмах были найдены цирконы, которые и заставили усомниться в обоснованности первоначального вердикта, вынесенного гадейскому периоду. Возраст этих цирконов, определенный по методу радиоактивного распада урана (см. главу 2), оказался еще больше, чем возраст самих холмов. Для одного циркона, например, получена оценка в 4,4 миллиарда лет. Это значит, что вещества в твердом виде существовали на поверхности Земли уже через 200 миллионов лет после ее рождения.

Более того, ученые нашли внутри цирконов включения посторонних веществ – следы кварца, слюды и полевого шпата. Это означает, что цирконы образовались из расплавленных, преобразованных осадочных отложений, которые могли изначально напоминать жидкую грязь или глину. Проведенный анализ показал, что древние цирконы содержат высокие концентрации изотопа кислород-18. Если сравнивать разные породы, то те из них, что образуются при низкой температуре во влажных условиях, как раз и стремятся поглощать больше кислорода-18.

Этот вывод подтверждается и оценками содержания других элементов в цирконах. Складывается впечатление, что 4,4 миллиарда лет тому назад Земля была вовсе не океаном из магмы, а твердым, прохладным и влажным миром. Моря, озера и океаны должны покоиться на твердой поверхности; скорее всего, земная кора образовалась довольно рано, а если на Земле была жидкая вода, то должна была быть и плотная атмосфера – в противном случае вода испарилась бы с поверхности. Ад на Земле нежданно-негаданно обернулся вполне животворным местом.

Когда возникла жизнь?

Идея о том, что условия на Земле в гадейский период были более холодными и влажными, чем первоначально считалось, перекликается с полученными недавно – хотя и не бесспорными – свидетельствами о существовании первых живых организмов.

Вернемся снова в Западную Австралию. На побережье Пилбара, к северу от холмов Джек Хиллс, обнаружены окаменелости, содержащие надежные данные о том, что первые живые организмы появились на Земле 3,43 миллиарда лет тому назад. В скалистых породах Юго-Западной Гренландии были найдены химические признаки еще более древних форм жизни, которые могли возникнуть 3,8 миллиарда лет назад, – но эти сведения считаются не вполне достоверными.

В 2015 году исследователи Элизабет Белл и Марк Харрисон из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе совместно с коллегами объявили о том, что нашли углерод в форме органического соединения внутри циркониевого кристалла. Группа ученых проанализировала более 10 000 цирконов, относящихся к гадейскому и архейскому эонам. В одном из гадейских кристаллов, найденных в холмах Джек Хиллс, они обнаружили крошечные крупинки, или включения, графита. Этот графит мог попасть внутрь циркона при его формировании порядка 4,1 миллиарда лет назад.

Ученые исследовали изотопы углерода в двух таких графитовых включениях и обнаружили, что для них характерны высокие отношения изотопа углерод-12 к изотопу углерод-13. Это является свидетельством их биологического происхождения, потому что живые организмы преимущественно поглощают углерод-12.

Общий химический состав кристаллов циркона подразумевает, что они образовались из охлажденной магмы, которая возникла при плавлении богатых илом осадочных отложений. Именно такая среда благоприятна для сохранности органических остатков.

В 2017 году Мэттью Додд из Университетского колледжа Лондона и его коллеги сообщили о находке еще более древней жизни, обнаруженной ими в окаменелостях, возраст которых близок к гадейскому периоду. Окаменелости были собраны в Зеленокаменном поясе Нуввуагиттук – на восточном побережье Гудзонова залива в северной части провинции Квебек (Канада). Их возраст составляет по крайней мере 3,75 миллиарда лет, хотя некоторые геологи утверждают, что им не менее 4,28 миллиарда. Таким образом, эти находки немногим моложе, чем сама наша планета.

Как и все камни такого рода, они подверглись значительным изменениям за время своего существования. Часть времени они провели глубоко внутри Земли, где под влиянием высоких давлений и температур свыше 50 °C хорошо согревались и сильно деформировались. У геологов есть основания считать, что эти камни образовались на дне первых земных океанов в присутствии древних глубоководных гидротермальных источников.

Додд основывает свое утверждение на анализе пород, богатых железом, которые возникли вокруг относительно «холодных» (с температурой менее 160 °C) подземных источников. Эти породы содержат микроскопические волокна и трубчатые структуры оксида железа – подобные структуры образуются в результате деятельности бактерий, колонии которых обитают и в настоящее время в подложках вблизи глубоководных гидротермальных источников.

Более того, вещество поблизости от этих волокон содержит углерод с высоким отношением углерода-12 к углероду-13, что также говорит об органическом происхождении. Частично этот углерод находится внутри кристаллов, состоящих из богатых фосфором минералов. И это тоже намекает на следы жизнедеятельности первых микроорганизмов: фосфор, освобождаемый при распаде этих существ, может встраиваться в минералы.

Если удастся подтвердить полученные находки, сроки возникновения жизни на Земле можно будет отодвинуть и считать, что жизнь произошла 4,29 миллиарда лет назад. Итак, Земля могла быть заселена на удивление рано, еще до последней метеоритной бомбардировки. Кроме того, это будет означать, что жизнь возникла вокруг глубоководных источников, где очень мало или вообще нет солнечного света, то есть организмы должны были извлекать энергию из геотермальных процессов. Такой вывод помог бы согласовать геологические сведения и результаты генетических и биохимических исследований, которые указывают, что жизнь появилась в глубоких гидротермальных областях, а не в мелководных и залитых солнечным светом местах, где находят много древних ископаемых остатков (см. главу 8).

Однако вопрос о том, когда именно возникла жизнь, еще не закрыт. Ни одно из исследований не является на 100 % убедительным. Группа Харрисона признает, что существуют также и неорганические пути, которые могли привести к повышенному содержанию легкого изотопа углерода в гадейских условиях. И чрезвычайно удивительно, что хрупкие микроскопические структуры, найденные Доддом, выжили в породах, которые подвергались действию высоких температур и давлений глубоко под землей.

Новый взгляд

Стоило нам вообразить, что история юной Земли выплывает из тумана, как появились новые данные, которые дают понять, что не все так просто.

Дональд Лоу из Стэнфордского университета (Калифорния) и его коллеги сорок лет занимались исследованиями древних скалистых образований в восточной части Южной Африки – поясе Барбертон. Двадцать пять лет назад они нашли четыре слоя сферических частиц, которые, по-видимому, сконденсировались из облаков испарившихся камней. Лоу говорит, что это следы четырех крупных ударов метеоритов, которые произошли в промежутке от 3,5 до 3,2 миллиарда лет назад. В 2014 году эта группа исследователей сообщила еще о четырех слоях, относящихся к тому же периоду. По мнению ученых, эти восемь крупных метеоритных ударов, которые имели место в течение 250 миллионов лет, указывают на то, что последняя метеоритная бомбардировка длилась дольше, чем принято думать, и сошла на нет только примерно 3 миллиарда лет тому назад.

Такие сильные удары превосходят все, что испытывала Земля с момента появления многоклеточных животных. От удара астероида, приведшего к гибели динозавров, остался слой сферических частиц (сферул) толщиной в несколько миллиметров. Слои, которые открыл Лоу, имеют толщину от 30 до 40 сантиметров. Это значит, что астероиды, падавшие на Землю, имели поперечники по крайней мере 20 километров; возможно, некоторые из них были еще больше, превышая 70 километров. Если бы сейчас Земля испытала подобные удары, на планете почти не осталось бы ни животных, ни растений; но в то время вся жизнь была сосредоточена в водной стихии, к тому же она была одноклеточной.

Лоу считает, что один из таких мощных ударов мог нагреть атмосферу до сотен градусов Цельсия и испарить верхний слой океана толщиной 100 метров. На противоположной стороне планеты микробы могли благополучно пережить возникшие при этом цунами и дожди из раскаленных камней. Но некоторым группам организмов, таким как фотосинтезирующие бактерии, которым нужно было много света и которые обитали вблизи поверхности океана, пришлось особенно скверно.

Вода, повсюду вода

Если вода существовала на Земле во время гадейского периода, то возникает вопрос: откуда она появилась? Конечно, Солнце в те незапамятные времена было не таким жарким, как сейчас, но даже под его лучами наверняка бы испарился весь лед из первозданного облака, давшего начало Земле. Планетологи были склонны считать, что воду занесло позже небесными посланниками и посланницами – метеоритами и кометами. Однако последние исследования говорят о том, что это не так.

На вопрос о том, откуда на Земле взялась вода, помогает ответить соотношение концентраций двух изотопов водорода: дейтерия, называемого также тяжелым водородом, и нормального водорода. В зависимости от источника воды оно будет отличаться. Сравнивая это соотношение в метеоритах и в старейших водных резервуарах Земли, мы можем определить, действительно ли у этой воды общее происхождение.

В древности океаны почти наверняка потеряли часть более легких изотопов водорода, поэтому исследователи для чистоты эксперимента обратились к воде, извлеченной из древних вулканических базальтовых пород с острова Баффинова Земля в Канадской Арктике. Эти породы содержат крошечные стекловидные включения, которые, по-видимому, образовались 4,5 миллиарда лет назад внутри мантии Земли – в слое, расположенном под земной корой. Их возраст сравним с возрастом самой Земли, а внутри содержатся молекулы водорода, которые обязаны своим происхождением такой же древней воде.

Эти включения содержат на удивление мало дейтерия – почти на 22 % меньше, чем в сегодняшней морской воде. То есть первоначально наша вода была очень бедна дейтерием – скорее всего, ее источником были не метеориты, потому что в метеоритах это соотношение изотопов водорода обычно выше. Из полученных результатов следует, что вода должна была возникнуть в облаке, сгущение которого привело к образованию Солнца и планет.

С этим выводом согласуются и теоретические исследования, согласно которым молекулы воды могли крепко цепляться за слипающиеся частицы пыли даже в условиях жаркого климата формирующейся Земли.

В последние годы ученые также обнаружили, что глубоко в недрах Земли содержится намного больше воды, чем можно было ожидать. Частично эта вода могла подняться наверх, на поверхность. По оценкам, объем внутреннего резервуара может в три раза превышать объем Мирового океана. Внутренний резервуар залегает в голубой породе, называемой рингвудитом. Этот минерал – силикат магния – образуется в мантии при температурах и давлениях, соответствующих глубине 600 километров.

Есть и такие исследования, которые показывают, что этот резервуар – далеко не самый глубокий. В лавовых потоках найдены алмазы с включениями гидроксильных ионов, которые являются верным признаком наличия воды. Они образуются на глубине около 1000 километров, что говорит о возможности циркуляции воды в глубоких слоях мантии.

Беспокойная кора

Сейчас мы знаем, что Земля покрыта несколькими большими жесткими плитами, которые постоянно движутся и трутся друг о друга. Этот процесс зовется тектоникой плит, или платформ (см. главу 4). Земные породы постоянно перемешиваются и преобразуются, без этого у планеты не было бы стабильного климата, а также запасов нефти и минералов, от которых зависит наша жизнь.

Земля – единственная известная нам планета, на которой происходят тектонические процессы такого рода. Почему это так? Моделирование показывает, что для развития тектоники планета должна быть нужного размера: если она слишком мала, то ее литосфера – твердая часть коры и верхняя часть мантии – будет слишком толстой. Если же планета слишком большая, то ее гравитационное поле накрепко прижмет друг к другу любые плиты, удерживая их вместе. Должны выполняться и некоторые другие условия: породы на поверхности планеты не должны быть ни слишком горячими, ни слишком холодными, ни слишком влажными и ни слишком сухими.

Наши знания о том, какова могла быть кора у юной Земли, основаны на процессах, которые мы наблюдаем сегодня. Если говорить об океанической коре, то мы видим, что сейчас она формируется в срединно-океанических хребтах, где расплавленная порода из мантии вытекает наверх и распространяется по поверхности. Образуются породы, богатые твердым черным базальтом, – из таких пород состоят Гавайские острова, которые имеют вулканическое происхождение.

Другое дело – континентальная кора. Она, как правило, состоит из пород типа гранита, которые образуются при погружении базальта вглубь, его плавлении и дальнейшем преобразовании. Во время этих процессов гранит обогащается кремнеземом, алюминием и более легкими металлами. Гранит менее плотный, чем базальт, поэтому он располагается в мантии выше, чем океаническая кора.

Там, где встречаются эти два типа коры – например, на краях океанических бассейнов, – холодное и плотное дно океана вместе с большим количеством воды, грязи и ила погружается под более легкую континентальную кору и затем в мантию; этот процесс называется субдукцией.

Но вернемся к прошлому. Очень важно получить ответ на вопрос, когда и как литосфера треснула так, что часть коры впервые поднырнула и погрузилась под другую ее часть. Из-за неразберихи с гадейским периодом количество необходимых сведений остается весьма скудным. Но все же благодаря опубликованным в 2016 году геохимическим исследованиям цирконов и пород возрастом порядка 4 миллиардов лет, найденных в северо-западной части Канады, можно сказать, что в то время на поверхности Земли не было континентальной коры, а было нечто, больше похожее на базальтовую океаническую кору. Если это подтвердится, то тектоники плит в том виде, в каком мы ее знаем, во времена гадейского периода еще не было.

Бытует мнение, что Земля в течение первых 2 миллиардов лет обладала тонкой базальтовой коркой, погруженной в воду. Кое-где из воды выступали цепочки вулканов, и это была единственная суша на планете. Вулканы изрыгали водяной пар и газы, такие как углекислый газ, сернистый газ и хлористый водород, создавая плотную атмосферу.

Остается неясным, как именно появились первые трещины в этой коре. Шлейф горячего вещества из мантии мог пробить кору и сделать в ней первое отверстие; возможно, спусковым крючком послужил удар астероида или кометы: они могли пробить поверхностный слой и создать цепочку событий, которые привели в движение первые тектонические плиты.

Когда это произошло? Одна из оценок основана на исследованиях офиолитов – редких осколков древней океанической коры, которые не погружаются в мантию, а, наоборот, поднимаются в верхнюю часть континентальной коры в зоне субдукции. В 2007 году было проведено исследование офиолита из Гренландии, возраст которого оценен в 3,8 миллиарда лет. Эта оценка начала тектонической деятельности является самой древней.

Наблюдаем за другими мирами

С помощью наблюдений Ио, спутника Юпитера, мы можем понять, как у Земли появилась ее кора. Некоторые ученые считают, что на заповедной Земле клокотал океан магмы; по-видимому, все планеты прошли через эту фазу развития. Но как бурление магмы сменилось движением тектонических плит?

На Ио нет тектоники плит, но там много действующих вулканов, которые переносят тепло из внутреннего слоя на поверхность. Тепло выходит на поверхность через тепловые трубки – своеобразную систему вулканического теплоснабжения, которая перемещает горячую расплавленную породу, или магму, на поверхность через относительно узкие каналы. Лава, распространяясь по поверхности, охлаждается и образует новый слой коры, на который позже наслаивается вещество от более свежих извержений. Со временем с помощью тепловых трубок создается толстый верхний слой коры. На Ио эта кора очень мощная – она поддерживает горы высотой более 20 километров.

Уильям Мур из Университета Хэмптона в Вирджинии и Александр Уэбб из Университета штата Луизиана (Батон-Руж, США) построили модели тепловых трубок – вроде тех, которые существуют на Ио, – и применили их к процессам, происходящим на молодой Земле, чтобы исследовать состав возникающих при этом пород и поведение коры. Полученные результаты они сравнили с самыми древними породами, известными на Земле, включая алмазы и цирконы возрастом 3 и 4,3 миллиарда лет соответственно.

Ученые пришли к выводу, что пока Земле не исполнилось 3,2 миллиарда лет, она вполне могла успеть избавиться от избыточного тепла через систему тепловых трубок, подобных трубкам на Ио. Земля тогда представляла собой совершенно голый и пустынный мир, и только в некоторых местах на ее поверхность выходили эти трубки. Ученые предполагают, что Земля в конце концов настолько остыла, что тепловые трубки захлопнулись, в горячей мантии возникло напряжение и она оказалась запертой под колпаком у коры. Согласно этой версии событий, под действием напряжений, нарастающих в конвекционных потоках мантии, внешняя оболочка сломалась и начались тектонические процессы плит.

Как менялась наша планета

За последние 4,5 миллиарда лет абсолютно все на нашей планете – от атмосферы до ядра – претерпело очень сильные изменения. Даты могут меняться в зависимости от результатов новых исследований.

4,567 млрд лет назад

Солнечная система образуется из вращающегося газового облака.

4,55 млрд лет назад

Земля формируется как планета на 65 %.

4,53 млрд лет назад

Луна возникает в результате катастрофического столкновения.

4,4 млрд лет назад

Найденные цирконы указывают на то, что на Земле уже имеются твердая поверхность и жидкая вода.

4,29 млрд лет назад

Химические вещества, найденные в цирконах, предполагают наличие жизни.

4,28 млрд лет назад

Возраст самых древних целых пород, найденных на севере Квебека (Канада).

4,1–3,8 млрд лет назад

Земля и Луна подвергаются ударам последней метеоритной бомбардировки.

3,8 млрд лет назад

Офиолит из Гренландии как самое раннее подтверждение тектоники плит.

3,43 млрд лет назад

Первое свидетельство о бактериальной, или архейской, жизни.

3,4 млрд лет назад

По-видимому, уже существуют фотосинтезирующие бактерии.

2,8 млрд лет назад

Фотосинтезирующие бактерии начинают выделять кислород.

2,4 млрд лет назад

Происходит кислородная катастрофа – большинство живых организмов вымирает.

2,3 млрд лет назад

Первое оледенение на Земле (Земля-«снежок»).

2 млрд лет назад

Появляются эукариотические клетки.

1,82 млрд лет назад

По-видимому, формируется первый суперконтинент.

1,5–1 млрд лет назад

Начинает отвердевать земная кора.

1,2 млрд лет назад

Развиваются красные и бурые водоросли.

1130–750 млн лет назад

На Земле существует гипотетический суперконтинент Родиния.

900 млн лет назад

Появляются первые многоклеточные животные.

750 млн лет назад

Появляются зеленые водоросли.

717 млн лет назад

Происходит стуртианское оледенение – самое мощное на Земле.

650 млн лет назад

Происходит оледенение Марино.

600–542 млн лет назад

Появляются загадочные эдиакарские организмы.

541 млн лет назад

Кембрийский взрыв: начало глубокой диверсификации животного мира.

500 млн лет назад

Развиваются первые наземные растения.

445 млн лет назад

Позднее ордовикское массовое вымирание.

375–360 млн лет назад

Позднее девонское массовое вымирание.

336–173 млн лет назад

Появляется гипотетический суперконтинент Пангея.

252 млн лет назад

Массовое вымирание в конце пермского периода – величайшее в истории планеты.

201 млн лет назад

Массовое вымирание в конце триасового периода.

66 млн лет назад

Падение Чиксулубского астероида на полуостров Юкатан в Мексике с разрушительными последствиями.

65 млн лет назад

Мел-палеогеновое массовое вымирание, гибель динозавров.

55 млн лет назад

Палеоцен-эоценовый термический максимум, тепловая волна в Арктике.

5,33 млн лет назад

Атлантический океан наводняет Средиземноморский бассейн.

320 000–100 000 лет назад

Появляются люди современной анатомии.

Глава 2. Долгая поступь времени

Ранняя пора существования Земли была отмечена удивительными, хотя и неспешно происходившими событиями, которые совершались на протяжении сотен миллионов лет. С трудом можно представить себе тот медленный темп, в котором разворачивалось большинство геологических процессов на Земле. Здесь мы совершим прыжок в бездну времен, попробуем измерить их протяженность и выделить несколько поворотных пунктов в истории Земли, по которым прошла наша планета на своем долгом пути развития.

Вглубь времен

В июне 1788 года шотландский геолог Джеймс Хаттон поехал в местечко Сиккар-Пойнт на побережье Бервикшира. С собой он пригласил своих коллег Джона Плейфейра и Джеймса Холла. Для непосвященных скалистый мыс был ничем не примечателен – казалось, он стоял здесь вечно в неизменном виде. Но у Хаттона был иной взгляд на эти камни: он пришел к выводу, что слои, видимые в скальном грунте, образовались под морским дном из остатков более древних пород, а затем поднялись наверх.

Скалы поведали Хаттону о последовательности событий, которые он истолковал как невероятно медленные геологические изменения, происходящие в течение умопомрачительно больших отрезков времени. Угловое расхождение в напластовании слоев породы различных типов и ориентаций могло сформироваться только в течение десятков миллионов лет (см. рис. 2.1). Эти наблюдения имели решающее значение для Хаттона, который выдвинул теорию постепенной эволюции Земли и разработал революционную концепцию о «глубоком времени» – неизмеримых по своей протяженности геологических эпохах.

Рис. 2.1. Пласты скальных пород способны рассказать о своем возрасте и поведать историю о том, как они произошли и что с ними случилось после.

По мнению Хаттона, возраст Земли исчислялся несколькими миллионами лет. Это был совершенно новый подход к летоисчислению, потому что чуть более века назад примас всей Ирландии, архиепископ Джеймс Ашшер, определил из Библии и других источников совершенно точную дату творения мира – воскресенье, 23 октября 4004 года до нашей эры. Исаак Ньютон, кстати, не был с ним согласен: он считал, что Бог создал Землю в 3988 году до нашей эры.

Понятие о темных веках геологического летоисчисления шло вразрез со здравым смыслом. Впрочем, так же, как и сейчас. В конце концов, как говорил Джон МакНилл – экологический историк из Джорджтаунского университета в Вашингтоне (округ Колумбия, США), – человеку свойственно при измерении длительности различных процессов сравнивать их с продолжительностью жизни самого человека; это является нормальным и естественным способом мышления. Благодаря героическим усилиям Хаттона и других ученых, пришедших после него, мы теперь знаем, что Земле около 4,56 миллиарда лет – почти немыслимый возраст.

Концепция геологического времени оказала и продолжает оказывать огромное влияние на развитие исторических наук: геологии, эволюционной биологии и космологии. Если бы не было этого определения, мы не смогли бы понять, что ряд процессов, будь то выветривание горных пород, формирование гор или эволюция видов, обычно происходит на таких временных масштабах, что их нельзя заметить в течение жизни одного человека.

Поездка на мыс Сиккар-Пойнт побудила Плейфейра написать: «Когда заглядываешь в такую бездну времени, испытываешь настоящее головокружение». Странные мимолетные видения из темного прошлого, принявшие вид морских окаменелостей, воздвигнутых высоко над морской гладью; с ними трудно смириться, так и хочется стереть их из памяти. Как сказал МакНилл: «Для меня это означает, что мы все являемся частью невообразимо длинной цепи существования, включающей в себя как человеческий род, так и нечеловеческие создания, и наши тяжкие потуги на этом фоне ломаного гроша не стоят».

Расшифровка скалистых записей

Геологи могут проследить историю Земли на протяжении почти 4,56 миллиарда лет. Они делят этот обширный промежуток на интервалы, которые отмечают основные вехи в геологическом летоисчислении. Раньше геологи называли эти интервалы по породам, образованным в соответствующий промежуток времени; но сведений о том, когда начинались и заканчивались эти эпохи, еще не было. Проставлять даты и создавать точную шкалу времени пришлось последующим поколениям ученых.

Под действием воды и ветра осколки древних пород и другие обломки камней образуют наносы, которые спрессовываются в осадочные горные породы – так они участвуют в грандиозном повторяющемся цикле преобразования камней на планете. Когда-то первые геологи обнаружили, что эти осадочные породы расположены слоями, в которых новое вещество накоплено поверх более старого. Уильям Смит, английский исследователь угольных месторождений и каналов начала XIX века, признал, что эти слои – или пласты – образуют правильные структуры в скалах и что чем глубже скала лежит под землей, тем более древними являются эти образования.

Конечно, не все так просто. В последовательно расположенных осадочных породах встречаются щели, или разрывы, где породы по какой-то причине не образовывались или были подвергнуты эрозии. И не все типы пород создают аккуратные слои. Породы вулканического происхождения образуются, когда расплавленная порода – магма или лава – затвердевает, и если при этом появляются слои, то они часто бывают неровными. Метаморфические породы образуются, когда температура и давление внутри Земли изменяют существующие породы так сильно, что появляются новые минералы. Движения в земной коре могут даже загибать старые осадочные слои таким образом, что они появляются поверх более молодых отложений.

Геологи, внимательно исследуя такие изгибы, строят стратиграфическую шкалу – разновидность геохронологической шкалы времени, – изучая и сопоставляя пласты на обширных территориях. Чтобы установить мировые корреляции, они используют события, которые оставляют заметные следы в одно и то же время на больших площадях. Одним из примеров является богатая иридием пыль от удара астероида, причастного к гибели динозавров в конце мелового периода (см. рис. 2.2). Более частый случай – крупные вулканические извержения, которые рассеивают пепел на больших площадях; пепел часто имеет отличительные химические признаки.

Окаменелости также являются полезными указателями. Идеальной для датирования эпохи является окаменелость, характеризующаяся повсеместным распространением и быстрым эволюционированием. Например, трилобиты широко используются для датирования кембрийского периода. На Земле существовало много разновидностей трилобитов, одни из них развивались раньше, другие позже; вымирали они тоже в разное время. Любой камень, который содержит определенную комбинацию этих окаменелостей, должен был сформироваться в определенном промежутке времени, когда жили эти существа. Исчезновение многих видов окаменелостей после массовых вымираний тоже является хорошим ориентиром.

Рис. 2.2. Геологическая шкала времени представляет собой иерархическую последовательность разных периодов. Границы между ними определяются различными маркерами, включая исчезновения видов.

Еще один современный указатель – слабое магнитное поле, характерное для некоторых пород. Остаточный магнетизм пород вулканического происхождения показывает, каким было направление магнитного поля Земли во время затвердевания этих пород. К счастью для геологов, северный и южный магнитные полюса планеты много раз менялись местами за ее историю. Периоды нормального и обратного магнетизма различаются по длительности, поэтому они образуют характерную картину, которую можно использовать для сопоставления последовательностей пород со всего мира.

С помощью таких указателей геологи могут расположить последовательности пород в нужном месте на стратиграфической шкале. Они также сравнивают последовательности пород одного и того же возраста по всему миру и выбирают те из них, которые являются наиболее полными, имеют четко выраженные слои залегания и содержат наиболее полезные окаменелости. Так выбираются «разрез» и «точка» глобального стратотипа границы между геологическими периодами или вбивается «золотой гвоздь» для этой границы (см. главу 9).

Радиометрическое датирование

Правильно расположить последовательности пород на стратиграфической шкале – это еще полдела. Нужно сопоставить каждую последовательность со своей хронологической датой. Лучшим способом для определения возраста горных пород является радиометрическое датирование, основанное на распаде радиоактивных изотопов.

Естественные часы, используемые геологами, представляют собой «период полураспада» этих изотопов – время, которое требуется для того, чтобы половина ядер в образце распалась. Допустим, период полураспада некоторого элемента составляет 100 лет, а у нас есть миллион атомов этого изотопа; тогда через 100 лет останется только половина атомов, а еще через сто лет – половина от этой половины, то есть одна четверть. Таким образом с течением времени порода будет содержать меньше атомов исходного радиоактивного изотопа и больше атомов тех изотопов, на которые этот исходный изотоп распадается.

Геологическое датирование осуществляется с помощью достаточно распространенных радиоактивных изотопов, которые имеют очень долгий период полураспада, сопоставимый с возрастом самих пород. Можно использовать семейства изотопов урана и тория, которые в итоге распадаются на свинец. Наиболее распространенным элементом является уран-238 с периодом полураспада 4,5 миллиарда лет, результатом которого становится свинец-206. Хорошей точностью радиометрического датирования считается 0,25 %, когда возраст определяется с точностью до 250 000 лет для событий, происшедших 100 миллионов лет назад. Полученные таким образом даты позволили геологам провести точную хронологическую калибровку для ряда точек на геологической шкале времени.

Каким бы действенным ни был метод радиометрического датирования, у него есть важное ограничение: с его помощью нельзя определить точную дату отложения осадочных пород. Но даже здесь можно добиться определенных успехов, учитывая, что потоки лавы моложе, чем породы, по которым они протекали, и старше, чем осадочные породы, осевшие сверху. Лава – магматическая порода, подходящая для радиометрического датирования, и ее вполне можно использовать для определения хронологического возраста.

Иерархия датирования

Когда создавалась геологическая шкала времени, ученые датировали начало кембрийского периода по окаменелостям, свидетельствующим о наличии жизни. Все, что было раньше, назвали «докембрий». Позднее геологи нашли следы жизни и в докембрийской эре, но не стали сдвигать границу между кембрием и докембрием. Эта граница теперь отмечает появление животных с твердым панцирем.

Докембрий считается суперэоном и включает в себя три древнейших эона – самые длинные интервалы на геологической шкале времени. Это гадейский, архейский (что означает «зарождение») и протерозойский («ранняя жизнь») эоны. За ними последовал фанерозой («видимая жизнь»). Этот эон начался 541 миллион лет назад, и мы до сих пор в нем живем.

О фанерозойском эоне у геологов имеется гораздо больше сведений, чем о трех предыдущих. Поэтому фанерозой подразделяется на три эры: палеозойскую («ранняя жизнь»), мезозойскую («средняя жизнь») и кайнозойскую («современная жизнь»). Когда геология как наука только зарождалась, ученые ввели эти подразделения, руководствуясь наблюдениями изменений в окаменелостях. Теперь мы знаем, что на временно́й шкале существует несколько четких границ, которые отмечают глобальные вымирания – огромное количество видов исчезало за одно мгновение с геологической точки зрения.

Безусловно, самое массовое вымирание произошло в конце палеозойской эры при окончании пермского периода. Погибло около 80–90 % наземных и морских видов животных. Но исчезнувшая фауна проложила дорогу динозаврам, эволюция которых привела к тому, что они господствовали на планете Земля в мезозойскую эру. Динозавры, за исключением птиц, вымерли 65 миллионов лет назад в конце мезозойской эры, после того как астероид врезался в нашу планету. Это в свою очередь привело к процветанию первых млекопитающих, включая приматов.

Эры подразделяются на периоды, которые в основном получили свои названия в честь характерных скал или областей, в которых были найдены материальные свидетельства из соответствующего периода. Особенно поднаторели в этом деле британские геологи: кембрийский период был назван ими в честь латинского названия Уэльса – Кембрии; ордовикский и силурийский периоды названы в честь валлийских племен. Породы, характерные для девонского периода, были найдены, как вы уже догадались, в Девоне.

Периоды длятся в течение десятков миллионов лет, поэтому геологи делят их на еще более мелкие промежутки, называемые эпохами. Большинство из них важны только для специалистов, за исключением кайнозойской эры, где названия эпох широко используются благодаря хорошей точности в определении дат по более молодым породам. Эпохи становятся короче по мере приближения к настоящему моменту: чем ближе к современности, тем больше наши знания о последних событиях. Голоценовая эпоха охватывает только последние 11 000 лет – по сути, время, прошедшее с тех пор, как последние великие ледяные щиты растаяли в Европе и Северной Америке.

Как выглядела Земля в различные эоны

У Земли долгая история, в течение которой она прошла через удивительные преобразования. Все эффектные географические особенности, существующие на Земле сегодня, – ничто по сравнению с ее прошлым. Вот семь чудес нашего всеми забытого мира.

Реки глубоки, горы высоки (1 миллиард лет назад)

Миллиард лет назад, когда земные массивы Земли были единым суперконтинентом под названием «Родиния» (см. главу 5), мир был совершенно другим. Вся жизнь тогда была одноклеточной и существовала только в водной стихии, поэтому огромные просторы Родинии были совершенно бесплодными. Но отсутствие у Родинии биологического изобилия компенсировалось ее обширными речными системами и горными цепями (см. рис. 2.3).

Рис. 2.3. Разветвленные речные системы – подобные тем, которые были найдены в Арктике, – когда-то покрывали всю Родинию.

Около 1,2 миллиарда лет назад произошла «сборка» суперконтинента Родиния из фрагментов континентальных блоков; при этом большие куски коры поднялись, так же как это происходит сейчас при столкновении Индийской и Евразийской плит, в результате чего рождаются Гималаи. Горы в Родинии были, вероятно, не выше, чем сегодняшние. По словам геолога Дэвида Роули из Чикагского университета, выветривание разрушает горы по мере их образования, а гравитация определяет нагрузку, которую может выдержать земная кора, не испытывая прогибания. Если принять это во внимание, станет ясно, что высота горы Эверест – максимально возможная на Земле.

Если посмотреть на горы Родинии с другой стороны, то они действительно необычны. Сложите в длину горные цепи: Анды, Скалистые горы, Гималаи, Альпы, Атласские горы и Урал, – и вы получите представление о длине главной горной цепи Родинии. По словам Роберта Рейнберда из Геологической службы Канады в Оттаве, горный хребет тянулся через весь суперконтинент, а его длина составляла от 15 000 до 20 000 километров. Разрушенные остатки этого хребта все еще можно найти в Северной Америке и Европе, включая части Аппалачских гор и нагорья Шотландии.

Подобно тому, как горные хребты, такие как Анды и Гималаи, порождают великие реки в наше время, реки Родинии также рождались в горах. Но была существенная разница. Рейнберд считает, что поскольку не было никакой растительности, которая могла бы сдерживать реки в их движении, они просто беспрепятственно текли через пустынный ландшафт. Подобные речные системы, разветвленные на множество более мелких каналов, существуют сегодня на свободных от растительности возвышенностях Арктики, но на Родинии такие структуры отличались бо́льшим масштабом. Они были намного длиннее и шире, чем Амазонка, и питали безбрежные внутренние моря, превосходящие по величине любые сегодняшние моря на Земле, утверждает Рейнберд. Он и его коллеги обнаружили в разных концах Северной Америки, а также в Индии, Антарктиде, Скандинавии и Сибири осадочные отложения протяженностью 3000 километров, оставшиеся от гор Родинии.

Около 750 миллионов лет назад Родиния начала распадаться на части, при этом ломался и обширный горный массив. Примерно 300 миллионов лет назад массивные части суши снова собрались вместе и образовали новый суперконтинент – Пангею. К этому времени земля была уже покрыта растительностью. Таким образом, хотя на Пангее также могли быть длинные горные хребты, великие реки Родинии, возможно, являлись уникальным образованием в истории Земли.

Земля-«снежок» (700 миллионов лет назад)

Если вы хотите увидеть ледник возле экватора, то в наши дни вам придется взобраться на гору Кения или на эквадорские Анды; на высоте ледников воздух разрежен и трудно дышать. Еще 700 миллионов лет назад не нужно было тратить много усилий для того, чтобы увидеть лед. Тогда надо было постараться, чтобы найти не заледенелое место.

В то время планета неоднократно покрывалась льдом: Земля несколько раз проходила через ледниковые периоды, когда она напоминала гигантский космический снежок. Величайшее из оледенений – стуртианское – началось 716,5 миллиона лет назад. В течение нескольких лет суша и море по всему земному шару были поглощены слоями льда, толщина которых достигла нескольких километров. Эти льды растаяли только через 55 миллионов лет. Вся Земля была буквально одним большим снежным комом, как современная Антарктида – от полюса до полюса.

Многие геологи считают так вслед за Джозефом Киршвинком из Калифорнийского технологического института (Пасадена, Калифорния), который в начале 1990-х годов ввел термин «Земля-“снежок”». По его словам, древние ледниковые отложения, расположенные в тогдашних тропических широтах – например, в северо-западной части Канады, которая 700 с лишним миллионов лет назад располагалась вдоль экватора Земли, – повествуют о морском льде толщиной от 1,5 до 3 километров.

В этом же регионе можно найти причину возникновения стуртианского оледенения. Появление крупной магматической провинции Франклина – обширной области вулканических пород, покрывающих более 1 миллиона квадратных километров, – произошло незадолго до появления ледяных слоев. По-видимому, извержение супервулкана привело к выбросу на поверхность огромных объемов базальта, который быстро выветрился под тропическими ливнями; сопутствующие химические процессы вытянули из атмосферы огромное количество парникового газа – углекислого (СО_2) (см. главу 6). Температура упала, и полярные ледяные шапки начали увеличиваться.

Начиная с того времени ход событий резко ускорился. Моря охлаждались и замерзали, а водяной пар – главный парниковый газ – испарялся во все меньших объемах. Оледенение быстро продвигалось к экватору, где температура упала до –50 °C; такой холод сегодня бывает только в самых холодных регионах планеты.

Чрезвычайно драматические события; возможно, поэтому идея Земли-«снежка» воспринята далеко не всеми геологами. Некоторые геологи склоняются к менее суровому варианту – «слякотная Земля». Но Киршвинк считает, что распространение ледниковых отложений по поверхности Земли, которое явно произошло в то время, неопровержимо свидетельствует в пользу его версии.

Стуртианское оледенение было не первым в истории Земли. Гораздо раньше, 2,4 миллиарда лет назад, Земля уже превращалась в «снежок». Тогда на планете появились микробы, которые расщепляли воду и поглощали большие количества углекислого газа из атмосферы в процессе фотосинтеза. Анализ этих событий показывает, насколько чувствительны связи между климатом Земли, геологией и биосферой.

Но вернемся к стуртианскому оледенению. В конце концов он завершился: углекислый газ просачивался в атмосферу из подводных вулканов, из-за чего та начала нагреваться, и во льду появились трещины. Оледенение закончилось почти так же быстро, как и началось.

Засушливые пустыни и сезоны дождей (250 миллионов лет назад)

Жуткие пейзажи и экстремальные погодные условия – такова была Пангея. Последний суперконтинент Земли сформировался около 300 миллионов лет назад и начал распадаться 125 миллионов лет спустя. На пике своего расцвета, 250 миллионов лет назад, Пангея имела С-образную форму, а в излучине ее кривой находилось древнее море Тетис с теплой водой. Со всех остальных сторон Пангею окружал другой гипотетический океан – Панталасса.

Центр континента, близкий к экватору, представлял собой пустыню. Сегодняшние величайшие пустыни Земли не идут ни в какое сравнение с той пустыней на Пангее. Это время относится к концу пермского периода, когда только-только произошло разрушительное массовое вымирание. Одной из его причин мог быть суперпарниковый климат, который сохранялся в течение нескольких миллионов лет и сделал необитаемой большую часть внутренней территории Пангеи. По словам Пола Вигналла из Лидского университета (Великобритания), который занимается исследованием палеоусловий, температура в эту пору на Пангее вполне могла достигать 50 °C.

К северу от этой огромной территории красноватой пыли возвышались могущественные центральные Пангейские горы, на которых зарождались мегамуссоны, низвергавшиеся потоками воды по краям моря Тетис – самое экстремальное зрелище на Пангее. Муссонные дожди возникают, когда увлажненный морской воздух задувает с моря на сушу и поднимается вверх; там он охлаждается, влага конденсируется, и начинается дождь. Вигналл предполагает, что вода в море была очень теплой, порядка 40 °C. Воздух тоже был горячим, а чем горячее воздух, тем больше влаги он может удержать. Громадные массы теплого влажного воздуха поднимались в горах на огромную высоту. Там они быстро охлаждались, и начинался потоп, в сравнении с которым современные муссоны выглядят как слабенький дождичек.

Вулканический апокалипсис (135 миллионов лет назад)

Добро пожаловать в печь, она же провинция Парана-Этендека. Если вас там не достанут динозавры, то от извержений вулканов спрятаться уж точно будет негде. Южная часть Пангеи – Гондвана – в течение уже нескольких миллионов лет уходит прочь от другой части материка, в результате отделяя Южную Америку от Африки. Этот разрыв стал одним из факторов, которые привели к знойному катаклизму. По мере того как раскол продвигался на север, земная кора становилась все тоньше. Тем временем перегретая часть мантии набухала, нагревая кору снизу. В конце концов магма прорвалась и затопила землю (см. рис. 2.4).

Рис. 2.4. Извержения-взрывы были характерной чертой Гондваны.

Траппы Парана-Этендека – современный остаток этого явления; это массивы базальта, покрывающие более 1,3 миллиона квадратных километров сегодняшних Бразилии, Уругвая, Парагвая, Аргентины, Намибии и Анголы. Происходившие вулканические явления по большей части напоминали вулканизм, который привел к образованию Исландии, – пассивный, мягкий, с редкими вспышками. Но иногда происходили очень мощные извержения. Максимум на шкале вулканических извержений равен 8 баллам, что приравнивается к «апокалиптическому» уровню (перед ним идет «мегаколоссальный»). Такой уровень соответствует событию, во время которого выбрасывается более 1000 кубических километров породы – таково было извержение супервулкана Тоба в Индонезии 75 000 лет назад. Траппы Парана-Этендека породили по меньшей мере девять апокалиптических извержений в течение нескольких миллионов лет. Насколько мы знаем, это были самые сильные извержения в истории Земли.

На основании актуальных событий в Южной Америке и в Африке можно предположить, что во время самых крупных извержений выделялось по меньшей мере 8600 кубических километров породы; возможно, до 26 000 кубических километров. Если учесть, насколько далеко разлетаются пепел и газ, этого материала хватит, чтобы покрыть всю Великобританию слоем в 100 метров. Событие такого масштаба испепелит и задушит все живые организмы на сотни километров во всех направлениях. Лава от одного из извержений растеклась на 650 километров.

Немыслимое количество пепла поднялось в верхние слои атмосферы, омрачив небо Гондваны на долгие годы. По словам Сары Додд из Имперского колледжа Лондона, этот пепел в сочетании с сульфатными аэрозолями, образовавшимися в результате извержения, отражал солнечное излучение обратно в космос, и весь мир быстро погрузился в вулканическую зиму. Масштабное уничтожение растительной жизни разрушило всю местную пищевую цепь и стало причиной вымирания многочисленных динозавров.

Арктическая тепловая волна (55 миллионов лет назад)

В течение предыдущих нескольких миллионов лет на Земле постепенно становилось все жарче и жарче и планету начала охватывать тепловая волна, уникальная в своем роде. В Арктике стояла влажная жара и росли пальмы. Это было время палеоцен-эоценового термического максимума.

Даже до того, как ртутный столбик поднялся до своего максимума, было довольно тепло. Полюса были практически свободны ото льда, в самых глубоких слоях океанов температура была на 8 °C выше, чем сегодня, уровень моря примерно на 70 метров превышал сегодняшний, а в Северном Ледовитом океане плавали крокодилоподобные хампсозавры. Факт их прекрасного самочувствия при столь близком нахождении к Северному полюсу означает, что температура воды должна была быть не ниже 5 °C, даже в условиях постоянной зимней темноты. (Сегодня средние зимние температуры на Северном полюсе колеблются в районе –34 °C.) Похожие на гиппопотамов корифодоны скрывались в теплых болотистых лесах вдоль океанских побережий.

Перенесемся на несколько миллионов лет вперед. К этому времени уже появились пресноводные черепахи. Это могло бы показаться странным, но вспомним, что Арктический бассейн был почти полностью окружен сушей. Речная вода, вытекающая с суши в море, покоилась на более тяжелой соленой воде, образуя одно из самых больших озер, которые когда-либо видела планета. Вода имела комфортную температуру 23 °C. На другом краю Земли также была приятная температура, вполне пригодная для купания. На пике термического максимума в Антарктиде появились папоротники, то есть там было очень тепло, как отмечает Кейт Литтлер из Эксетерского университета (Великобритания).

Такая теплая погода явилась результатом значительного повышения концентрации парниковых газов в атмосфере, хотя никто не знает, за счет чего она повысилась. Одна из возможных причин – интенсивная вулканическая активность; другая причина может заключаться в том, что отложения твердого метана, находящиеся на дне моря, растаяли и выплеснулись на поверхность в виде большого газообразного извержения. Не исключено также, что оттаяла вечная мерзлота Антарктиды, выделив при этом большую порцию углекислого газа. Как бы то ни было, температура постепенно увеличивалась в течение нескольких миллионов лет, а потом вдруг внезапно подскочила – как минимум на 5 °C всего за 20 000 лет.

Для жизни на морском дне это было трудное время, там продолжалось вымирание. На суше, напротив, жизнь процветала. В густых лесах Юго-Восточной Азии появились приматы – новый класс млекопитающих. Они были немного похожи на долгопятов или галаго, питались насекомыми и были очень далекими предками единственного вида животных, который ныне заполонил все уголки планеты, – людей. Наш вид также – единственный, способный вызвать явление, по масштабу превосходящее палеоцен-эоценовый термический максимум: мы можем стать причиной аналогичного потепления, но в сто раз быстрее (см. главу 10).

Создание Средиземноморья (5,33 миллиона лет назад)

Если встать на мысе Тарифа (или мысе Марроки), самой южной точке материковой Европы, то можно ясно увидеть горы в Марокко через Гибралтарский пролив. Этот участок воды, занимающий в ширину всего 14 километров, является очень оживленным местом и служит воротами между Атлантическим океаном и Средиземным морем; он отделяет Африку от материковой Европы.

Однако 5,4 миллиона лет назад картина была совсем другой. Средиземного моря еще не было, только один Атлантический океан. На месте Средиземного моря находился обширный бассейн, блистающий от кристаллов соли и пестреющий озерами со сверхсоленой водой. Самая низкая точка этой впадины была на 2,7 километра ниже уровня моря. Зрелище было довольно захватывающим; для сравнения: уровень воды в бассейне нынешнего Мертвого моря находится на 430 метров ниже уровня моря.

В разгар Мессинского пика солености тектонические движения закрыли Гибралтарский пролив, полностью отрезав Средиземное море. В жарком и сухом климате понадобилось около 1000 лет, чтобы вода в море почти полностью испарилась. Следы того времени все еще можно найти сегодня под морским дном, а вдоль берегов находятся толстые залежи соли и гипса. Бассейн недолго оставался обезвоженным. С течением времени климат становился все более прохладным и влажным, и реки, впадающие в бассейн, превратили его в болотистую местность – ни озеро, ни море. Но на западе назревал катаклизм.

Примерно 5,33 миллиона лет назад тектоническое опускание, эрозия и повышение уровня моря начали открывать проем в Атлантику. Занклийское наводнение, – названное по имени геологического века, в который оно произошло – вероятно, началось медленно и постепенно заполнило 10 % бассейна за несколько тысяч лет. Все это закончилось библейским потопом – так считает Даниэль Гарсия-Кастелланос из Института наук о Земле Хауме Альмера в Барселоне (Испания). Скорость притока внезапно возросла, и вода полностью заполнила бассейн за несколько месяцев; уровень Средиземного моря поднимался примерно на 10 метров в день. Каждую секунду в море низвергался целый миллиард кубометров воды – в 5000 раз больше, чем выливает сегодня Амазонка. Это было жуткое зрелище.

Удивительно то, что такой сценарий может повториться. Реки, втекающие в Средиземное море, не могут обеспечить его достаточным количеством воды, чтобы компенсировать испарение: ему требуется Атлантика, чтобы поддерживать уровень воды. Если тектонические силы перекроют пролив, Средиземное море в конце концов снова высохнет.

Затопленный рай (10 000 лет назад)

С викторианского пирса в Кромере на восточном побережье Англии Северное море выглядит унылым и непривлекательным. Но стоит переместиться назад на 10 000 лет, и пейзаж полностью изменится. На заре голоценовой эпохи, после того как закончился последний ледниковый период, уровень моря был на много метров ниже, чем сегодня, а Британия соединялась с материковой Европой плодородной равниной, простирающейся на восток вплоть до Дании. Эта область получила название Доггерленд.

Доггерленд был историческим раем с обилием болот, озер и рек. И людей. В 2008 году археолог Винсент Гаффни из Брэдфордского университета и его коллеги использовали данные сейсмических исследований, собранные норвежской нефтяной компанией, чтобы восстановить очертания этого затерянного мира. В результате получилась карта, охватывающая 23 000 квадратных километров, по площади примерно равная размеру Уэльса.

На южной оконечности Доггерленда находилось озеро Внешняя серебряная скважина; сейчас это впадина на дне Северного моря, с востока заполненная водами реки Рейна, а с запада – реки Темзы. Люди жили на берегах Доггерленда, ловили рыбу, охотились и собирали ягоды. Гаффни описывает эту территорию как «недвижимость класса люкс для охотников-собирателей». В наши дни траулеры Северного моря время от времени извлекают с морского дна следы деятельности этих людей – например, наконечник копья, изготовленный из кости оленя. Но помимо этого об этих людях почти ничего не известно.

Вот то, что мы знаем о них доподлинно: они стали жертвами изменения климата. По мере того, как планета нагревалась и ледники таяли, уровень моря повышался примерно на 2 метра в столетие, постепенно охватывая низменные районы. За несколько тысяч лет Доггерленд превратился в архипелаг. Затем, около 8150 лет назад, произошло мегацунами, вызванное мощным подводным оползнем у побережья современной Норвегии. Эта катастрофа получила название «оползень Стурегга». По оценкам исследования, выполненного в 2014 году, 3000 кубических километров отложений в одночасье рухнули – вероятно, вследствие землетрясения. В результате возникло гигантское цунами, которое захлестнуло все, что осталось от Доггерленда. Во всяком случае, так считает Джон Хилл из Имперского колледжа Лондона, который руководил исследованием.

Все острова, оставшиеся от Доггерленда, были затоплены; Хилл и другие исследователи считают, что Стурегга прозвучала как похоронный марш для народа, жившего в Доггерленде. Так несколько тысяч лет назад произошло отделение Британии от материковой части Европы.

Глава 3. Внутри и снаружи

Планета Земля подобна луковице: можно снимать с нее слой за слоем, пока не доберешься до железного ядра. Большинство из этих слоев физически недоступны, но это нас не останавливает. Изобретательность, экспериментальные работы и все более глубокое понимание законов природы позволили нам увидеть невидимое.

Вниз, вниз, все глубже вниз

Спустись, смелый странник, в кратер ледника Снейфелл, который тень Скартариса ласкает перед июльскими календами, и ты достигнешь центра Земли. Это я совершил.

Арне Сакнуссем

У Отто Лиденброка не было ничего, кроме этой записки, когда он отправился к исландскому вулкану Снайфедльсйёкюдль и оттуда – к центру Земли. Оказавшись в подземном мире, он столкнулся с глубокими океанами, доисторическими существами, грозовыми штормами и гигантскими насекомыми.

Так писал Жюль Верн в 1864 году в «Путешествии к центру Земли». Если бы можно было так просто узнать о том, что творится внутри Земли! Пока нам удалось пробурить только около трети внешней коры планеты. Все остальные знания о внутреннем составе планеты мы получили в основном с помощью анализа волн давления и их пути сквозь породы разной плотности.

Сейсмические волны

По иронии судьбы самым ценным источником волн давления являются самые разрушительные события – землетрясения. Геологи измеряют, сколько времени требуется ударным волнам, чтобы пройти от эпицентра землетрясения до различных точек земного шара. Благодаря таким измерениям и удалось выяснить, что Земля состоит из нескольких слоев и по своему строению напоминает луковицу. Самая внешняя корочка очень тонкая: ее глубину можно сравнить с толщиной почтовой марки, наклеенной на футбольный мяч. Ниже лежит мантия, которая составляет более 82 % объема Земли. Еще глубже – очень плотное и горячее ядро.

Ударные волны от очага землетрясения распространяются во всех направлениях и отражаются или преломляются, встречая на своем пути породы различной плотности. Если породы более плотные, волны давления ускоряются; в менее плотных они замедляются. Определив направление и скорость распространения этих сейсмических волн внутри Земли, геологи могут определить плотность и толщину пород, которые лежат на глубине нескольких тысяч километров под нашими ногами.

Ирландский геофизик Роберт Маллет положил начало науке сейсмологии в конце XIX века. Благодаря этой науке исследователи обнаружили, что землетрясения посылают внутрь планеты два основных типа волн. Первичные волны, или P-волны, подобны звуковым. Они поочередно сжимают и расширяют среду, через которую проходят, и могут распространяться через твердые, жидкие и газообразные вещества. Вторичные волны, или S-волны, заставляют колебаться частицы породы под прямым углом к направлению их распространения. Это означает, что они могут проходить только через твердые вещества – жидкости и газы не имеют жесткости, чтобы поддерживать поперечное перемещение.

Когда югославский геофизик Андрия Мохоровичич проанализировал записи землетрясения, происшедшего в Хорватии в 1909 году, он обнаружил четыре сейсмических импульса. Сейсмографы вблизи эпицентра землетрясения зарегистрировали медленно движущиеся волны типов S и P. Затем медленные волны сменились на более быстрые S- и P-волны.

Мохоровичич предположил, что медленные волны, зарегистрированные сейсмометрами, проходили через верхний слой коры. Более быстрые должны были пройти через нижележащий слой пород поплотнее, которые отклонили и ускорили их. Ученый пришел к выводу, что изменение плотности с 2,9 до 3,3 грамма на кубический сантиметр обозначает границу между земной корой и мантией. Эта граница, которая лежит в среднем на 8 километров ниже дна океанов и на 32 километра ниже уровня континентов, теперь называется границей Мохоровичича или просто границей Мохо.

Тени внутри Земли

Сейсмологи собирали все больше и больше записей о землетрясениях и заметили наличие «теневой» зоны, свободной от ударных волн. Она располагалась на сфере между 105-м и 142-м градусами (см. рис. 3.1) от источника землетрясения, если смотреть от источника по пути следования сейсмических волн. После 142-го градуса волны снова появляются. Единственным объяснением этого явления было предположение о том, что волны перешли из твердого вещества в жидкое, в результате чего S-волны полностью остановились, а P-волны замедлились и преломились. Анализ показал, что происходит изменение плотности от 5,5 до 10 грамм на кубический сантиметр на глубине 2900 километров. Это объяснили существованием границы между мантией и ядром.

Рис. 3.1. Сейсмические волны полностью останавливаются или преломляются слоями различной плотности. Жидкое внешнее ядро отбрасывает тень, которая начинается со 105-го градуса от источника землетрясения.

Позже в теневой зоне ученые обнаружили очень слабые волны. В 1936 году голландский сейсмолог Инге Леманн предположила, что еще одно изменение плотности происходит в ядре – на его глубине, равной примерно 2200 километрам. Это изменение ускоряло Р-волны и искривляло некоторые из них таким образом, что они появлялись в теневой области. Напрашивался вывод: внутри Земли находится внутреннее ядро из очень плотного твердого вещества. По оценкам, плотность внутреннего ядра составляет 12,3–13,3 грамма на кубический сантиметр.

Экстремальные условия

Строение Земли в современном представлении – это серия концентрических слоев, которые становятся все более плотными к центру (см. рис. 3.2). На плотность этих слоев влияют два противоположных фактора.

Во-первых, температура. Под ее влиянием породы размягчаются и плавятся. Внутренние слои Земли разогреваются под действием энергии, поступающей от распада радиоактивных элементов, содержащихся в породах. В центре Земли температура может достигать 3000 °C; затем она постепенно падает до 375 °C на границе между мантией и корой. Второй фактор, влияющий на плотность, – давление. Под его действием породы затвердевают и уплотняются. Чем глубже слой, тем больше вес вышележащих пород и тем выше давление в этом слое.

Рис. 3.2. Сейсмические исследования дали нам хорошее представление о слоистой структуре Земли. Состав коры определяется с помощью химического анализа.

Породы, прилегающие к поверхности, температура которой невысока, являются в основном твердыми и хрупкими. Такова литосфера – слой, состоящий из земной коры и верхней мантии; она простирается вглубь Земли на 60 километров. В этой точке сейсмические волны замедляются, что указывает на снижение плотности. Это происходит в астеносфере – слое пониженной прочности, где радиоактивное тепло не в состоянии быстро рассеиваться и породы плавятся. По консистенции этот слой напоминает тянучку; он простирается вниз почти на 200 километров.

Ниже астеносферы сейсмические волны движутся сначала с высоким ускорением, а затем, на протяжении 2100 километров, с более низким. Этот слой называется мезосферой; здесь давление борется с растущей температурой в попытке сделать породы более жесткими – они хоть и могут перемещаться, но очень медленно. На границе между мантией и ядром S-волны ослабевают; температура вначале достаточно высока, чтобы противодействовать огромному давлению, поэтому внешнее ядро является жидким на протяжении примерно 2200 километров. Но ближе к центру давление снова начинает преобладать, формируя твердое внутреннее ядро радиусом 1270 километров.

Таинственная мантия

Одно дело – знать о физическом состоянии внутренних частей Земли, совсем другое – знать, из чего они состоят. Что касается коры, то можно сделать ее анализ. В континентальных областях мы в обилии находим кремний и алюминий; в сочетании с кислородом эти минералы составляют наиболее распространенную породу – гранит. Под океанским дном и ниже слоя гранита на материках мы находим базальтовые породы, в которых преобладают кремний, железо и магний.

На этом наша уверенность заканчивается. Мантия, составляющая около двух третей массы Земли, до сих пор остается для нас terra incognita. Мы не можем добыть чистых образцов пород непосредственно из мантии. Породы, попадающие иногда на поверхность из-под коры, являются загрязненными. Например, при извержениях вулканов изредка выбрасываются сгустки мантии, которые состоят из оливина и пироксена. Эти уникальные породы образуются только при высоком давлении. Они содержат мало силикатов, зато в них много магния и железа.

Кое-где на дне океана лежат в обнаженном виде породы, которые когда-то были частью мантии, но контакт с морской водой резко изменил их первоначальный состав. Без свежих образцов геологи не могут даже точно сказать, из чего именно состоит мантия, как она образовалась и каково ее участие в процессах, происходящих внутри Земли.

Из-за невозможности взять образцы мантии ученым приходится строить разные гипотетические предположения о ее составе, используя косвенные доказательства и сведения, полученные из лабораторных экспериментов. Результаты показали, что хотя кремний, магний и железо входят в состав оливина и пироксена, которые присутствуют в верхней мантии, при давлениях, существующих в более глубоких слоях, атомы перестраиваются таким образом, что образуются более компактные «минералы высокого давления» и состав пород изменяется. В нижней мантии минералы могут распадаться на простые окислы.

Дополнительные подсказки о составе мантии получены при изучении метеоритов, которые были созданы из того же космического мусора, что и наша планета. Каменные метеориты, вероятно, представляют собой вещество, из которого может состоять мантия, а железные метеориты – ядро. Эти упавшие на нашу планету металлические снаряды содержат в основном железо, сернистое железо, никель, платину и следы иридия.

Посланники из преисподней

Зная состав мантии, мы могли бы значительно улучшить наши представления о химическом составе Земли и понять, при каких условиях она сформировалась. Мантию можно исследовать с помощью нейтрино – нейтральных, практически безмассовых частиц. Эти частицы – точнее, разновидность антивещества, называемая электронными антинейтрино, – выделяются в огромных количествах в результате радиоактивного распада урана, тория и других радиоизотопов в породах глубоко под землей.

Подобно железу, кремнию и некоторым другим элементам, уран и торий присутствовали, хотя и в меньших количествах, в солнечной туманности, из которой образовалась Земля, и конденсировались в различных количествах при разных температурах. Если бы мы знали количество урана и тория, которое пошло на создание Земли, то поняли бы, каковы были изначальные условия, и смогли бы оценить количество остальных элементов, содержащихся внутри планеты. Выяснив, как распределяются уран и торий в мантии – равномерно, вперемешку с другими элементами в отдельных участках или в виде слоев, – мы также можем изучить динамику внутренних слоев нашей планеты.

Нет лучшего подхода к ответам на все эти вопросы, чем подсчитать геонейтрино, которые производят различные радиоактивные изотопы. Эти частицы почти не взаимодействуют с обычным веществом и фактически беспрепятственно проходят сквозь недра Земли; за счет этого детекторы, установленные почти на поверхности, как минимум могут их фиксировать. В реальности эти частицы с таким же успехом проходят и через детекторы «непойманными». Охота на геонейтрино требует умения и большого терпения.

Ученые потратили более десяти лет на разработку таких детекторов. Жидкосцинтилляционный детектор антинейтрино, расположенный в шахте Камиока вблизи японского города Хида (англ. Kamioka Liquid-Scintillator Antineutrino Detector, KamLAND), начал работать в 2002 году. Он состоит из 1000 тонн прозрачной жидкости, которая при попадании нейтрино излучает вспышку света. Детектор расположили на глубине 1 километра под поверхностью земли, чтобы защитить его от мюонов космических лучей, чьи сигналы имитируют сигналы нейтрино.

В 2005 году KamLAND зафиксировал первый слабый сигнал от электронных антинейтрино из недр Земли, но он буквально утонул в гвалте антинейтрино, производимых расположенными рядом атомными электростанциями. Конструкцию детектора улучшили, одна из крупнейших атомных станций была на время отключена, и в результате в 2007 году удалось «просветить» планету насквозь. К концу 2009 года KamLAND зарегистрировал 106 электронных антинейтрино с энергетическими характеристиками, которые говорили о том, что эти античастицы родились от распада урана и тория внутри Земли.

В другом эксперименте, который называется «Борексино», тоже были обнаружены слабые вспышки. Более маленький детектор, расположенный в Национальной лаборатории Гран-Сассо в центре Италии, предназначен для сбора нейтрино от ядерных процессов на Солнце. После объединения результатов двух экспериментов были получены первые конкретные геофизические данные о геонейтрино: распад урана и тория в мантии и коре обеспечивает порядка 20 тераватт того тепла, которое выделяется из недр Земли.

Эта оценка поможет в изучении лежащих под нами слоев Земли. Поверхность нашей планеты излучает около 46 тераватт тепла, которое вырабатывается двумя источниками. Один из источников – это радиоактивные распады, образующие «радиогенное» тепло; второй – «первичный» источник тепла, который остался со времени образования Земли, когда происходили многочисленные столкновения частиц и железо постепенно погружалось в ядро. Если мы измерим тепловой поток на поверхности от каждого из этих источников, то сможем воспроизвести довольно точную картину строения Земли.

Например, если скорость конвективных потоков вещества в мантии невысока или отдельные слои таких потоков в мантии почти не обмениваются теплом, из недр Земли на поверхность будет переноситься только незначительное количество первичного тепла. Если это так, то львиная доля теплового потока Земли – 30 тераватт или более – должна иметь радиогенное происхождение. Из нейтринных экспериментов следует, что реальная величина все-таки ниже, то есть мантия перемешивается довольно тщательно.

Загадки минералов

Радиогенный тепловой поток также указывает на то, что общее содержание урана на планете составляет около 0,000002 %. Те мантийные породы, к которым у нас есть доступ, содержат примерно такое же количество урана. Таким образом, можно утверждать, что они действительно являются репрезентативными для мантии, то есть идея об эффективном перемешивании мантии подтверждается. Но здесь таится загадка. В обнаженных мантийных породах преобладает минерал оливин – силикат, состоящий из магния и железа, а содержание урана в нем значительно выше, чем в классе каменных метеоритов, называемых энстатитовыми хондритами. Долгое время считалось, что эти метеориты состоят из того же вещества, из которого состоит и Земля, однако основную часть этих метеоритов составляет другой силикат – пироксен. Возникает вопрос: где на Земле может прятаться это вещество с преобладанием пироксена – может быть, глубоко в карманах мантии? Или состав планеты отличается от состава энстатитовых хондритов?

Соотношение оливина и пироксена в мантии Земли имеет решающее значение для точного определения места и времени образования планеты из солнечной туманности. Выделение оливина происходит при несколько более высокой температуре, чем выделение пироксена; это значит, что если бы планета находилась ближе к Солнцу или образовалась раньше, когда температуры были выше, оливина было бы больше.

Мы все еще далеки от окончательного ответа на этот вопрос. С учетом количества обнаруженных геонейтрино у оценщиков радиогенного теплового потока остается довольно большое поле работы: точность определения количества тепла в 20 тераватт имеет погрешность ±9 тераватт, что затрудняет окончательный выбор модели мантии по ее составу или сценарию перемешивания. С помощью детекторов KamLAND и «Борексино» вряд ли удастся положить конец дебатам на эту тему.

Третий детектор, который должен был начать работу в 2018 году, может иметь решающее значение. Глубоко под землей в Нейтринной обсерватории Садбери (англ. Sudbury Neutrino Observatory, SNO; Онтарио, Канада) расположен детектор SNO+. Это устройство примерно того же размера, что и KamLAND, но, находясь на глубине 2 километра под землей, детектор лучше защищен от мюонов космических лучей. И он не окружен ядерными реакторами. При более низком уровне фона SNO+ должен ловить геонейтрино пачками – разумеется, в переносном смысле, поскольку нейтрино вообще трудно поймать.

Но и это только начало. В идеале мы хотим нанести на карту места происхождения геонейтрино и получить более детальную картину распределения урана и тория, а также построить точную модель мантии и узнать, какова степень ее однородности и перемешивания. Для этого надо уметь отсеивать геонейтрино из других источников, таких как кора и ядро, для чего потребуется сеть детекторов, которые будут ловить нейтрино, приходящие из разных мест и под разными углами. Такой навык позволил бы нам получить больше сведений об особых участках мантии, таких как мантийные суперплюмы[1] под Африкой и Тихим океаном, которые считаются ответственными за возникновение аномальных областей вулканизма (см. главу 5).

Проходя через эти суперплюмы, сейсмические волны резко теряют скорость – это позволяет предположить, что они имеют меньшую вязкость и, скорее всего, более высокую температуру. Объяснить это можно тем, что суперплюмы содержат большое количество подвергающихся распаду урана и тория. Если это так, то они могут быть источниками дополнительного рождения геонейтрино.

На мелководье и в глубине

Не только космические лучи, Солнце и ядерные реакции могут мешать измерению сигналов от геонейтрино. Чтобы составить подробную карту того, что происходит в мантии Земли, нам также необходимо исключить нейтрино, приходящие из земной коры и из земного ядра. Хотя толщина коры невелика по сравнению с размерами мантии, из-за ее близости к подземным детекторам трудно определить среди суммарного количества геонейтрино те из них, что приходят именно от мантии.

Чтобы уменьшить воздействие этого шума, канадские исследователи решили проанализировать геологические формации коры вплоть до границы мантии в районе эксперимента SNO+. Цель состояла в том, чтобы оценить содержание урана и тория в данной области и примерное количество нейтрино, которое возникнет в результате распадов этих веществ.

А как отсеять нейтрино из ядра? Ведь они тоже генерируют шум? Еще не так давно геофизики всерьез полагали, что в ядре содержится достаточно много урана и оно может превратиться в гигантский ядерный реактор. Но моделирование показало, что при высоких температурах и давлениях, которые существовали в океанах магмы на юной Земле, уран явно предпочитает соседство элементов, содержащихся в мантийных породах, и избегает железо и никель – элементы, из которых преимущественно состоит ядро.

Сердце планеты

Измерения сейсмических волн, компьютерные модели и лабораторные эксперименты, которые имитируют экстремальные условия, существующие в ядре, дают достаточно надежную картину процессов, происходящих в самых глубоких слоях Земли.

Из анализа сейсмических явлений мы знаем, что ядро начинается на глубине 2890 километров, а его радиус составляет 3470 километров. Оно состоит из двух слоев: внешнего ядра, содержащего расплавленное железо, и внутреннего ядра из никеля и железа в твердом состоянии. Внутреннее ядро по своим размерам вполне может соперничать с Луной.

Но так было не всегда. В начале времен наша планета представляла собой хаос, в котором не было никакой явной структуры. Затем самые тяжелые элементы – в основном железо, но попадался и никель, – устремились к центру планеты. Точные выводы о том, когда и как это произошло, еще предстоит сделать. Некоторые считают, что ядро образовалось внезапно, когда тяжелые вещества стремительно двигались вглубь Земли. Другие полагают, что железо медленно просачивалось в ядро.

Благодаря анализу распада радиоактивных изотопов, содержащихся в вулканических породах, которые образовались глубоко внутри Земли, было установлено, что ядро сформировалось, когда возраст планеты составлял 30–100 миллионов лет. Вихревые движения в жидком железном ядре запустили 3,5 миллиарда лет назад магнитное поле. Затем, в промежутке между 1,5 и 1 миллиардом лет назад, температура в центре ядра понизилась достаточно, чтобы в ядре произошла кристаллизация и образовалось твердое внутреннее ядро.

С одной из тайн, окружающих ядро, удалось снять покровы. Ученые заметили, что через восточную часть ядра сейсмические волны распространяются быстрее, чем через западную, но никто не мог понять, почему так происходит. Моделирование помогло найти ответ. Скорее всего, это явление связано с турбулентностью жидкого железа во внешнем ядре, в результате чего более холодное вещество затягивается туда из пограничных районов между ядром и мантией. Затем оно попадает на твердое внутреннее ядро и формирует на нем своеобразную «нашлепку». В течение последних 300 миллионов лет большая часть вихревых движений в железном ядре приходилась на территорию под Азией, в результате чего внутреннее ядро с восточной стороны подросло и стало примерно на 100 километров толще, чем с западной.

Это же могло повлиять и на магнитное поле Земли, которое, по мнению большинства исследователей, создается конвекцией в жидком внешнем ядре. Из-за турбулентности, вызванной ростом внутреннего ядра, магнитное поле со временем может стать менее стабильным; северный и южный магнитные полюсы Земли могут даже меняться местами (см. главу 4).

В случае, если это произойдет, – как уже случалось в прошлом – планета временно останется незащищенной от солнечного ветра – потока высокоэнергетических частиц, исходящих от Солнца. Результат его воздействия может быть катастрофическим. В лучшем случае сгорит все наше электронное оборудование, а в худшем – мы лишимся атмосферы Земли, обеспечивающей условия для жизни. Никто, правда, не знает, когда произойдет смена полюсов; а уж хорошая это новость или плохая, зависит от вашей точки зрения.

Невидимый экран

Считается, что магнитное поле Земли создается самыми фундаментальными физическими процессами. Электроны, текущие через жидкое ядро, генерируют электрический ток, который, в свою очередь, создает магнитное поле. Другими словами, ядро – это гигантское самоподдерживающееся динамо.

Просто, да не совсем. В последние годы появились указания на то, что это динамо должно быть сравнительно «свежим» явлением. При этом само по себе магнитное поле существует на протяжении большей части истории Земли, как об этом свидетельствует палеомагнетизм древних пород. Налицо кажущийся парадокс, который заставляет переосмыслить явления, происходящие внутри нашей планеты.

Мы уже говорили о том, что по мере охлаждения планеты плотное железо медленно погружалось в землю по направлению к центру, где оно плавилось под действием высоких температур. Затем включилась тепловая конвекция – процесс, при котором горячая жидкость поднимается и охлаждается, а плотная жидкость тонет. Это движение и привело в действие динамо.

Но здесь возникает одна сложность. В какой-то момент Земля достаточно остыла, чтобы часть жидкого железа в ядре могла затвердеть. При экстремальных температурах и давлениях внутри планеты ядро начало замерзать изнутри. Согласно распространенным оценкам, этот процесс начался 1,5 миллиарда лет назад. Сегодня внутреннее ядро представляет собой сплошной железный шар с радиусом более 1200 километров и все время растет по мере того, как охлаждается Земля.

К счастью, замерзание ядра вызвало еще один эффект, который поддерживал магнитное динамо в рабочем состоянии. По мере роста внутреннего ядра из него вытесняются легкие элементы. Подобное явление происходит, когда замерзает соленая вода: соль не может встроиться в кристаллическую структуру льда и выталкивается из него, поэтому пресноводный лед плавает поверх очень соленой воды.

Похожим образом устроено и твердое внутреннее ядро Земли, которое почти полностью состоит из железа. Его окружает железо-никелевая жидкость с примесью серы, кислорода и других более легких элементов. Благодаря наличию этих дополнительных ингредиентов жидкость, окружающая внутреннее ядро, становится менее плотной и устремляется вверх. Вдали от внутреннего ядра более тяжелое вещество, содержащее много железа, тонет; во внешнем ядре начинается бурление – запускается процесс композиционной конвекции.

Сейчас преобладает такая точка зрения, что тепловая и композиционная конвекции могли вместе поддерживать динамо на протяжении большей части истории Земли. Но именно здесь и возникают основные трудности. В последнее время исследователи начали задаваться вопросом: а происходила ли вообще когда-либо тепловая конвекция? А если она и происходила, то с достаточной ли силой, чтобы обеспечить функционирование магнитного поля планеты?

Проблема заключается в способе распространения тепла. Для существования конвекции необходима разность температур: в кастрюле с кипящей водой у дна жидкость горячее, чем в верхнем слое. Это может происходить только потому, что вода является плохим проводником тепла. Хорошие проводники тепла быстро выравнивают температуру и останавливают конвекцию. И здесь тоже есть загвоздка: накапливается все больше и больше фактов, которые свидетельствуют о том, что ядро является более хорошим проводником тепла, чем мы изначально думали.

Рис. 3.3. Полярные сияния – самое очевидное и прекрасное доказательство существования магнитного поля Земли.

В 2012 году независимо друг от друга были построены две компьютерные модели, которые показали, что теплопроводность жидкого ядра должна быть в два раза больше той, которую приписывали ему ранее. В 2016 году группа ученых во главе с Кей Хиросе из Токийского технологического института (Япония) измерила теплопроводность железа под давлением, сравнимым с тем, что должно быть в ядре. Данные измерений совпали с результатами двух компьютерных моделей и указали на то, что магнитное поле Земли могло появиться только при первом затвердевании ядра 1,5 миллиарда лет назад.

Но это противоречит данным наблюдений. Мы знаем, что магнитное поле Земли существовало задолго до этого времени, потому что его присутствие зафиксировано в древних вулканических породах: когда расплавленная порода затвердевает, содержащиеся в ней магнитные минералы выравниваются вдоль магнитного поля Земли (см. главу 4). Геологические доказательства неопровержимы: возраст этих доисторических компасов в породах составляет как минимум 3,45 миллиарда лет. Остается значительный пробел во времени, когда ни тепловая, ни композиционная конвекции не могли поддерживать динамо-эффект. Тогда что же его поддерживало?

Третья возможность

Дэвид Стивенсон из Калифорнийского технологического института и некоторые другие исследователи придерживаются иного взгляда на модель магнитного поля Земли. Они считают, что главную роль играет третья форма конвекции, которая не зависит от активности вокруг внутреннего ядра, а определяется событиями, происходящими на внешней границе жидкого ядра. По мере его охлаждения более легкие элементы, растворенные в жидком железе, будут выделяться и поглощаться мантией. Оставшаяся более плотная жидкость будет затем тонуть, запуская конвекцию.

В настоящее время проводится работа по выявлению основного зачинщика этого процесса – основными подозреваемыми являются магний или кремний. Магний почти не растворяется в железе и поэтому легко выпадает в осадок. Для того чтобы он растворился, требуется очень высокая температура. Такая температура предположительно существовала при яростных столкновениях тел и частиц во время образования Земли.

Кремния в природе больше; не исключено, что он преобладает и в глубине планеты. Эксперименты группы Хиросе показали, что диоксид кремния легко кристаллизуется в ядре – для этого не нужны никакие внешние процессы. Хиросе считает, что диоксид кремния является наиболее вероятной движущей силой этой новой формы конвекции.

Некоторые исследователи даже предположили, что конвекция вообще не может быть ответственной за динамо-эффект. Они думают, что расплавленное железо приводится в движение толчками, возникающими при «пошатывании» Земли во время вращения. Но эти идеи можно рассматривать скорее как курьезные отклонения от основного круга гипотез.

Вероятно, для объяснения динамо-эффекта придется привлекать новую форму конвекции, которая работает глубоко внутри Земли. Хотя может ли она до конца разрешить магнитный парадокс, остается неясно. К счастью, нам не придется долго ждать ответа – это очень динамично развивающаяся область науки.

Свободный мягкий жизненный покров

Погрузившись глубоко во внутренние слои планеты, мы упустили слой, о котором, однако, нельзя не упомянуть. Мы видим этот слой каждый день, но воспринимаем его как должное и не ценим в достаточной степени, если не являемся фермерами или садоводами. Но без педосферы – почвенного покрова – большинство растений не смогло бы выжить и пищевая цепь, которая поддерживает большинство животных, включая нас, была бы перерезана уже у самого основания. Короче говоря, если бы на Земле в условиях отсутствия почвы была жизнь, она была бы бледной тенью того, что мы имеем сейчас.

С точки зрения всей планеты почва представляет собой обширную переходную зону, которая охватывает большую часть поверхности Земли, где встречаются атмосфера, гидросфера, биосфера и геосфера. Это прекрасная и важная стихия, но вместе с тем и очень сложно устроенная. Почвенный покров находится в точке пересечения между этими четырьмя сферами; более того, самим своим существованием он обязан их взаимодействию.

Почва состоит из твердых веществ, одна часть которых – продукты выветривания горных пород, а другая – продукты биологической активности, результат распада растительных и животных останков. Почва имеет чрезвычайно пористую структуру – как правило, с соотношением 50: 50 между твердыми частицами и пористым пространством между ними. Пористое пространство может содержать различное количество воды и воздуха, в зависимости от того, насколько почва влажная или сухая.

Почвы формируются благодаря действию целого ряда процессов. Например, физическое выветривание в результате многократного повторения цикла замерзаний и оттаиваний, а также работы ветра, воды и льда разбивает почвенный горизонт на отдельные частицы. Химическое выветривание изменяет состав минералов, из которых сделаны породы. В формировании почвы также участвуют процессы разложения веществ, из которых состоят растения и животные; большую роль играет движение твердых фракций и химических веществ, растворенных в воде.

Одна из важнейших функций почвы – поддержание жизни. Сама почва изобилует различными формами жизни, в основном микроорганизмами, которые нельзя увидеть невооруженным глазом, но в ней обитают также и более крупные животные, например земляные черви; во внутренних и наружных слоях почвы кишит растительная жизнь. Вся эта биологическая активность проистекает из способности почвы обеспечивать основные жизненные потребности: в крове, в пище и в воде.

Жизнедеятельность растений и многих животных, которые питаются растениями, зависит от потребления различных количеств жизненно важных элементов, таких как азот, фосфор, калий и кальций. Эти элементы в растворимом виде поступают в почвенную воду благодаря таким процессам, как выветривание горных пород и минералов, а также разрушение органических веществ. Затем эти элементы легко усваиваются почвенными организмами, а растения поглощают их через свои корни.

Вымирающий ресурс

На процессы, происходящие в почве, влияют такие факторы окружающей среды, как геологические свойства нижележащих слоев, виды растительности в данном месте, климат и характер местности. В разных географических местах различное сочетание этих факторов и процессов приводит к образованию разнообразных почв.

Почвы классифицируются по признакам, которые проявляются при анализе почвенных профилей – вертикальных разрезов почвы. Например, в зоне умеренного климата вещества, полученные из песчаника, могут формировать подзолистую почву в хвойных лесах на крутых склонах. Подзолы имеют характерную полосчатую структуру, создаваемую путем промывания и перераспределения веществ под действием просачивающейся воды. В тропическом климате базальтовые породы, подвергающиеся сильному выветриванию, могут образовывать в джунглях оксисольные почвы – глубокие, красные, богатые окислами железа.

Система классификации почв разработана так же хитроумно, как и система классификации форм жизни. В одних только США занесено в каталог более 20 000 типов почв. Многим из них грозит истощение. Оценки показывают, что более трети верхнего почвенного слоя в мире находится под угрозой исчезновения. И это еще не весь ущерб, который может быть нанесен. Согласно оценке из доклада ООН о состоянии почвенных ресурсов мира от 2015 года, большинство почв мира находится «в средней кондиции», «в плохом» или «в очень плохом» состоянии. Эрозия уносит до 40 миллиардов тонн верхнего слоя почвы каждый год, питательные вещества в почве истощаются, а минерализация почвы из-за техногенных факторов затронула примерно 760 000 квадратных километров – это размер всех пахотных земель в Бразилии.

Рис. 3.4. Каждый год мир теряет полезную почву, площадь которой по размерам сравнима со штатом Луизиана. Этот процесс грозит серьезными экономическими последствиями.

Если нам не удастся переломить ситуацию, через 60 лет на Земле может вообще не остаться пригодной для обработки почвы. Учитывая, что на почве произрастает 95 % нашей пищи и что она поддерживает жизнь человека другими, не менее удивительными способами, понятно, что мы столкнулись с огромной проблемой. Специалисты утверждают, что деградация почв является самой серьезной экологической угрозой для человека.

Взрывная ликвидация

Почвы Abruptic durixeralfs – это подгруппа почв, которые угнездились между основными сельскохозяйственными землями на западе США. Эти почвы находятся под угрозой исчезновения, отчасти потому, что они мало пригодны для сельского хозяйства – в них имеет неприятную тенденцию образовываться уплотненный почвенный горизонт, который отталкивает как корни, так и воду. Некоторые отчаянные фермеры дошли до того, что используют взрывчатые вещества, пытаясь уничтожить этот слой. Весьма драматический способ ликвидации почвы и, к сожалению, только один из многих.

Ресурсы, предоставляемые почвой

Деградация почв в мире – это медленно надвигающаяся катастрофа. Ученые уже несколько десятилетий предупреждают нас об этом. И постепенно мы начинаем осознавать всю важность проблемы. Ведь почва – это не только площадка для выращивания нашей еды. Один грамм почвы может содержать 100 миллионов бактерий, 10 миллионов вирусов и 1000 грибков. Эта микроскопическая животноводческая ферма является источником почти всех наших антибиотиков и может стать главной надеждой в борьбе с бактериями, устойчивыми к ним. Ухоженная почва может, например, подавлять рост патогенных бактерий.

Почва также может стать нашим неожиданным союзником в борьбе против изменения климата. Нематоды и микроорганизмы, живущие в почве, переваривают останки мертвых животных и растений и блокируют содержащийся в них углерод. Оценки показывают, что почвы мира – даже те, которые находятся в деградированном состоянии, – содержат в три раза больше углерода, чем вся атмосфера. К достоинствам почвы также относятся фильтрация и хранение воды; к сожалению, при деградации почва теряет эти свойства. Согласно отчету правительства Великобритании за 2012 год, деградация почв обходится стране в 233 миллиона фунтов стерлингов в год. Такой ущерб наносится наводнениями, которые происходят по причине этой самой деградации.

Величайшая угроза

Неудивительно, что экологи беспокоятся по поводу находящегося в опасности почвенного слоя на Земле. Хуже всего обстоит дело с сельским хозяйством. Когда разлагаются растения в дикой природе, питательные вещества возвращаются в почву, обогащая ее гумусом. Люди имеют тенденцию не возвращать в почву неиспользованные части собранного урожая; соответственно, питательные вещества в почве не восполняются.

Для того чтобы восполнить потерю питательных веществ, были придуманы разные методы. Например, поля оставляют под паром или при посевах чередуют посевные культуры: разные культуры нуждаются в различных питательных веществах, и тем самым поддерживается баланс почвы. При выращивании гороха и бобов можно даже обогатить землю азотом; корневые клубеньки этих культур содержат специальные клубеньковые бактерии, которые захватывают атмосферный азот и превращают его в легко поглощаемые нитраты.

Но эти методы перестали работать, когда население сильно выросло и сельское хозяйство было механизировано. В начале XX века благодаря процессу Габера – Боша было налажено промышленное производство аммиачной селитры, которая с тех пор стала основным азотным удобрением, применяемым для обработки полей.

Вначале это новшество приветствовалось, но за последние несколько десятилетий ажиотаж вокруг этого удобрения сильно поутих. Химические удобрения выделяют закись азота, которая загрязняет атмосферу. Кроме того, удобрения частично смываются влагой и попадают в реки, где азот может вызвать массовый рост водорослей и цветение воды. Совсем недавно было обнаружено, что непродуманное использование удобрений наносит вред самой почве, которая становится кислой и соленой. Удобрения также подавляют симбиоз между грибами и корнями растений и могут даже обратить полезные бактерии друг против друга.

Таким образом, во многих случаях удобрения способствуют вырождению той самой почвы, которую они должны питать. Они хороши для выращивания растений, но при этом скрывают характер и степень деградации почвы. Что еще хуже, когда почва начинает терять свои плодородные качества, фермеры, как правило, добавляют в нее еще больше удобрений.

Методы борьбы с деградацией почвы

Маловероятно, что для спасения почв повсеместно удастся вернуться к старинному способу оставления полей под паром. Что еще можно сделать в такой ситуации?

Один из способов – помочь удобрениям «поумнеть». Пусть растения «сообщают» о необходимости в азоте микробам, которые будут освобождать его из органических веществ в нужный момент. В 2011 году Карлос Монреаль из Карлтонского университета в Оттаве (Канада) и его коллеги нашли пять соединений, которые выделяют растения, когда нуждаются в азоте.

Исследователи создали удобрение, которое начинает работать только в присутствии этих химических соединений. Оно воспринимает их как своеобразные сигналы. Главную роль здесь играют аптамеры – короткие участки ДНК, которые связываются со специфическими химическими веществами подобно антителам. Ученые выстроили содержащую аптамеры клеточную матрицу (каркас) вокруг крошечного узелка с удобрениями. В присутствии одного из соединений-сигналов аптамеры связываются с ним, разрушают каркас и высвобождают его содержимое.

Другое направление предполагает, что мы должны полностью отказаться от искусственных удобрений и начать поощрять восполнение почвы за счет ее микробных ресурсов – микробиома. Пионером в этой области является Пиус Флорис. Занимаясь уходом за деревьями в Нидерландах, он понял, что лучший способ обеспечить деревьям пышный рост – заботиться о почве. Поэтому Флорис разработал «универсальный рецепт», в который вошли полезные бактерии, микоризные грибы и гумус; эта смесь прилипает к корням растений и помогает им извлекать питательные вещества.

Были проведены эксперименты. Смесь Флориса была добавлена в почву на испытательных безжизненных делянках. На них выросли растения со здоровой листвой и корнями. Те немногие растения, которые росли на контрольных участках и удобрялись традиционными пестицидами и удобрениями, выросли маленькими и чахлыми. Это, конечно, новаторские меры, в лучшем случае они внесут только небольшой вклад в борьбу с глобальной проблемой деградации почвы. Нужно принимать более масштабные меры. Ученые должны бить тревогу, широко оповещать о проблеме правительства разных стран и общественность. Памела Часек из Международного института по устойчивому развитию – научно-исследовательского центра, расположенного в Виннипеге (Канада), – и ее коллеги предложили практичную цель, к которой все должны стремиться. Они назвали ее «нейтральный баланс деградации земель». Как и идею углеродной нейтральности, эту цель легко понять; она может помочь сформировать наши ожидания и поощрить к конкретным действиям. Под этим знаменем могут сплотиться проекты Монреаля и Флориса.

Глава 4. Плиты, землетрясения и извержения

Тектоника плит – одна из тех идей, которая кажется простой до очевидности. Потому удивительно, что она была принята на вооружение только в 1960-х годах – в результате она изменила геологию так же, как эволюция Дарвина изменила биологию. Все вокруг вдруг обрело свой смысл.

Принципиально новая идея

Основная часть вещества Земли содержится в вязкой мантии, на которой плавает несколько жестких плит, постоянно трущихся друг о друга. В этом заключена суть тектоники плит.

Сама по себе идея проста, но она влечет за собой далеко идущие выводы. На ее основе выстроена теория эволюции Земли, которая описывает, как перестраивались очертания океанов, вздымались и разрушались горы, соединялись и снова рассыпались на части целые материки. Тектоника плит подсказывает, где извергались вулканы, а где происходили землетрясения – и почему. В результате движения плит появилось много месторождений нефти, газа и минералов. Они дошли до нужной кондиции под действием больших давлений и температур, и теперь мы пользуемся этими полезными ископаемыми там, где геологическая разведка сумела их найти.

Очень важно, что именно при взаимодействии плит происходит круговорот воды и углерода, поддерживается постоянный климат и создается окружающая среда, благоприятная для жизни. Благодаря теории о тектонике плит геология превратилась из учения о сборе, классификации и каталогизации пород в такую науку, которая позволяет делать прогнозы и проверять их.

Сложный пазл

В XVII веке английский философ Фрэнсис Бэкон заметил, что очертания восточных частей Северной и Южной Америк и западного края Африки таковы, что если их пододвинуть друг к другу, то они сойдутся, как кусочки гигантской головоломки.

В последующие столетия поселенцы Нового Света обнаружили огромные залежи угля на американском континенте. Эти залежи по своему местоположению также соответствовали месторождениям в Европе. Ученые обнаружили окаменелые останки идентичных видов растений и животных на обеих сторонах Атлантического океана. Так постепенно возникло мнение о том, что континенты, возможно, когда-то были единым материком, а потом разошлись.

В 1912 году немецкий геофизик Альфред Вегенер назвал это «континентальным дрейфом». Но он не мог предложить механизм, который бы заставил континенты двигаться, из-за чего вначале его идея подверглась насмешкам. Затем в 1928 году Артур Холмс, профессор геологии из Даремского университета (Великобритания), допустил, что в верхней мантии могут существовать конвекционные потоки.

Американский геолог Гарри Хесс расширил эту идею, создав концепцию движений морского дна. Он предположил, что в результате конвекции расплавленный базальт, то есть магма, набухает и прорывает длинные трещины в вышележащей океанской коре. Магма вытекала из этих пробоин, охлаждалась и распространялась в разные стороны, создавая огромные горные хребты, раскинувшиеся в глубине океанских вод.

Ученые не соглашались с этой гипотезой до 1960-х годов и приняли ее только после того, как были проведены исследования магнитных свойств Срединно-Атлантического хребта. Результаты этих исследований показали, что породы на дне океана намагничены в переменных направлениях в виде ряда полос, идущих параллельных гребню. Их узор оказался одинаковым с обеих сторон от хребта.

Для объяснения этой закономерности была предложена следующая гипотеза: когда магма затвердевала на дне океана, минералы, содержащиеся в ней, стали намагничиваться в направлении преобладающего магнитного поля Земли. Затем произошло более позднее извержение магмы, вызвавшее появление вдоль верхней полосы затвердевшего базальта трещины, которая расколола ее пополам. Если в результате направление магнитного поля Земли поменялось на противоположное, то понятно, почему новая полоса базальта оказалась намагничена в направлении, противоположном предыдущему.

Этот вывод, совместно с тем фактом, что чем дальше горные породы находятся от хребта, тем выше их возраст, вполне укладывается в концепцию раскола некогда единых континентов, «разбежавшихся» в разные стороны. За счет активности срединно-океанических хребтов новое вещество все время образовывалось на дне океанов, которые пролегли между этими вновь образовавшимися материками.

Рис. 4.1. Вулканы и зоны землетрясений помогают определить границы тектонических плит Земли.

В 1965 году канадский геофизик Джон Тузо Вильсон объединил две идеи – о континентальном дрейфе и о расширении площади морского дна – в единую концепцию подвижных поясов и жестких плит. В 1967 году американские геофизики внесли свой вклад в теорию о тектонике плит, предложив идею «пододвигания», или «субдукции», когда один кусок коры подтягивается под другой (см. главу 1). Из всех этих идей выросла современная теория тектоники плит: внешняя поверхность Земли, литосфера, состоит из семи больших плит и нескольких малых, которые движутся поверх горячей, частично расплавленной астеносферы. При этом движении происходит смещение океанов, а вместе с ними и плит.

Предсказания тектоники плит

В 1967 году хиппи устроили в Сан-Франциско лето любви – праздник контркультуры. В это же время на юге Калифорнии один молодой геолог работал над идеей, которая произвела настоящую революцию в науках о Земле. Дэн Маккензи провел лето любви, разрабатывая математические аспекты тектоники плит.

Маккензи, который сейчас работает в Кембриджском университете (Великобритания), тогда посетило внезапное озарение: плиты должны быть жесткими. Казалось бы, что тут такого особенного? На самом деле, если взять за основу, что плиты жесткие, появляется возможность обращаться с ними как с геометрическими фигурами. Можно даже «мостить» ими сферу, как булыжником – мостовую. Маккензи и его коллега Боб Паркер увидели, что относительное движение между двумя плитами можно рассматривать как вращение вокруг неподвижной точки. Это позволило применить к движению плит теорему вращения Леонарда Эйлера – швейцарского математика XVIII века.

Пользуясь теоремой Эйлера, ученые рассчитали относительное движение плит в северной части Тихого океана и обнаружили, что оно точно соответствует активности землетрясений в регионе. Это подтвердило их расчеты: движение плит действительно должно иметь место, более того, оно является вероятной причиной землетрясений.

Последняя деталь головоломки встала на свое место. Ученые поняли, что плиты не только смещаются, но и двигаются относительно друг друга. Вся поверхность Земли покрыта жесткими плитами, которые, будучи прижатыми друг к другу, все же находятся в движении. Маккензи и Паркер сумели взглянуть на проблему под совершенно новым углом.

Они, конечно, не единственные ученые, которых посетила новая идея. Джейсон Морган из Принстонского университета не был знаком с Маккензи и его работами, но пришел к точно такому же выводу и выступил с докладом о нем в начале 1967 года. Морган даже смог выделить три разных типа границ у плит: гребни, где образуется новая кора, желобы, где кора исчезает, и разломы, где кора не исчезает и не появляется.

Историки науки делят пальму первенства в создании этой теории между Маккензи и Морганом, который в настоящее время является приглашенным научным сотрудником в Гарвардском университете. Но сам Маккензи говорит, что у Моргана в этом деле приоритет: «Морган говорил об этом еще до того, как я в принципе подумал».

Главное место действия

Все плиты являются жесткими и деформируются только по краям. На этих границах плиты расходятся, сходятся или скользят мимо друг друга, но внутри них происходит очень мало изменений. Фактически именно границы плит ответственны за наиболее динамичные особенности Земли, такие как землетрясения и вулканы.

В районе срединно-океанических хребтов плиты расходятся по мере формирования новой океанской коры. Плиты напоминают ленты транспортера, перемещающие гребни всегда по направлению к океанским берегам. Сами гребни похожи на непрерывно тянущиеся вулканы. Их распространению часто сопутствуют неглубокие (на глубине менее 50 километров) землетрясения.

Зоны, в которых две плиты скользят мимо друг друга, часто являются ареной неглубоких землетрясений, иногда с большой магнитудой. Разлом Сан-Андреас в Калифорнии, где Американская платформа движется на юг навстречу Тихоокеанской платформе, направляющейся в противоположную сторону, – наглядный тому пример.

Самые драматические события происходят, когда две плиты сходятся и сталкиваются друг с другом. В этом месте рушатся скалы и взлетают на воздух горы. Образуется глубокий желоб и одна из плит – почти всегда это бывает более плотная океаническая кора – втягивается вниз, в астеносферу. Так океаническая кора, образованная в срединно-океаническом хребте, вновь поглощается Землей; продолжительность ее существования редко достигает 400 миллионов лет (см. главу 5).

Океаническая кора в начале погружения в горячую мантию еще холодная – по мере своего движения и перегибания она деформируется под действием коротких резких толчков. От этого возникают землетрясения, которые могут происходить даже на глубине, достигающей 700 километров. Они будут продолжаться до тех пор, пока спускающаяся плита не нагреется в достаточной степени. Если раньше она раскалывалась на куски, то теперь начинает течь.

Но не все вещество, которое погружается в зону субдукции, проходит свой путь до самого низа. Край континента может действовать как лезвие рубанка, срезая огромные массы отложений с вершины океанической плиты во время ее спуска. Некоторая часть этой «стружки» накапливается, образуя области суши – как, например, в случае островов Японии.

Нисходящие отложения одними из первых реагируют на повышение температуры. Летучие компоненты, такие как вода и углекислый газ, поднимаются вверх, в мантию, и меняют ее состав таким образом, что она начинает плавиться. Образуется магма, которая движется наверх и может оказаться на поверхности при извержении вулканов. Японские вулканы действуют именно по этому принципу.

Познакомьтесь со своим вулканом

Вулканы в зоне субдукции образуют линию, идущую над опускающейся плитой, в которой плавится мантия, параллельно границам между плитами. Большинство вулканов огненного кольца, которое окружает Тихий океан, созданы путем субдукции под океанической или континентальной корой. Над зоной субдукции в океане появляется дуга из цепочки вулканических островов. Классическим примером островной дуги являются Алеутские острова, простирающиеся к югу от полуострова Аляска (см. рис. 4.2).

В основном вулканы группируются на границах плит, но из этого правила есть исключения. Иногда можно встретить изолированные цепи вулканических островков посреди океана. Гавайи – только один из примеров старых вулканических островов, протянувшихся в Тихом океане с северо-запада на юго-восток. Еще более старые вулканы расположены в продолжении Гавайского хребта – Императорских горах, которые в настоящее время находятся под водой.

Считается, что такие вулканы возникают, когда плита движется над струей горячей магмы, поднимающейся из глубины мантии. Представьте себе лист бумаги, скользящий над свечой: вулканы – это как следы от ожогов на бумаге (см. главу 5). Эти цепи островов указывают на то, какими были скорость и направление движущейся плиты. В горячих точках под континентами также могут рождаться и одиночные экземпляры.

У разных вулканов извержения происходят по-разному. Некоторые из них, например Этна на острове Сицилия, в основном дымят и выбрасывают пар, лишь изредка извергая потоки измельченных камней. На Гавайях после извержений часто остаются лавовые озера, а в Исландии есть вулканы, выбрасывающие фонтаны огня, которые поднимаются в воздух на много метров.

Рис. 4.2. Океаническая кора образуется в срединно-океанических хребтах и разрушается в зонах субдукции. Если она протягивается под другим куском океанической коры, то получается дуга, состоящая из вулканических островов.

Взрывные извержения превращают породы – и твердые, и расплавленные – в пепел, крошечные осколки камня и стекла. Иногда образуются и более крупные обломки скальных пород и пемзы, которые в совокупности называются пирокластическими отложениями. Большие взрывы могут происходить по разным причинам. Одна из них заключается в том, что вода, проникающая в горячие породы, быстро испаряется, из-за чего давление увеличивается и «взрывает» окружающие породы. Такой же взрыв может произойти при проникновении внутрь пород разных газов, которые легко растворяются в расплавленных породах глубоко под землей, где давление высокое. При поднятии магмы на поверхность давление падает, и газы выходят наружу, образуя пузырьки – точно так же пузырьки появятся в бутылке газированного напитка, если открутить крышку.

Очень большие взрывы происходят там, где восходящая магма наиболее вязкая. Такая магма способна поглотить большой объем возникающего газа, в результате чего давление в ней сильно возрастает – расплавленная порода в конце концов взрывается, превращаясь в мельчайшую пыль. Больше всего этому способствуют породы, богатые силикатами. Минералы на основе кремнезема соединяются и формируют молекулярные цепочки и целые слои, которые при нагревании пород делают расплав более вязким. В целом именно вулканы в зоне субдукции производят вязкую лаву с высоким содержанием кремнезема и имеют тенденцию взрываться, выбрасывая большое количество пепла. В противоположность им, вулканы в срединно-океанических хребтах или горячих точках обычно производят относительно жидкую базальтовую лаву с низким содержанием кремнезема. К ним относятся вулканы в Исландии и на Гавайях. В такой горячей и жидкой магме пузырьки газа поднимаются на поверхность или замерзают внутри породы по мере ее затвердевания.

Можно ли предсказать извержения вулканов?

Мы постепенно учимся прогнозировать извержения вулканов и уже добились в этом деле определенных успехов. Удачная расшифровка некоторых предупреждающих знаков способствует своевременной эвакуации жителей из зоны риска. Например, за три месяца до драматического извержения вулкана Пинатубо на Филиппинах в июне 1991 года ученые зафиксировали колебания почвы на его склонах. Вскоре после этого вулкан начал дымиться и испускать облака пепла. Поскольку активность вулкана возросла, правительство приказало эвакуировать 60 000 человек. Аналогичная ситуация произошла в ноябре 2017 года в Индонезии на острове Бали, когда благодаря зафиксированным первым толчкам и появлению облаков пепла из вулкана Агунг вовремя эвакуировали 40 000 человек. Таким образом были спасены тысячи жизней.

К сожалению, не все вулканы дают четкие сигналы о своем пробуждении. Но теперь даже самые незначительные признаки могут использоваться для предсказания извержений. Набухание магмы под вулканами стало гораздо проще измерять с помощью чувствительных измерителей наклона и датчиков GPS. Едва заметные изменения в звучании океана помогли успешно спрогнозировать извержения вулкана Питон-де-ла-Фурнез на острове Реюньон в Индийском океане в июле 2006 года и в апреле 2007-го. Ученые, наблюдающие за низкочастотными сейсмическими волнами, которые генерируют колебания океанического дна, заметили, что если акустические волны замедляются при прохождении через вулканический очаг, то извержение неизбежно. На основании этого местные жители были эвакуированы за несколько дней до извержения.

Даже наблюдения за погодой могут помочь нам предсказывать извержения. Действующий вулкан Павлова на Аляске наиболее активен осенью и зимой. Объяснить такое поведение могут штормы, вызывающие в это время года повышение уровня воды вокруг вулкана, из-за которого магма выдавливается из жерла вулкана, как зубная паста из тюбика.

Когда дрожит земля

Люди столкнулись с землетрясениями еще на заре существования человеческой цивилизации, но причина их возникновения была найдена только в прошлом веке, когда ученые смогли наконец определить, что такое землетрясение.

Землетрясения в Древнем мире, в том числе в Средиземноморье и на Ближнем Востоке, происходили достаточно часто. Поэтому они нашли свое отражение в культурных традициях человеческого общества. Легенды, приписывающие геофизические беспорядки капризам и фантазиям потусторонних существ, весьма распространены в творчестве ранних цивилизаций. Когда общество стало более зрелым, люди начали искать физические объяснения этим явлениям. Древние греки и римляне – например, Аристотель и Плиний Старший – предполагали, что землетрясения являются следствием подземных ветров.

Самые ранние научные исследования землетрясений датируются XVIII веком. В то время произошла целая серия необычных землетрясений: пять сильных землетрясений в Англии в 1750 году и последовавшее в 1755 году Великое лиссабонское землетрясение в Португалии. Первые исследования проводили каталогизацию прошлых землетрясений и пытались понять природу возникновения энергии сейсмических волн, генерировавшихся в это время. Волны, исходящие от источника землетрясения и вызывающие вспучивание земли, находились в центре внимания ученых вплоть до конца XIX века.

После Мино-Овари в 1891 году – одного из сильнейших землетрясений, когда-либо случавшихся на территории Японии, – и землетрясения в Сан-Франциско в 1906 году внимание ученых переключилось на механизмы, которые привели к этим событиям. Используя данные триангуляционных исследований (которые фактически являются предтечей GPS-метода), проведенных до и после землетрясения 1906 года, геофизик Гарри Филдинг Рейд разработал теорию упругого отскока. Этот принцип лег в основу современной науки о землетрясениях. Он описывает, как происходят землетрясения в результате внезапного выброса накопленного напряжения вдоль линии разлома (см. рис. 4.3).

Рис. 4.3. Теория упругого отскока описывает, как происходят землетрясения при разломах из-за движения плит.

До создания революционной теории тектоники плит оставалось еще полвека. Наконец в середине XX века был получен ответ на основополагающий вопрос: что является причиной землетрясений? Теперь мы знаем, что большинство землетрясений вызывает накопившееся напряжение вдоль границ активных плит планеты, где тектонические плиты сходятся или скользят мимо друг друга.

Также были выявлены и другие причины, такие как послеледниковый отскок, при котором кора после отступления больших ледниковых покровов в течение десятков тысяч лет возвращается в свое несжатое состояние. Однако такие процессы вносят лишь крошечную долю энергии, выделяемой во время землетрясений из-за тектоники плит.

Определение масштабов землетрясений

К началу XX века геологи уже знали, что некоторые землетрясения обладают большой мощью, из-за которой возникают видимые разрывы на поверхности Земли. Но так как большинство разломов находится полностью под ней, нужно было создать специальные методы для оценки и сравнения землетрясений.

Самыми первыми стали шкалы интенсивности. Землетрясениям обычно присваивались римские цифры, соответствующие степеням активности в данном месте. Эти шкалы используются и сегодня: точно откалиброванные значения интенсивности, определенные на основе данных о землетрясениях, помогают нам, например, анализировать исторические землетрясения и их последствия для густонаселенных районов земли. После землетрясения в Вирджинии в 2011 году более 140 000 человек выложили свои отчеты на веб-сайте Геологической службы США в разделе «Вы это почувствовали?».

Чтобы измерить непосредственно мощность землетрясения, нужно зарегистрировать и проанализировать сейсмические волны, которые оно возбуждает. Сегодня это делается с помощью сейсмометров, использующих методы цифровой записи, но так было не всегда. Первый компактный прибор, способный достоверно регистрировать небольшие локальные землетрясения, назывался сейсмометром Вуда – Андерсона. Для регистрации тряски земли использовалось устройство, в котором масса, подвешенная на натянутой проволоке, вращалась и при этом направляла свет на светочувствительную пленку. По изображению на пленке можно было оценить амплитуду проходящих сейсмических волн.

В начале 1930-х годов Чарльз Фрэнсис Рихтер разработал первую шкалу для оценки силы землетрясения на основе данных этих сейсмометров. Базой для создания шкалы измерения сейсмичности стал тот же принцип, что и для звездных величин в астрономии, то есть шкала была логарифмической: увеличение на одну единицу магнитуды землетрясения соответствовало 30-кратному повышению энерговыделения. Таким образом, во время землетрясения магнитудой 7 баллов высвобождается почти в 1000 раз больше энергии, чем в землетрясении магнитудой 5 баллов.

Магнитуда является относительной величиной, ей не соответствуют никакие физические единицы. Нуль-пункт на своей шкале Рихтер расположил так, чтобы магнитудой 0 (M0) обладало наименьшее землетрясение, которое, по его оценкам, могло быть зарегистрировано поверхностным сейсмометром в обычных условиях. В принципе, землетрясения с отрицательными магнитудами тоже возможны, но вряд ли они будут зарегистрированы. Шкала не имеет верхней границы, но у Рихтера, по-видимому, этот предел был равен M10. Он настроил ее таким образом, чтобы мощные землетрясения, зарегистрированные в Калифорнии и Неваде, имели значение около M7, и предположил, что магнитуда землетрясения 1906 года в Сан-Франциско соответствовала, вероятно, примерно уровню M8. (С тех пор было зарегистрировано еще более крупное землетрясение; оно произошло в Вальдивии в Чили в 1960 году, а его магнитуда составила 9,5 балла.)

Спустя некоторое время были разработаны соотношения, позволившие установить связь между магнитудой и энергией, выделяемой при землетрясении. В 1960-х годах Кейити Аки ввел принципиально новую величину для оценки землетрясений – сейсмический момент. Он дает полную характеристику масштаба землетрясения и является мерой, обычно используемой в научном анализе.

Для преобразования сейсмического момента в эквивалентную магнитуду Рихтера была введена специальная шкала «Моментные магнитуды». Именно эту величину обычно используют СМИ, когда сообщают о землетрясениях. При этом обычно говорят о силе землетрясения по шкале Рихтера, но с фактической точки зрения это не так: магнитуда, вычисленная на основании сейсмического момента, рассчитывается иначе, чем в формулировке Рихтера. Моментные магнитуды, как и в подходе Рихтера, не имеют связи с физическими единицами; они используются для сравнения интенсивности землетрясений.

Тряска, грохот и качка

Для оценки сейсмической опасности в тех местах, где риск от землетрясений особенно высок, исследуется перемещение грунта. Если мы знаем, какие могут произойти сотрясения, то можем заранее спроектировать здания и инфраструктуру таким образом, чтобы противостоять возможной опасности. Величина ущерба, который может нанести землетрясение, в основном зависит от трех факторов: магнитуды землетрясения, затухания энергии при движении волн через кору и того, как может преобразоваться сотрясение в условиях локального геологического строения местности.

Как правило, чем сильнее землетрясение, тем больше дрожь, но не всегда сотрясения почвы зависят только от магнитуды. На них также могут существенно влиять такие факторы, как глубина залегания очага землетрясения, ориентация разлома, достижение или недостижение разломом поверхности и скорость толчков, следующих друг за другом при землетрясении.

Рис. 4.4. Наибольший ущерб во время землетрясения обычно наносит смещение грунта. Чтобы обеспечить необходимую защиту, нужно понять причины этого смещения.

Затухание сейсмических волн в разных регионах происходит по-разному. В таких местах, как Калифорния и Турция, где кора относительно горячая и имеет много трещин, волны быстро рассеиваются и ослабевают. После землетрясения в Сан-Франциско в 1906 году геолог-первопроходец Гров Карл Гилберт писал: «На расстоянии двадцати миль [от разлома] только один дымоход свалился… и далеко не все спящие проснулись». В удаленных от границ активных плит регионах, таких как районы Индии на полуострове Индостан или центральная и восточная части США, волны распространяются гораздо эффективнее. Три главных толчка землетрясения 1811–1812 годов вокруг Нью-Мадрида в современном штате Миссури повредили трубы и разбудили большинство спящих жителей Луисвилля (штат Кентукки) на расстоянии около 400 километров (см. главу 5). Землетрясение магнитудой 5,8 балла, произошедшее в 2011 году в Вирджинии, ощущалось в Висконсине и Миннесоте, находящихся на расстоянии более 1500 километров от эпицентра колебаний.

Локальные геологические структуры, такие как слои мягких отложений, могут усиливать амплитуды сейсмических волн. Например, землетрясение магнитудой 8 баллов, прошедшее вдоль западного побережья Мексики в 1985 году, вызвало резкий резонанс в донных отложениях озера ниже города Мехико. А в Порт-о-Пренс (Гаити) в 2010 году произошло землетрясение, которое имело особенно драматические последствия из-за эффекта усиления, связанного с небольшими топографическими объектами вроде холмов и гряд.

Главной целью изучения движений грунта является определение диапазона и характера реакции на землетрясения, которые могут произойти в различных участках мира. В частности, это позволит картировать потенциальные опасности для городских территорий – провести так называемое сейсмическое микрорайонирование. Тогда можно будет определять возможную степень риска при урбанизации и оценивать опасность при застройке, то есть правильно планировать использование земли и устанавливать соответствующие строительные нормы и правила.

Осторожно: цунами!

Подводные землетрясения способны привести к цепи угрожающих событий: например, разлом может спровоцировать движение морского дна, которое вытеснит воду наверх и сформирует огромную волну – цунами.

Более скромные волны могут возникать, когда вследствие землетрясений происходят подводные сползания осадочных отложений.

Цунами распространяются во всех направлениях, а в открытом океане могут распространяться со скоростью реактивного самолета. Вдалеке от суши они имеют очень большую длину волны и малую амплитуду, но по мере накопления энергии волны вырастают до огромных высот у берега.

Парные землетрясения

Часто бывает, что землетрясения связаны друг с другом – одно может привести к возникновению другого. Но по поводу источника движущей силы таких землетрясений и особенностей их взаимосвязи существуют распространенные заблуждения.

Один из самых устойчивых предрассудков заключается в том, что сильное землетрясение вызывается внезапным колебанием всей тектонической плиты. Если движется один угол Тихоокеанской плиты, разве не должны остальные части плиты последовать его примеру? Интуитивно кажется, что так и будет, но это ошибочное мнение. Тектонические плиты Земли всегда движутся – как правило, с той же скоростью, с какой растут ногти на пальцах. На самом деле происходит следующее: смежные плиты блокируются, вызывая деформацию коры и накопление энергии, но только в узкой зоне вдоль границы между плитами. Поэтому во время землетрясения этот излом старается угнаться за остальной частью плиты.

Однако статистика землетрясений говорит нам о том, что повторные толчки, или афтершоки, также могут повлечь значительные риски: в среднем магнитуда самого большого афтершока примерно на единицу меньше, чем магнитуда главного толчка. Афтершоки группируются вокруг основного разрыва, но также могут возникать и на ближайших соседних разломах. Во время землетрясения 2011 года в Крайстчерче (Новая Зеландия) последствия афтершока магнитудой 6,1 балла были для жителей гораздо большей проблемой, чем главный толчок магнитудой 7 баллов, потому что афтершок произошел ближе к населенному пункту.

Помимо опасности самого афтершока, всегда есть вероятность, что вслед за первым пройдет повторное сильное землетрясение; обычно оно происходит неподалеку от первого, в пределах десятков километров и в течение определенного времени – от нескольких минут до нескольких десятилетий. Например, землетрясение магнитудой 6,1 балла в «Джошуа-три», настигнувшее южную часть Калифорнии 23 апреля 1992 года, сопровождалось колебаниями магнитудой 7,3 балла в Ландерсе 28 июня 1992 года, примерно в 35 километрах к северу. Повторное землетрясение происходит вследствие изменения напряжения, вызванного перемещениями горных пород. По сути, движение по одному разлому будет механически провоцировать возникновение разломов по соседству – доводить, так сказать, их до крайности.

Существует еще один механизм повторных землетрясений, который запускают изменения в напряжении, вызванные сейсмическими волнами. Дистанционный запуск обычно срабатывает в активных вулканических и геотермальных районах (но не только в них), где при прохождении сейсмических волн могут разрушаться подземные системы магматических флюидов.

В подавляющем большинстве случаев такие спровоцированные удаленные землетрясения будут небольшими. Наука о землетрясениях и накопленный опыт свидетельствуют о том, что не бывает большой серии разрушительных землетрясений. Тем не менее за последние десятилетия ученые накопили много данных о том, что между разломами и землетрясениями существуют гораздо более разнообразные и интересные отношения, чем предполагалось в классической теории систематизации землетрясений, связывающей предвестников землетрясений с главными толчками и афтершоками.

Научились ли мы предсказывать землетрясения?

Когда сейсмологов спрашивают, можно ли предсказать землетрясение, они обычно тут же отвечают: «Нет». Иногда даже геологи могут забыть, что в особенных случаях землетрясения вполне можно предсказать. Мы примерно знаем, в каких именно точках мира они могут происходить. Для большинства зон риска есть довольно хорошие оценки ожидаемой частоты землетрясений в долгосрочной перспективе. Мы, конечно, не можем гарантировать, что следующее большое землетрясение произойдет в течение человеческой жизни, но почти наверняка не ошибемся, если скажем, что это случится в течение срока службы того или иного сооружения.

Мы знаем, что самые большие землетрясения происходят вдоль зон субдукции и создают разрывы длиной более 1000 километров со средними смещениями вдоль разломов в десятки метров. На любой активной границе плиты в любое время может произойти большое землетрясение. Например, в 2008 году, за два года до землетрясения на Гаити, геофизик Эрик Кале с коллегами опубликовал результаты GPS-данных по этому региону и отметил, что в разломе Энрикильо может произойти землетрясение магнитудой 7,2 балла, если все упругое напряжение, накопленное с момента последнего сильного землетрясения, одномоментно освободится. Хотя в 2010 году этот сценарий в точности не реализовался, землетрясение все же произошло. Можно с уверенностью сказать, что люди, живущие на границах между плитами, всегда будут сталкиваться с риском.

В будущем крупные землетрясения ожидаются в Калифорнии. Исследования Джеймса Лиенкампера и его коллег показывают, что на разломе Хейворд в восточной части залива Сан-Франциско накоплено достаточно высокое напряжение, которое может перерасти в землетрясение магнитудой 7 баллов. Землетрясения такого масштаба могут повторяться в этом регионе в среднем каждые 150 лет. Последнее было в 1868 году. Конечно, обладание таким знанием не добавляет уверенности в завтрашнем дне, но часовой механизм этого процесса работает в нерегулярном режиме: если средний интервал повторения составляет 150 лет, то периодичность землетрясений может варьироваться от 80 до 220 лет. Конкретно в этом случае нас будет мучить досадная неопределенность: землетрясение может «опоздать» на 50 лет или случиться уже завтра. С точки зрения геологического масштаба времени нет большой разницы, раньше оно произойдет или позже. Однако в масштабе времени человека пропасть между этими датами весьма существенна.

Ученые, специализирующиеся на науках о Земле, добились больших успехов в предсказании ожидаемой средней повторяемости разрушительных землетрясений. Гораздо более сложной проблемой остается найти политическую волю и необходимые ресурсы для подготовки к неизбежному.

Почему предсказывать землетрясения так трудно

В 1970-х и 1980-х годах средства массовой информации цитировали ведущих ученых, которые оптимистично утверждали, что надежный краткосрочный прогноз землетрясений не за горами. В Советском Союзе были получены многообещающие результаты и сделан успешный прогноз землетрясения 1975 года в Хайчэне (Китай). С тех пор оптимистические настроения начали постепенно сменяться пессимизмом. Почему же землетрясения так сложно предсказать?

Были исследованы различные предшественники землетрясений: особенности небольших землетрясений, электромагнитные сигналы, выбросы радона и гидрогеохимические изменения. Многие из этих явлений казались многообещающими в плане прогнозирования, но ни одно не выдержало строгой проверки.

Рассмотрим такой пример. В марте 2009 года итальянский технолог-лаборант Джампаоло Джулиани публично заявил, что в регионе Абруццо в центре Италии произойдет сильное землетрясение. Каковы были его доказательства? Наблюдения радоновой аномалии. Местные сейсмологи ему не поверили. В результате 6 апреля в этом регионе (а именно в провинции Л’Аквила) произошло землетрясение магнитудой 6,3 балла, из-за которого погибли 308 человек.

Это возвращает нас к вопросу о надежных предвестниках будущих подземных бурь. Возможно, радон выделился в результате серии небольших землетрясений, или форшоков, которые предшествовали главному землетрясению. Но и не исключено, что это было простым совпадением. В 1970-х годах проводились исследования аномалий радона: была сделана попытка связать их с последующими подземными толчками, но ученые быстро поняли, насколько ненадежной является эта связь. Порой колебания концентрации радона действительно могут быть следствием надвигающегося землетрясения, но обычно это не так. Между тем сильные землетрясения обрушивались и на те районы, где не было радоновых аномалий. То же самое относится и ко многим другим предполагаемым предвестникам.

Но нельзя сказать, что предвестники землетрясений совсем перестали интересовать сейсмологов – напротив, исследователи изучают их, используя все более изощренные методы и привлекая дополнительные данные. Тем не менее главное препятствие, которое стоит на пути предсказаний, связано с недостатком проверочных мероприятий. Чтобы разработать метод прогнозирования на основе того или иного предвестника землетрясения, ученые сравнивают прошлые землетрясения с имеющимися зарегистрированными данными. Можно, например, попробовать вычислить, какой системе подчиняются видимые проявления небольших землетрясений – предшественники последних десяти больших землетрясений в данном регионе. Успех такого ретроспективного анализа очень сильно зависит от выбора данных. Зная точное время сильного землетрясения, часто можно выделить явно значимые сигналы или закономерности, которые ему предшествовали.

Хорошим примером служит устойчивый миф о том, что животные могут ощущать надвигающиеся землетрясения. Вполне возможно, что они реагируют на слабую первоначальную дрожь, которую люди не замечают, – любой владелец домашнего питомца скажет, что животные все время ведут себя необычно, так что многие их поступки быстро забываются. Значение тем или фактам люди обычно придают уже задним числом.

В настоящее время большинство сейсмологов весьма пессимистично относится к тому, что точное прогнозирование землетрясений когда-либо станет возможным. Но последнее слово в этом деле еще не сказано. Мы пока не знаем ответа на один из самых больших вопросов сейсмологии: из-за какого процесса, протекающего внутри Земли, возникает землетрясение? Возможно, там происходит некая медленная нуклеаризация, а значит, предвестники землетрясения вполне могут существовать. Для выяснения этого, как и во всех других исследованиях по прогнозированию землетрясений, необходимо выйти за пределы ретроспективного анализа и бессистемных эпизодов и перейти в область статистически строгой науки.

Глава 5. В поисках новых идей

Сегодня теория тектоники плит является общепринятой, но она не идеальна. Эта теория пытается объяснить происхождение землетрясений вдали от границ литосферных плит и не затрагивает события, происходящие глубоко внутри Земли. Вот только эти события оказывают огромное влияние на те явления, с которыми мы сталкиваемся на поверхности планеты. Наших сегодняшних знаний все еще не хватает, чтобы предсказать движение континентов в будущем. К счастью, существует множество новых теорий, направленных на устранение этого недостатка.

Землетрясения в неожиданных местах

Чуть более 200 лет назад, в период с 16 декабря 1811 года по 7 февраля 1812 года, в долине реки Миссисипи произошла целая серия из четырех мощных землетрясений. Они прокатились по всей низине заполненного осадочными отложениями бассейна реки, простирающегося с юга на север – от Мексиканского залива до Каира в штате Иллинойс (США). В городке Нью-Мадрид (в современном штате Миссури) магнитуда землетрясений достигала 7 баллов, временами доходя до 8. Во время последнего из них вода в Миссисипи потекла вспять, а берега осыпались, образовав многочисленные оползни, в результате чего в северо-западной части штата Теннесси из-за перекрытия русла реки образовалось озеро Рилфут (см. рис. 5.1). Сегодня это озеро – популярный охотничий и рыболовный заповедник.

На первый взгляд, все это произошло совершенно случайно. Нью-Мадрид находится далеко от границ тектонических плит, на которых обычно происходят крупные сейсмические сдвиги. На самом деле это было не единственное землетрясение на внутренней части плиты. В 1556 году в провинции Шаньси произошло великое китайское землетрясение – самое смертоносное в истории. Поблизости от того места, в северо-центральной части Китая, опять же не было границ тектонических плит. Это землетрясение унесло жизни около 800 000 человек: согласно докладу о том событии, «горы и реки поменялись местами». Землетрясение магнитудой 5,8 балла произошло 23 августа 2011 года в штате Вирджиния (США). Его эпицентр находился рядом с городком Минерал. Жертв не было, но этот инцидент вызвал хаос и смятение по всему Восточному побережью США. В недавнем прошлом землетрясения также имели место во внутренних частях Индии и Австралии.

Рис. 5.1. Озеро Рилфут в штате Теннесси, которое образовалось после землетрясения, заставившего воду в реке Миссисипи течь в обратном направлении.

Такие «нетрадиционные» землетрясения на внутренних частях плит долгое время оставались загадкой. Тот факт, что они в принципе случаются, дает нам серьезную пищу для размышлений. Ведь может случиться так, что не только Сан-Франциско и Лос-Анджелес могут подвергнуться сильным землетрясениям, но еще и Нью-Йорк, Сидней и Лондон.

То, что в Сан-Франциско и Лос-Анджелесе происходят землетрясения, совсем не удивительно. Эти города расположены возле печально известного разлома Сан-Андреас в Калифорнии, где Северо-Американская и Тихоокеанская плиты наползают друг на друга со скоростью от 33 до 37 миллиметров в год. При этом создаются напряжения, которые требуют выхода; тогда и случаются землетрясения.

Современный взгляд таков, что силы, которые разрывают земную кору на границах между плитами, сталкивая их с друг с другом, могут также вызывать и землетрясения на внутренних частях плит; разница в том, что «внутриплитовые» землетрясения не образуют разрывы во всю толщину плит. В результате создается нестабильная область. Ее поверхность часто ничем не примечательна, но тем не менее она испытывает нагрузку гораздо большую, чем породы вокруг нее. Напряжения в ней накапливаются гораздо медленнее, и это может объяснить, почему землетрясения здесь происходят значительно реже, чем на границах между плитами.

В 1980-х годах стало ясно, что Нью-Мадрид находится на вершине такого «неудавшегося разлома». Эта местность называется сейсмической зоной разлома Рилфут. Она располагается под южными районами и средне-западной частью США. В последние несколько тысяч лет этот край постоянно содрогался. Подтверждением этому служит анализ геологических особенностей, которые называются песчаными выбросами. Они возникают, когда мощное землетрясение сотрясает почву настолько сильно, что она теряет прочность и начинает вести себя как жидкость, извергаясь вверх, подобно крошечному грязевому вулкану. Равнины в окрестности Нью-Мадрида усеяны песчаными выбросами, которые образовались 200 лет назад. Ученые находят их и под землей, что свидетельствует о мощных подземных толчках, которые в 300, 900 и 1450 годах сотрясали эту территорию.

В Геологической службе США предполагают, что в ближайшие 50 лет в Нью-Мадриде с вероятностью 25–40 % может произойти землетрясение магнитудой 6 или более баллов. При этом вероятность, что это землетрясение окажется таким же сильным, как и 200 лет назад, составляет около 7–10 %. В то время в этом регионе поселенцев было сравнительно мало. Сегодня же землетрясение такого масштаба может нанести урон гораздо большему числу проживающих здесь людей. И Нью-Мадрид – не единственная зона риска. Были исследованы деформации осадочных отложений под рекой Миссисипи, в результате чего обнаружен разлом длиной 45 километров к северу от города Мемфиса. Этот разлом, по-видимому, является частью Рилфута. Кроме того, в 2009 году в штате Арканзас обнаружили разлом длиной 10 километров недалеко от города Марианна. Сейсмогенный потенциал, по-видимому, охватывает гораздо большую площадь, чем просто активные разломы, о которых мы осведомлены сегодня.

Тем не менее особенных причин для беспокойства сейчас нет. Если разломы в этой области все еще находятся под напряжением, то они должны перемещаться, как трещины в разломе Сан-Андреас. Но двадцатилетние GPS-исследования сейсмической зоны вокруг Нью-Мадрида не зафиксировали никаких смещений. Автор этих исследований – Сет Штейн из Северо-Западного университета в Эванстоне (штат Иллинойс, США) – и его коллега Эрик Кале в 2009 году выдвинули предположение, что в настоящее время сейсмическая зона Нью-Мадрида находится в глубоком «сейсмическом сне», от которого она вряд ли проснется в ближайшие сотни, а то и тысячи лет.

Миграция землетрясений

Геолог Штейн сделал спорное заявление. Он не поддерживает идею о том, что землетрясения во внутренних частях тектонических плит сродни тем, которые происходят на границах между плитами, и что хотя первые случаются реже, чем вторые, места их возникновения также можно предсказать. У Штейна другая точка зрения на этот счет. Он характеризует внутренние землетрясения как эпизодические, групповые и мигрирующие: сейсмическая энергия может резко вырасти в переплетении небольших разломов, которые пробираются в середину тектонической плиты. Штейн считает, что со временем смещения из региона Нью-Мадрида мигрируют в плите под Средним Западом США в сейсмические зоны в штате Индиана и дальше на юг, в штат Арканзас.

Миан Лю из Миссурийского университета в городе Колумбии склонен согласиться с этим сценарием. Лю проанализировал землетрясения внутри плит, происходившие на протяжении 2000 лет на севере Китая, и показал, что их эпицентры случайно «прыгают» туда-сюда: области сильных толчков становятся спокойными; зоны, ранее бывшие спокойными, внезапно превращаются в активные. По мнению Лю, землетрясения «мигрируют в пространстве, прыгая от одного разлома к другому на большие расстояния». По-видимому, разломы в середине плиты могут быть механически связаны, так что землетрясение вдоль одного разлома меняет чувствительность другого по отношению к будущему перемещению.

Если это так, нам придется пересмотреть наши представления о землетрясениях внутри плит. Посмотрим на землетрясение в Вирджинии в 2011 году. Его эпицентр находился в сейсмической зоне центральной части Вирджинии, где за последние 120 лет произошло много серий подземных толчков магнитудой около 3 баллов. Но считалось, что там практически отсутствует вероятность более сильных землетрясений. Если идеи Штейна и Лю верны, источником таких событий могла быть «странствующая» сейсмическая энергия, которая попала в эту область откуда-то еще. Например, близлежащая сейсмическая зона на западе Квебека простирается за северную границу штата Нью-Йорк, где в 1944 году произошло землетрясение магнитудой 5,6 балла. Сейсмическая зона восточной части Теннесси, простирающаяся от северо-востока штата Алабама до юго-запада штата Вирджиния, также очень активна. За последние десятилетия там произошло два землетрясения магнитудой 4,6 балла.

Рис. 5.2. Карты сейсмических рисков материковой части США, основанные на исторических данных, показывают, что места, расположенные далеко от границ плит, могут быть также подвержены землетрясениям.

Это звучит как предупреждение. Землетрясения, подобные тем, что были в Вирджинии и Нью-Мадриде, могут произойти где угодно, в том числе в Бостоне, Чикаго, Нью-Йорке и других крупных городах. Землетрясение магнитудой 5,7 балла произошло в 1580 году в Дуврском проливе у юго-восточной части Англии. Оно привело к тому, что с Вестминстерского аббатства в Лондоне, на расстоянии около 150 километров, упала остроконечная башенка (пинакль). В том же регионе в 2007 году произошло землетрясение магнитудой 4,3 балла. Но не стоит преувеличивать риски: большинство современных зданий в западных городах может легко выдержать землетрясения магнитудой 5 или 6 баллов. Небоскребы, в частности, достаточно устойчивы к качаниям, но исторические памятники и старые здания, построенные из неармированного кирпича, могут быть уязвимы. В зоне риска находятся также критически важные объекты инфраструктуры, такие как электрические и телекоммуникационные сети, водные и топливные трубопроводы.

Сейсмологи стремятся выяснить, существует ли какая-то систематичность в возникновении внутриплитовых землетрясений. В каждом третьем штате США имеется ущелье или расселина, которые можно считать несостоявшимися разломами. Некоторые из них (например, озеро Рилфут) проявляют сейсмическую активность, а другие – нет. Ответ на вопрос, почему это так, пока не найден. Не имея четкой схемы происхождения внутриплитовых землетрясений, мы можем ожидать, что их возникновение возможно где угодно и когда угодно.

Мощность плюмов

Не только землетрясения возникают «в неправильных местах». К вулканам это тоже относится. Американский геофизик Джейсон Морган положил начало исследованию тектоники плит (см. главу 4); кроме того, в 1970-х годах он также был одним из первых ученых, обнаруживших ошибку в теоретическом объяснении вулканизма Гавайских островов.

Эти острова лежат в тысячах километров от края Тихоокеанской плиты, на которой они покоятся. Согласно теории тектоники плит, все значительные геологические события должны происходить на границах плит. Таким образом, с точки зрения тектоники литосферных плит вулканизм на этих островах объясняется слабостью плиты, которая позволяет более горячему веществу пассивно изливаться из мантии. Но Морган вспомнил выдвинутую ранее канадским геофизиком Джоном Тузо Вильсоном идею и предположил, что поток горячего мантийного вещества (плюм) прорывается на поверхность с глубины многих тысяч километров.

Это противоречило общепринятой теории, и только в середине 1980-х годов другие ученые начали склоняться к тому, что Морган, возможно, прав. Перелом в сознании случился, когда благодаря сейсмическим волнам, выделяемым землетрясениями, удалось раскрыть некоторые тайны строения нашего подземного мира.

Рис. 5.3. Гавайские острова имеют вулканическое происхождение, хотя рядом с ними нет границы тектонических плит. Как это объясняется?

Сейсмические изображения являются весьма приближенными и нечеткими, но они показывают, что мантия обладает сложной динамикой. Очень важно то, что измерения выявили две массивные области очень горячего плотного вещества. Их назвали термохимическими сваями. Они расположены на самом дне мантии, вблизи ее границы с внешним ядром. Одна термохимическая свая находится под южной частью Тихого океана, а другая – под Африкой. Каждая из них имеет тысячи километров в поперечнике и над каждой из них поднимается вверх, к поверхности, суперплюм из еще более горячего вещества.

Наличие суперплюма объясняет, почему дно в центре южной части Тихого океана возвышается примерно на 1000 метров над окружающим подводным рельефом. Этот факт не находил объяснения в теории тектоники плит. Нечто подобное можно сказать и об африканском суперплюме, который поддерживает территорию от юга Конго до самой нижней оконечности Южной Африки, включая Мадагаскар. Сейсмическая съемка позволила обнаружить под Исландией и Гавайскими островами более мелкие особенности, также похожие на плюмы и простирающиеся вверх, к литосфере. Возможно, эти мини-плюмы объясняют существование этих островов и их вулканизм.

Между тем у берегов Аргентины морское дно понижается почти на километр. Эта территория расположена прямо над областью мантии, которая, согласно результатам сейсмовидения, является холодной и отождествляется с нисходящим мантийным потоком. Аналогичным образом бассейн реки Конго расположен в холодной зоне и находится на сотни метров ниже, чем его окрестности. Почти везде, где были проведены измерения, обнаружены свидетельства вертикальных движений внутри Земли, которые приводят к изменениям ее поверхности.

Глубокое воздействие

Не вполне ясно, какие механизмы здесь задействованы. Стандартный подход теории тектоники плит заключается в следующем. Вещество, погружающееся вниз в зонах субдукции, перерабатывается в неглубоко залегающей мантии и вновь появляется на поверхности в результате вулканической активности вблизи от границы взаимодействия двух плит (или немного дальше того участка, где плиты расходятся). Однако размытые, но очень интересные сейсмограммы показывают наличие участков субдуцированных плит, которые находятся на различных стадиях спуска во внутреннее пространство Земли – к нижней мантии (см. рис. 5.4).

Рис. 5.4. Сейсмографические изображения показывают, что «закулисье», спрятанное в глубине Земли, существенно влияет на явления, происходящие на поверхности.

Бернхард Штейнбергер, работающий в Университете Осло (Норвегия), совместно со своими коллегами построил модель, из которой следует, что плита, погрузившись вниз и дойдя до границы между мантией и ядром, может сдвинуть вещество вдоль этого слоя. Далее, когда это вещество встречается с термохимической сваей, выше места «встречи» начинают образовываться плюмы. Моделирование, проведенное Штейнбергером, демонстрирует, что плюмы образуются в более-менее «нужных» местах. Например, результаты модели показывают, что плиты, погрузившись под Алеутскими островами возле Аляски, могут вызвать образование плюма под Гавайскими островами, создав горячую точку, которая питает местные вулканы.

Группа Клинта Конрада в Гавайском университете в Маноа смоделировала эффект, который получится, если тектоническая плита будет двигаться в одну сторону, а мантия под ней – в противоположную. Они обнаружили, что в некоторых случаях эффект сдвига может привести к плавлению и поднятию вещества мантии.

Согласно этой модели, подводные вулканы должны присутствовать на западе, а не на востоке Восточно-Тихоокеанского поднятия – срединно-океанического хребта, который проходит почти параллельно западному побережью Южной Америки. Результаты моделирования соответствуют сейсмическим измерениям, из которых следует, что мантия и плита движутся в противоположных направлениях именно на западе, а не востоке. Модель также предсказывает, что наибольший эффект сдвига присутствует в западной части США, на юге Европы, в восточной части Австралии и в Антарктиде – во всех этих случаях области вулканической активности находятся далеко от границ между плитами.

Тектоника плит и не только

Если сегодня динамические процессы, происходящие внутри Земли, могут изменить карту рельефа на поверхности, то же самое должно было происходить и в прошлом. Но мы уже убедились, что расшифровать историю Земли в отдаленном прошлом не так-то просто.

В 2011 году группа ученых под руководством геолога Ники Уайт из Кембриджского университета смогла восстановить некоторые особенности рельефа далекого прошлого у западного побережья Шотландии. Они устроили несколько взрывов и изучили отраженные сейсмические волны, чтобы проанализировать состав пород, лежащих под морским дном. Исследователи увидели, что под более поздними слоями пород и отложений погребены ископаемые ландшафты. Их возраст насчитывал 55 миллионов лет, а сами они изобиловали холмами, долинами и речными руслами.

С течением времени русла у рек менялись. Исследуя эти трансформации, ученые показали, что когда-то ландшафт был выше уровня моря почти на километр, после чего снова погрузился в него. И все это произошло всего лишь за миллион лет. Процессы, связанные с тектоникой плит, не смогли бы так быстро поднять хребет гор, а у эрозии не получилось бы развеять горные породы за это время. Уайт считает, что пузырь из горячего вещества мантии отделился от плюма и устремился наружу в радиальном направлении; он же, возможно, подпитывает и вулканы в соседней Исландии.

Другие исследователи обнаружили, что такие же вертикальные перемещения суши происходили в восточной Австралии в меловой период. С точки зрения тектоники плит, эти передвижения опять не укладываются в слишком короткие сроки. Наиболее вероятный механизм этих процессов – конвективные потоки в мантии.

Даже основные события тектонического прошлого Земли могли быть не такими, какими они представляются сейчас. Гималаи образовались 35 миллионов лет назад, после того как Индийская плита устремилась на север и врезалась в Евразийскую. Но теория тектоники плит не может объяснить, почему Индия неслась к своей цели со скоростью почти 18 сантиметров в год. Сегодняшние скорости движения плит достигают всего около 8 сантиметров в год. Одна из дискуссионных версий, объясняющих такую большую скорость, – стремительный бег был спровоцирован верхушкой мантийного плюма.

Аналогичным образом аномальная и периодически возникающая разрушительная сейсмическая активность на Среднем Западе США, вдали от границ между плитами, может объясняться движением древней исчезнувшей плиты Фараллон, которая в меловом периоде начала погружаться в мантию под западным побережьем Северной Америки. К началу XIX века эта плита «зарылась» достаточно глубоко, послужив причиной нисходящего мантийного потока под долиной реки Миссисипи в ее среднем течении. Вышележащие слои литосферы деформировались и спровоцировали серию землетрясений в Нью-Мадриде.

Но не все специалисты согласны с большой ролью плюмов в тектонических процессах. Самый существенный изъян этой идеи заключается в том, что хотя сейсмические волны распространяются достаточно медленно и ниже предполагаемых горячих точек в неглубокой мантии, эти аномалии скорости не распространяются до дна мантии, где, как считается, образуются плюмы. Энтузиасты же полагают, что эти возражения со временем снимутся – нужно лишь провести достаточно хорошую сейсмическую съемку.

Если они правы, то не только тектоника плит отвечает за формирование прошлого, настоящего и будущего нашей планеты. В этом случае геология находится в преддверии еще одной революции, которая может быть столь же значительной, как и та, которая была связана с введением понятия о тектонике плит.

Будущий суперконтинент

Тектоника плит в ответе за то, что наши континенты все время медленно двигаются. Казалось бы, если мы понимаем механизм этого движения, то можем предсказать и будущие перемещения наших огромных массивов суши. Такие предсказатели действительно существуют. Правда, у всех них разные представления о том, где континенты окажутся в итоге и почему. Мы неспособны договориться о сценарии грядущих событий, а это значит, что мы все еще упускаем жизненно важные детали, связанные с тектоникой плит.

Остаточная намагниченность пород морского дна и изотопный анализ скального грунта, лежащего в основании древних горных хребтов, говорят нам о том, как континентальный дрейф изменил лицо Земли. Из этих данных следует, что 180 миллионов лет назад все сегодняшние континенты были слиты воедино; центр этой обширной территории – суперконтинента по имени Пангея – находился примерно там, где лежит современная Африка (см. главу 2).

Мы знаем, что Пангея образовалась около 330 миллионов лет назад. Некоторые считают, что до этого сравнительно недолго существовал другой суперконтинент около Южного полюса – Паннотия, или Гондвана. Те, кто углубился еще дальше в прошлое, говорят, что до этого – в промежутке между 1,2 миллиарда и 700 миллионов лет назад – на планете господствовал суперконтинент Родиния. А еще раньше, 2 миллиарда лет назад, был еще один, более древний суперконтинент.

Не исключено, что в будущем на Земле появится новый суперконтинент. Как и где может сформироваться эта новая обширная суша?

Новопангея

Одна из моделей просто проецирует сегодняшние события в будущее. Когда-то Пангея раскололась на части, и этот раскол до сих пор увеличивается – Африка и Евразия удаляются от обеих Америк. Атлантический океан расширяется по мере того, как новые породы возникают вместе с его срединно-океаническом хребтом, в то время как Тихий океан сжимается, поглощаемый зонами субдукции, которые его окружают, – знаменитым огненным кольцом.

Если эти движения будут продолжаться, примерно через 250 миллионов лет сформируется новый суперконтинент – Новопангея. Он расположится на противоположной от древней Пангеи стороне Земли, поскольку обе Америки и Азия схлопнутся вокруг северной части Австралии (см. рис. 5.5).

Но не все так просто. Кристофер Скотезе из Северо-Западного университета в Эванстоне считает, что можно – и довольно успешно – заниматься проецированием современных событий на 50 миллионов лет вперед, но чтобы видеть еще более далекое будущее, необходимо владеть детальным пониманием тектоники плит, чем мы похвастаться пока не можем.

Рис. 5.5. Ученые предложили по крайней мере четыре различных сценария следующего объединения континентов.

Начиная с 1982 года Скотезе занимается изготовлением карт прошлого и будущего Земли, используя различные правила приближенного расчета. Наиболее важным и распространенным из этих правил является следующее: тектоника плит главным образом обусловлена натяжением тонущих плит в зонах субдукции и в меньшей степени – толчками новых массивов, образующихся на срединно-океанических хребтах. Нужно понять, где будут появляться зоны субдукции и срединно-океанические хребты в то или иное время, и тогда сразу станет ясно, как и что будет дергать и толкать континенты в разные стороны.

Но такой плавный сценарий может быть нарушен тремя видами катастрофических событий. Зона субдукции способна поглотить расширяющийся океанский хребет, как это происходит сегодня у западного побережья Северной Америки, где поглощается хребет Хуан-де-Фука. Или могут столкнуться два непотопляемых континента и подавить зажатую между ними зону субдукции; тогда на этом месте взметнутся ввысь большие горы. Так случилось, когда столкнулись Индия и Евразия, которые породили Гималаи.

Есть и третий возможный катаклизм, который гораздо сложнее понять или предсказать, – создание новой зоны субдукции. Это должно каким-то образом произойти, иначе все существующие зоны субдукции в итоге будут уничтожены сталкивающимися континентами и с тектоникой плит будет покончено. Однако история Земли свидетельствует о том, что плиты все время двигаются и суперконтиненты постоянно формируются и разрушаются – новые зоны субдукции появляются снова и снова.

Пангея Проксима

Вероятнее всего, новая зона субдукции будет образована где-нибудь на пассивной окраине континента, например в регионе атлантического побережья Европы, Африки и обеих Америк. В этих местах старая океаническая литосфера, которая расползается из срединно-океанических хребтов, встречается с континентальной корой. С момента своего образования океаническая литосфера успела охладиться и стала плотнее, чем породы под ней, поэтому она стремится погрузиться вниз.

Но не может этого сделать. Старые холодные литосферные породы трудно взломать. Даже веса речных отложений толщиной в несколько километров, намытых на побережья с континентов, не хватает, чтобы проломить эти плиты. Отчасти может помочь вода, просачивающаяся в породы и ослабляющая их, но, вероятно, этого недостаточно, чтобы взломать эти пассивные окраины. В 1980-х годах Скотезе предположил, что если в океанической литосфере появится трещина, то дальнейший разрыв может произойти благодаря возникновению местных напряжений.

В Западной Атлантике уже есть две небольшие зоны субдукции: вулканическая дуга, состоящая из Малых Антильских островов, которая образует восточную границу Карибского моря, и Южно-Антильский хребет между оконечностью Южной Америки и Антарктическим полуостровом. Согласно предположению Скотезе, в итоге эти зоны субдукции распространятся на юг и на север, объединятся и образуют расширенную зону субдукции вдоль восточного побережья Северной и Южной Америк. По его прогнозу, из-за этого через 100 миллионов лет срединно-океанические хребты исчезнут и Атлантический океан снова начнет сокращаться. Через 250 миллионов лет обе Америки столкнутся с уже объединенными Африкой и Евразией – так же, как и с Австралией и с большей частью Антарктиды, – и образуют суперматерик, который Скотезе назвал Пангеей Проксимой.

Амазия

В 2012 году группа геологов под руководством Росса Митчелла из Йельского университета предложила третий вариант. Движения масс, связанные с образованием суперконтинента, приводят к смещению оси вращения Земли. Ученые проанализировали ориентацию магнитных кристаллов в горных породах, которые охлаждались примерно в то время, когда существовали первые суперконтиненты, и продемонстрировали, что положение Родинии примерно на 90° отличалось по широте от положения самого первого суперконтинента; и что положение Пангеи отстояло примерно на 90° от положения Родинии. Митчелл и его коллеги предсказывают, что продолжение следует и что следующий суперконтинент должен сформироваться где-то около Северного полюса, когда Азия и Северная Америка сойдутся вместе. Они назвали этот гипотетический суперматерик Амазией.

Аурика

Геолог Жоао Дуарте из Лиссабонского университета (Португалия) считает, что у всех этих моделей есть свои недостатки. Согласно предложенным сценариям, Амазия и Новопангея будут окружены большими участками океанической коры с возрастом более 400 миллионов лет, а это неправдоподобно с точки зрения ученого. Дуайт Брэдли из Геологической службы США изучил в 2008 году породы древних пассивных окраин континента в Анкоридже (Аляска) и обнаружил, что самые старые из них имеют возраст в среднем около 180 миллионов лет. Вряд ли они могли сохраниться в течение 400 миллионов лет. Плиты в океанах типа Атлантического должны начинать сползать вниз примерно через 200 миллионов лет, и Дуарте считает, что это не простое совпадение.

У Скотезе в версии с Пангеей Проксимой нет таких затруднений, связанных со слишком большим возрастом коры. Тихий океан теоретически может оставаться открытым в течение многих сотен миллионов лет, при этом новая кора будет постоянно генерироваться и разрушаться. Но Дуарте и это считает невероятным, потому что такие хребты, как Хуан де Фука, уже погружаются.

Дуарте согласен со Скотезе в том, что субдукция может распространяться как вирус – этот процесс он назвал вторжением. Ученый нашел доказательства того, что субдукция начинает проникать на восточную окраину Атлантического побережья Португалии, где силы, порожденные древней остаточной субдукцией в Средиземном море, помогают создавать новые разломы на дне океана.

В 2016 году Дуарте опубликовал свой прогноз, согласно которому субдукция будет распространяться по обе стороны Атлантического океана в течение нескольких десятков миллионов лет, а затем океан начнет исчезать. Тихий океан тоже будет продолжать исчезать, а главной жертвой этого процесса станет Азия. Трещина пройдет через весь континент, от Индийского океана до Арктики, и Тибетское Нагорье рухнет под собственным весом вместе с Гималаями. Образуется новый океан, и в итоге получится новый суперконтинент с двумя половинками Азии на его внешней стороне и с Америкой и Австралией посередине; этому суперконтиненту было дано название «Аурика».

Неплохой сценарий, говорит Скотезе. Но у него есть как минимум одна трудность. Чтобы исчез Атлантический океан, необходимо погрузить срединно-атлантический хребет, но если есть субдукция по обе стороны океана, хребет может оставаться посередине и снабжать корой обе стороны.

Сторонники всех четырех сценариев подчеркивают, что будущее непредсказуемо и что их модель – это всего лишь один из вариантов (хотя, конечно, наиболее вероятный). Кто бы ни был прав, нашим будущим потомкам неизбежно придется приспосабливаться к странным образом изменившемуся миру, а он, в свою очередь, будет влиять на уклад жизни наших потомков.

Глава 6. Атмосфера, климат и погода

Благодаря гравитации наша планета сохраняет вокруг себя газовую вуаль, которая простирается на сотни километров, постепенно сливаясь с космическим пространством. Верхние слои атмосферы проявляют любопытные магнитные и электрические свойства, но мы сосредоточим свое внимание на самых нижних 10 километрах, где воздух является пригодным для дыхания. Эта тонкая оболочка – место нашего обитания, место, где формируется погода. Она играет важную роль в циклах превращений химических элементов, которые отвечают за геологию и климат Земли.

Что входит в состав атмосферы?

Атмосфера Земли сильно изменилась за время жизни планеты. Та атмосфера, которая сформировалась в самом начале, почти наверняка была сметена вспышками новорожденного Солнца. Возможно, некоторые составные части атмосферы появились на Земле вместе с «гостями», залетевшими из космоса; но наиболее вероятным источником земной атмосферы являются все-таки газы, появившиеся от извержений вулканов. В сегодняшних вулканических выбросах содержится 64 % водяного пара, 10 % сернистого газа и 1,5 % азота.

За прошедшие тысячелетия состав этой газообразной смеси изменился до неузнаваемости. Пока юная Земля остывала, водяной пар конденсировался, превращаясь в океаны, а огромное количество углекислого газа растворялось в океанах, чтобы позже образовать обширные пласты известняка. В течение всего этого времени в атмосфере медленно накапливался инертный азот: ему просто некуда было деться.

А как обстояли дела с кислородом? В течение 2 миллиардов лет в атмосфере его было очень мало. А может, и не было вообще. Ситуация полностью изменилась, когда первые живые организмы научились фотосинтезу с использованием воды. И это было тем событием, которое вызвало самую массовую за всю историю эволюции Земли гибель живых существ и в корне изменило атмосферу планеты (см. главу 8).

Уже 600 миллионов лет назад атмосфера имела в основном такой же массовый состав, как и сейчас: 75 % составлял азот, 23 % – кислород, 1 % – водяной пар и 1,3 % – аргон. Есть примеси (менее 0,1 %) углекислого газа, неона, гелия и многих других газов – от озона и радона до водорода и веселящего газа.

Снизу вверх

Внизу атмосфера состоит из ряда слоев: ближайший к поверхности Земли называется тропосферой, за ним следует стратосфера. Эти слои играют ключевую роль в формировании погоды и климата, и они же оказывают самое большое влияние непосредственно на жизнь на планете.

Атмосфера получает тепло в основном от Солнца – в виде электромагнитного излучения. (Количество геотермальной энергии за счет радиоактивного излучения пород настолько мало, что им можно пренебречь.) Основная часть солнечной энергии испускается в видимой части спектра на длинах волн от 0,4 до 0,7 микрометра (мкм). Это излучение не поглощаясь проходит через атмосферу и нагревает поверхность Земли.

Рис. 6.1. Атмосфера Земли состоит из нескольких слоев, которые имеют разные температуры.

Около 7 % энергии Солнца излучается на длинах волн более коротких, чем у видимого света, – в ультрафиолете. Это излучение поглощается молекулами кислорода и озона в стратосфере и непосредственно нагревает этот слой. Небольшое количество солнечной энергии излучается в инфракрасном диапазоне; длины волн инфракрасного излучения больше, чем у видимого света. Часть этого излучения поглощается в атмосфере, но его роль в нагревании воздуха незначительна.

Температура атмосферы повышается в основном за счет энергии, приходящей с поверхности Земли, которая нагревается солнечным излучением. Частично нагрев атмосферы происходит благодаря прямому оттоку тепла от поверхности, но основную роль все же играет инфракрасное излучение планеты, поглощающееся молекулами водяного пара и углекислого газа в нижней части атмосферы.

Это инфракрасное излучение нагревает воздух, который затем тоже излучает тепло, также на инфракрасных длинах волн. Часть этого излучения возвращается к поверхности Земли, сообщая ей дополнительное тепло – возникает парниковый эффект (см. главу 10). Остальное излучение уходит в верхние части атмосферы, поглощается и переизлучается там несколько раз, пока не рассеивается в космосе.

Подъем нагретого воздуха в теплой тропосфере является ключевым фактором, влияющим на нашу погоду и общую циркуляцию в атмосфере. Но этот теплый воздух может подниматься только до определенной высоты, на которой он начинает сдерживаться еще более теплым воздухом в стратосфере.

В стратосфере, в которой располагается озоновый слой, происходит поглощение ультрафиолетового излучения. Под действием этого излучения обычные молекулы кислорода (O_2) расщепляются и часть освобожденных атомов кислорода вступает в реакцию с другими молекулами кислорода, в результате чего образуется озон (O_3). Озон также поглощает ультрафиолетовое излучение, но на других длинах волн. Оба процесса идут с поглощением энергии солнечного излучения и нагревают таким образом стратосферу.

Стратосферу можно рассматривать как крышу для тропосферы, благодаря которой происходят сдерживание конвекции и формирование области, ответственной за погоду. Средняя температура на поверхности планеты составляет около 15 °C, что примерно на 33 °C выше, чем было бы в отсутствие на Земле воздушного «одеяла» и парникового эффекта, сохраняющих тепло. С увеличением высоты в тропосфере температура сначала падает, но на высоте 20 километров – на границе между тропосферой и стратосферой – падение температуры останавливается. Эта граница между тропосферой и стратосферой называется тропопаузой. Высота ее разная на разных широтах и меняется в зависимости от сезона и времени суток. Тропосфера содержит около 75 % массы всей атмосферы Земли.

Спасти озоновый слой (и всех нас)

В мае 1985 года мир осознал надвигающуюся катастрофу поистине глобального масштаба. Джо Фарман и его коллеги из Британской антарктической службы объявили, что над самым южным континентом планеты открылась и растет огромная озоновая дыра. Эта новость вызвала сенсацию, поскольку стратосферный озон является главным оборонительным рубежом планеты от вредного ультрафиолетового излучения, которое вызывает рак кожи и катаракту. И самое неприятное то, что ответственны за это были сами люди. Осознание этой опасности привело к заключению мирного договора об охране окружающей среды, который успешно действует и по сей день.

Самым большим потребителем озона был признан хлор, поступающий в атмосферу в галоидоуглеводородных соединениях, таких как хлорфторуглероды (ХФУ) и фреоны, используемые в промышленности в качестве растворителей и особенно в качестве хладагентов в бытовых холодильниках. Оказавшись высоко в атмосфере, хлор освобождается из этих соединений. Осаждаясь на поверхности замерзших частиц в стратосферных облаках, хлор разлагает озон (O_3) на молекулярный кислород (O_2).

Правительства стран мира сумели сплотиться перед лицом этой угрозы. В 1987 году они собрались и под эгидой Монреальского протокола утвердилизапрет на производство ХФУ и других химических веществ, разрушающих озоновый слой. Запрет вступил в силу в 1989 году – таким образом удалось переломить ход событий. Спутниковые измерения показали, что уровень озона стабилизировался в середине 1990-х годов и начал восстанавливаться в начале этого века.

Полностью восстановить озоновый слой удастся не раньше 2065 года. Между тем продолжают появляться потенциальные препятствия, которые могут отодвинуть и эту дату. Основные заменители ХФУ, гидрофторуглероды, оказались мощными парниковыми газами, действующими на климат в 4000 раз сильнее, чем углекислый газ. В 2016 году были согласованы новые правила по поэтапному отказу от них. Затем, в 2017 году, было замечено, что в атмосфере повысился уровень дихлорметана – еще одного «пожирателя» озона, который не подпадал под действие Монреальского протокола. По некоторым оценкам, влияние этого химического соединения может отодвинуть полное восстановление стратосферного озона до 2095 года.

Электрические слои

На высоте от 20 до 60 километров температура в стратосфере начинает возрастать. Если в тропопаузе она составляет –60 °C, то в верхней части стратосферы она вырастает до 0 °C. Слой, ограничивающий стратосферу сверху, называется стратопаузой. Ниже стратопаузы находится 99,5 % массы всей атмосферы Земли.

Еще один холодный слой, мезосфера, протянулся на высоте от 50 до 80 километров. Это самый верхний и разреженный слой атмосферы с самыми низкими атмосферными температурами. В мезопаузе, самой высокой точке мезосферы, температура падает до –100 °C. Здесь начинается последний слой атмосферы, называемый термосферой. Температура в этом слое опять начинает повышаться. Под действием ультрафиолетового и рентгеновского излучений Солнца атомы ионизируются. Электроны покидают их, оставляя положительно заряженные ионы.

Частично ионизация начинается уже в верхней части стратосферы. Поэтому вся область, которая находится на высоте от 50 до 400 километров, считается ионосферой. Ионосфера также подразделяется на слои, в зависимости от степени ионизации. Присутствие ионизированных частиц в этой области впервые было заподозрено, когда Гульельмо Маркони показал, что радиоволны могут огибать земной шар. Радиоволны распространяются по прямой, но возможна и передача сигналов вокруг земного шара на большие расстояния – без помощи спутников, – поскольку ионизированные слои отражают радиосигналы с длинами волн более 15 метров.

Самая нижняя часть ионосферы, на высоте от 50 до 90 километров, называется слоем D. Концентрация свободных электронов в нем низкая, и он отражает только длинные радиоволны. Далее над ним идет слой E, достигающий высоты 150 километров. Он ионизован сильнее, чем слой D, и отражает радиоволны со средними длинами волн. Однако его ионизация может исчезать в ночное время, поэтому радиосигналы средних длин волн в разное время проходят по-разному. Слой F, протяженностью от 150 до 400 километров, является наиболее сильно ионизированным среди слоев ионосферы и наиболее пригодным для радиосвязи.

На высоте около 400 километров атмосфера сильно разрежена и ее нельзя уже рассматривать как сплошной газ: столкновения между молекулами, атомами и ионами слишком редки. Поэтому понятие температуры здесь уже не имеет смысла. Частицы из этого слоя могут покидать земную атмосферу и вылетать в космос, поэтому его иногда называют экзосферой.

Магнитное экранирование

Самой верхней областью земной атмосферы является магнитосфера. Она находится за пределами ионосферы, на высоте от 500 километров и выше. В магнитосфере все атомы ионизированы и отдельные частицы образуют плазму – смесь положительно заряженных ионов и отрицательных электронов. Этот слой плазмы удерживается магнитным полем Земли.

Магнитосфера является последним форпостом планеты, она формирует «фюзеляж» нашего космического корабля под названием «Земля» (см. рис. 6.2). Со стороны, обращенной к Солнцу, она отклоняет заряженные частицы, направляя их за пределы нашей планеты. Взаимодействие солнечного ветра и магнитного поля Земли создает ударную волну на расстоянии около 14 радиусов Земли, но сама магнитосфера простирается на расстояние всего лишь около 60 000 километров. Граница между магнитосферой и межпланетным пространством называется магнитопаузой.

Рис. 6.2. Магнитосфера, внешний щит Земли, отклоняет солнечный ветер и дарит нам полярное сияние.

Над экваториальной областью Земли, на высотах 3000 и 15 000 километров, расположены две зоны с высокой плотностью высокоэнергичных заряженных частиц. Эти радиационные пояса, имеющие форму бубликов, называются поясами Джеймса Ван Аллена – американского физика, который открыл их в середине прошлого века.

В 1970-х годах с помощью спутников удалось выявить магнитослой – длинный хвост плазмы, протянувшийся по течению солнечного ветра. Магнитное поле защищает Землю от заряженных частиц солнечного ветра, отклоняя их в пояса Ван Аллена. Но некоторые частицы попадают в так называемые полярные каспы – полярные области верхней атмосферы, где быстрые электроны из солнечного ветра взаимодействуют с атмосферными атомами. Так появляются танцующие огни полярного сияния.

Климат-контроль планеты

Климат Земли удивительно стабилен. Он оставался пригодным для жизни в течение 4 миллиардов лет, хотя на этом пути и было несколько тревожных моментов. Определяющим фактором стабильности является, по-видимому, взаимодействие, установившееся между тектоникой плит и количеством углекислого газа в атмосфере и в океанах.

Это взаимодействие основано на круговороте углекислого газа. Цикл круговорота начинается с того, что вулканы выбрасывают углекислый газ в атмосферу. Это помогает сохранять планету теплой. В теплом климате морская вода испаряется, водяные пары собираются в облака и разражаются дождями. Дождевые потоки являются слабокислотными, так как они содержат углекислый газ в растворенном виде. Поверхностные породы под действием этих дождей подвергаются химическому выветриванию – углеродсодержащие минералы растворяются в воде. Затем полученная смесь вымывается в море, где минералы накапливаются и в итоге выпадают в осадок, образуя на морском дне новые углеродсодержащие породы – породы осадочного типа (см. рис. 6.3).

Рис. 6.3. Углекислый газ лежит в основе сложного механизма контроля климата на Земле.

Рано или поздно благодаря тектонике плит эти породы переносятся в зону субдукции, где в горячей мантии из них выделяется углекислый газ, который затем вновь возвращается в атмосферу в результате вулканической активности.

Этот цикл представляет собой, по сути, чрезвычайно эффективный термостат. Когда планета излишне нагревается, испарение и осадки увеличиваются, в результате чего атмосфера в ускоренном темпе освобождается от углекислого газа и планета охлаждается. Когда становится холоднее, количество осадков уменьшается и вулканические газы накапливаются в атмосфере. Планета снова нагревается.

Луна также играет немаловажную роль в поддержании пригодного для жизни климата на Земле. Она гасит колебательные движения планеты; если бы не Луна, эти колебания могли бы сильно наклонить ось Земли и вызвать ледниковые периоды. В настоящее время антропогенный фактор тоже начинает играть существенную роль (см. главу 10). Изменения, вносимые нами в климат путем сжигания ископаемого топлива, могут нанести планете урон, который будет ощущаться в течение миллионов лет; но после того, как мы исчезнем с лица Земли, термостатическое равновесие на планете, скорее всего, восстановится. Хотя гарантии никто дать не может.

Машина погоды

Если в течение длительного периода атмосфера вела себя относительно прилично, обеспечивая довольно стабильный климат на планете, то этого нельзя сказать о краткосрочной перспективе: нашу погоду можно сравнить с ветреной красавицей, подверженной внезапным приступам ярости. Такой неустойчивый характер объясняется совокупностью многих сил, которые действуют на тропосферу.

Солнце нагревает Землю, а планета нагревает ближайший слой воздуха. При нагревании молекулы воздуха начинают двигаться быстрее и объем нагретого воздушного слоя возрастает. Нагретый объем становится менее плотным, чем окружающий воздух, и взмывает вверх. Холодный и более тяжелый воздух занимает освободившееся пространство, где, в свою очередь, нагревается и поднимается, продолжая цикл. Это вертикальное движение тепла, в котором участвуют восходящие потоки теплого воздуха, называется конвекцией.

Таким образом, перепады температуры вызывают колебания плотности и давления. И тогда возникают ветры, как вертикальные, так и горизонтальные, – воздух пытается выровнять давление.

На полюсах и на экваторе атмосфера Земли нагревается неравномерно. Это объясняется простыми законами геометрии. Мы живем на шаре, вращающемся вокруг Солнца, и солнечный свет падает на поверхность шара вертикально на экваторе, но под большими углами около Северного и Южного полюсов. Поэтому на одни и те же участки площади в полярных областях приходится меньше энергии солнечного света, чем на экваторе. Эта разница является основным фактором, формирующим погоду на планете. Естественно, тепло стремится переместиться из горячих областей в холодные, поэтому атмосфера и океаны переносят тепло от экватора к полюсам. На планете, где нет перепадов температуры, никогда не дует ветер. Но Земля не такая: здесь всегда дуют ветры, и иногда очень сильные.

Пояса ветров и эффект Кориолиса

В отсутствие вращения Земли глобальная картина ветров на планете была бы очень простой. Горячий воздух поднимался бы вверх на экваторе, а затем, при достижении верхней части атмосферы, распространялся горизонтально к полюсам. На полюсах он охлаждался бы и с увеличением плотности погружался в нижние слои атмосферы, двигаясь вдоль поверхности обратно к экватору. Таким образом, поверхностные ветры дули бы только с севера на юг в северном полушарии и с юга на север в южном.

На вращающейся сфере поверхность вместе с прилегающим к ней воздухом движется быстрее всего на экваторе, а точки на полюсах вообще находятся в покое. Вращение Земли с запада на восток отклоняет ветры в северном полушарии вправо относительно направления их движения и влево в южном. Это отклонение называется эффектом Кориолиса.

Из-за вращения Земли этот эффект довольно силен. Он создает три взаимосвязанные системы поверхностных ветров в каждом полушарии: экваториальные пассаты, западные ветры умеренного пояса и восточные ветры полярных районов (см. рис. 6.4). Если бы Земля вращалась быстрее, таких поясов ветров было бы больше. У Юпитера очень высокая скорость вращения: его сутки длятся всего десять часов, поэтому на Юпитере гораздо больше поясов ветров, чем у Земли.

Рис. 6.4. Ветры на Земле дуют преимущественно в пределах поясов, которые своим появлением частично обязаны эффекту Кориолиса.

На больших высотах, над медленными приземными ветрами, дуют быстрые струйные течения с запада на восток. Такова самая общая схема ветров на нашей планете. В действительности все гораздо сложнее и запутаннее, поскольку мы живем не на однородной сфере, а на земном шаре, поверхность которого изобилует океанами, горами, лесами и пустынями.

Нестабильность и осадки

Одной из предпосылок возникновения неблагоприятных метеоусловий является атмосферная нестабильность, когда менее плотный слой поднимается над окружающим его воздухом. Нестабильность наиболее велика в том случае, когда холодный плотный воздух сосредоточен наверху, а теплый влажный воздух – внизу. Нагретый нижний слой поднимается еще и потому, что содержит водяной пар, который также уменьшает плотность воздуха. Раз начавшись, движение воздуха вверх в нестабильной атмосфере становится довольно устойчивым процессом.

Подъем воздуха приводит к его дальнейшему расширению, которое вызывает охлаждение воздуха, потому что при удалении его молекул друг от друга кинетическая энергия в данном объеме падает. В какой-то момент температура понижается настолько, что водяной пар не может больше оставаться в газообразном состоянии. При достижении этой точки, называемой точкой росы, водяной пар в воздухе начинает конденсироваться – образуются облака, из которых выпадают осадки: дождь, град или снег. Таким образом, для образования осадков необходимы два условия: достаточное количество водяного пара в воздухе и наличие механизма для подъема воздуха, чтобы он мог остыть до температуры точки росы.

Существуют три основных механизма, задействованных при подъеме воздуха и его дальнейшем охлаждении и конденсации: нагревание почвы солнечным излучением (в результате появляются восходящие потоки теплого воздуха), столкновение воздушных масс различной плотности (создает «фронты», выталкивающие воздух наверх) и горные массивы (препятствуют движению воздуха).

В тропосфере температура воздуха сначала падает при удалении от земли, а на высоте около 11 километров снова начинает подниматься. Эта температурная инверсия отмечает начало следующего слоя – стратосферы. В ней облака не образуются, потому что воздух из тропосферы не может подняться выше точки инверсии. Этот фактор ограничивает нестабильность атмосферы. В отсутствие инверсии наша погода была бы гораздо более экстремальной.

Циклоны умеренных широт

Циклоном можно назвать любой шторм с элементами вращения воздушных масс. Для появления циклона необходимы воздушные массы низкого давления, которые обычны для умеренных широт.

Неравный нагрев экватора и полюсов часто приводит к возникновению штормов протяженностью в тысячи километров. Они переносят тепло к полюсам планеты. Это так называемые циклоны умеренных широт. Благодаря им в умеренных широтах выпадает так много осадков.

Циклоны умеренных широт возникают вдоль фронта резких перепадов температуры, где холодный сухой полярный воздух граничит с теплым влажным тропическим воздухом. По мере того как холодный плотный воздух, движущийся вниз и к экватору, вытесняет более теплый и менее плотный воздух, движущийся вверх и к полюсам, высвобождается большое количество потенциальной энергии, что и приводит к возникновению сильных штормов.

Вспомогательным источником энергии является скрытое тепло. Чтобы превратить жидкую воду в пар, требуется много энергии, и эта же энергия выделяется при конденсации пара. При подъеме и охлаждении воздуха во время шторма и при конденсации водяного пара выделяется скрытое тепло, которое согревает окружающую атмосферу. Дополнительное нагревание заставляет воздух подниматься еще выше, выделяется больше скрытого тепла – так поддерживается шторм, преобразующий тепловую энергию в кинетическую, рождая при этом ветер, который действует как тепловой двигатель.

Грозы

В солнечную жару восходящие потоки теплого воздуха приводят к возникновению кучевых облаков. Их красивые пышные вершины по форме часто напоминают цветную капусту. В некоторых случаях верхушки этих облаков могут достигать внешних слоев тропосферы. В верхних частях таких облаков температура очень низкая, там образуются лед и снег. От столкновений между замерзшими частицами разделяются электрические заряды. Когда разность зарядов достигает критического уровня, происходит удар молнии, который воссоединяет положительные и отрицательные заряды.

Кучевые облака превращаются в кучево-дождевые, и начинается гроза. Дожди нужны, они поддерживают жизнь на нашей планете, но грозы часто несут в себе опасность. Грозовые ливни бывают самыми интенсивными; сильные осадки во время тропических циклонов всегда сопровождаются грозами. При сильных грозах дуют разрушительные ветры со скоростью до 240 километров в час; иногда идет крупный град, отдельные градины по размеру бывают с грейпфрут. Самые мощные ураганы в природе, торнадо, также порождаются грозами.

Торнадо

Над городком Бридж-Крик (штат Оклахома, США) 3 мая 1999 года пронесся торнадо. По измерениям доплеровского радара, скорость ветра достигала 486 километров в час на высоте около 30 метров над землей. Это была самая высокая скорость ветра за всю историю наблюдений. Ветры такой силы вызывают неисчислимые разрушения, сметая прочные бревенчатые дома с фундаментов и нанося серьезный ущерб армированным железобетонным конструкциям.

С 2000 года в Северной Америке было девять мощных торнадо, получивших официальное обозначение EF-5 по усовершенствованной шкале Фудзиты (скорость ветра превышала 322 километра в час). В отличие от ураганов, торнадо не могут похвастаться большими размерами – их поперечники обычно лежат в диапазоне от 75 метров до 3 километров. Они приходят из кучево-дождевых облаков, парящих над сушей или над водой. Торнадо, которые формируются и распространяются над водой, – водяные смерчи – обычно бывают намного слабее, чем те, что бушуют над землей.

Для того чтобы сформировались торнадо, необходим особый набор условий. Самое важное из них – наличие нестабильности и горизонтального отклонения ветра. Низковысотный поток теплого влажного воздуха, пришедший с океана, в сочетании с потоком холодного сухого полярного воздуха на большой высоте создает условия для появления максимальной нестабильности: участки воздуха, нагретые вблизи поверхности, быстро поднимаются, создавая мощные восходящие потоки.

В присутствии мощного струйного течения, с сильными ветрами в верхних частях тропосферы, возникает сдвиг скорости ветра в вертикальном направлении. Если ветер также меняет свой курс – допустим, он был южным у поверхности и стал западным на некоторой высоте, – то появится вертикальный сдвиг ветра по его направлению. Эти два типа сдвига заставляют восходящий поток вращаться, создавая вращающуюся грозу – сверхъячейку. Они порождают подавляющее большинство сильных (EF-2 и EF-3) и очень сильных (EF-4 и EF-5) торнадо.

Третье условие, которое обычно требуется для возникновения гроз из сверхъячеек, – наличие «шапки». Это область в средних слоях атмосферы, куда вторгается сухой устойчивый воздушный поток. Такая шапка в течение всего дня не дает воздуху подниматься очень высоко; только вечером, когда нагрев от солнечного излучения создает достаточную нестабильность, восходящий поток теплого воздуха прорывается через эту шапку. В результате возникает одна большая сверхъячейка вместо множества мелких, раскинутых в разных местах гроз.

Рис. 6.5. Торнадо гораздо меньше по размерам, чем ураганы, но их сильные ветры наносят значительный ущерб.

Такие условия часто встречаются на Среднем Западе США. Мексиканский залив является источником теплого влажного воздуха на низких высотах; его плотность мала, и когда он проскальзывает под холодным сухим воздухом, имеющим высокую плотность, текущим на юг от Канады, в атмосфере часто возникают очень нестабильные условия. Добавим к этому то, что на западе на средних высотах вторгается сухой и стабильный воздух из пустынных районов, а мощное струйное течение наверху создает большой сдвиг ветра, – становится ясно, что могут возникнуть десятки или даже сотни торнадо. На протяжении четырех дней в 2011 году, 25–28 апреля, в США случились 355 торнадо, в том числе 4 с максимальной мощностью (EF-5). Они пронеслись по 21 штату США и Канаде, в результате чего погибли 324 человека.

Основная доля всех торнадо в мире происходит в США. Но и другие страны от них тоже страдают. В Бангладеше случается в среднем три торнадо в год, многие из них отличаются бурным, неистовым характером. Самым вредоносным торнадо в мире стал лютый ураган, поразивший Бангладеш 26 апреля 1989 года – в результате него погибло более 1300 человек.

Тропические циклоны

Ураганы, тайфуны, тропические штормы и тропические депрессии – это примеры тропических циклонов. Они образуются только над теплой водой океана, с температурой не менее 26 °C. В отличие от штормов, бушующих над сушей, тропические циклоны получают энергию исключительно из скрытой теплоты, выделяющейся при конденсации водяного пара.

Для образования тропических циклонов, как и в случае с торнадо, необходим определенный набор условий. Главное из них – вода в океане должна быть теплой. Кроме того, вертикальный сдвиг ветра должен быть очень малым: другими словами, разница в скорости ветра у поверхности и в верхней части тропосферы должна составлять менее 10 метров в секунду. Если разница в скорости будет достаточной, ядро развивающегося тропического циклона из-за большого сдвига накренится и растянется, в результате чего растеряет тепло и влагу.

Наиболее распространенным источником сдвига ветра являются сильные ветры на больших высотах, связанные со струйным течением, или участки низкого давления в верхних слоях атмосферы. Зимой и весной субтропическое струйное течение располагается ближе к экватору, поэтому ураганы и тайфуны в эти сезоны редко возникают в Карибском море или в западной части Тихого океана, хотя вода в океане достаточно теплая круглый год. Для возникновения тропических циклонов также нужно, чтобы в достаточно большом слое атмосферы была высокая влажность. Сухой воздух из Африки или Северной Америки часто разрушает ураган в процессе его формирования.

И наконец, тропический циклон что-то должно «закручивать». В Атлантическом океане это делают хаотичные области низкого давления – так называемые африканские восточные волны. Они возникают у побережья Африки и движутся на запад – к Карибскому морю. Дополнительную скорость ураганы получают за счет вращения Земли. Так как эффект Кориолиса равен нулю на экваторе и максимален на полюсах, тропические циклоны обычно не могут образовываться на широтах вблизи экватора ниже 5 градусов.

Но если уж они возникли, то имеют тенденцию увеличиваться по мере движения к полюсу благодаря тому, что вращение по вертикали возрастает из-за эффекта Кориолиса.

Тайфун или ураган?

Тропический циклон начинается с тропической депрессии – упорядоченного вращающегося шторма со скоростью ветра менее 63 километров в час. При увеличении скорости ветра шторм получает имя и переводится в разряд тропического циклона. Когда скорость ветра достигает 119 километров в час, вокруг центра урагана формируется кольцо сильных гроз – так называемый глаз бури. Внутри, в центре тропического циклона – область прояснения и относительно тихой погоды с опускающимся воздухом.

Как только скорость ветра становится больше 119 километров в час, шторм классифицируется как ураган, если он находится в Атлантическом океане или в восточной части Тихого океана, и как тайфун – в западной части Тихого океана. Если речь идет об Индийском океане или о Южном полушарии, его называют просто циклоном (или тропическим циклоном). С точки зрения метеорологии, между этими наименованиями нет разницы.

Если слой теплой воды в океане простирается до глубины 50 метров и более, это может привести к тому, что тропический циклон быстро перейдет в состояние крупномасштабного урагана со скоростью ветра не меньше 178 километров в час. Такие ураганы являются наиболее грозными и разрушительными штормами на планете.

Традиционно ураганам присваиваются категории от 1 до 5 по шкале Саффира – Симпсона, исходя из максимальной скорости ветра. Однако эта шкала может ввести в заблуждение. Слабый шторм, покрывающий огромную площадь моря, может вызвать штормовую волну, которая будет куда сильнее, чем ураган с более высокой категорией по шкале Саффира – Симпсона, но меньшего размера. Для лучшего понимания потенциала штормовой волны была разработана экспериментальная интегрированная шкала по индексу кинетической энергии. Она измеряет как скорость ветра, так и площадь, на которую распространяется сильный ветер.

Муссонные депрессии

В основе муссонов лежит тот же механизм, что и у хорошо знакомого морского бриза. Разница только в масштабах явления. Летом суша нагревается сильнее, чем морская вода, потому что на суше солнечная энергия прогревает непосредственно поверхность, в то время как в море ветер и турбулентность перемешивают теплую поверхностную воду с холодной водой в более низких слоях. Кроме того, для повышения температуры воды требуется больше энергии, чем для прогрева почвы и пород на поверхности суши.

В результате над участками суши формируется область низкого давления с восходящей воздушной массой. Содержащие влагу океанские ветры дуют в сторону суши и, достигая ее, вливаются в восходящие потоки. Эти воздушные массы расширяются и охлаждаются, выделяя влагу. Так начинается муссон – самый сильный дождь на Земле.

Каждое лето муссоны проливаются над всеми континентами, за исключением Антарктиды. Они несут с собой влагу, которая поддерживает жизни миллиардов людей. В Индии, где проживают 1,34 миллиарда человек, во время сезона муссонов выпадает 80 % годового количества осадков. Но есть и обратная сторона медали: сотни людей в Индии и соседних странах ежегодно погибают в результате наводнений и оползней, вызванных проливными дождями.

Самые ужасные наводнения обычно происходят во время так называемых муссонных депрессий – они похожи на тропические депрессии, но превосходят их по масштабам. При том и другом видах депрессии возникает крутящийся ураган диаметром в сотни километров, где дует стабильный ветер со скоростью от 50 до 55 километров в час; при этом в центре устанавливается спокойная, почти безветренная погода. Все это сопровождается обильными дождями. Каждое лето порядка семи муссонных депрессий возникают над Бенгальским заливом и следуют на запад через Индию. В июле и в августе 2010 года две крупные муссонные депрессии пересекли Индию и направились в Пакистан. Они принесли с собой проливные дожди и вызвали в Пакистане наводнения, принесшие самый большой ущерб за всю историю этой страны (10 миллиардов долларов).

В чем загадка дождя?

Мы уже многое знаем о причинах формирования погоды. В то же время остается немало вопросов, на которые пока мы не можем ответить. Мы знаем, что погода ведет себя очень непоследовательно, и это сильно затрудняет ее прогнозирование. Мы изо всех сил пытаемся понять явления, имеющие спорадический и недолговечный характер, которые происходят в ограниченном пространстве высоко над нашими головами. Два следующих раздела, а также глава 10, будут посвящены этим явлениям. Основной фокус в них будет сосредоточен на исследованиях в той области, которая привлекает к себе все большее внимание: что же на самом деле происходит в облаках?

Облака – давно известное и вместе с тем таинственное явление. Они образуются при конденсации водяного пара в мелкие капельки воды или в кристаллики льда. Некоторые облака между тем извергают целые потоки воды, в то время как из других не проливается ни единой капли. Почему? Мы до сих пор находимся в неведении относительно этого.

Загадка кроется в физическом процессе образования льда. Облака рождают дождь или снег, когда содержащиеся в них капли становятся достаточно большими, чтобы преодолевать атмосферные восходящие потоки. Казалось бы, в основном с неба должны падать замерзшие частицы воды: кристаллы льда растут быстрее, чем водяные капли, а это значит, что они успевают достичь нужного веса до того, как испарятся и исчезнут. Но, как бы странно это ни было, чистая вода в атмосфере может оставаться в жидком состоянии вплоть до температуры –40 °C. Похоже, капелькам воды в облаках требуется какая-то помощь, чтобы из них получился лед. В этом явлении по-прежнему скрыт некий секрет, который связан с молекулярным строением воды и льда.

Помощь приходит в виде «ледяных зародышей» – частиц или аэрозолей, переносимых по воздуху. Молекулы воды группируются вокруг крошечных объектов, создавая решетчатую структуру кристаллов льда. В качестве зародышей могут выступать крупинки соли из брызг океанских волн и пыль, переносимая ветрами, дующими из пустыни – таких частиц всегда много в атмосфере. Но с их помощью можно «посеять» ледяные кристаллы только при температуре ниже –15 °C. А выше этой температуры – характерной для внутренних областей почти половины всех облаков, пролетающих над сушей, – механизм не работает. Очевидно, есть что-то еще в облаках, скрывающееся от нашего взора.

Рис. 6.6. Облакам часто нужна дополнительная «помощь», чтобы они могли разразиться ливнем.

Что же это может быть? В начале 1970-х годов исследователи показали, что одним из катализаторов образования льда, даже в относительно теплых условиях, может быть сиреневый псевдомонас – фитопатогенная бактерия, паразитирующая на листьях растений. Она обладает способностью вызывать быстрое обморожение и таким образом проникать в ткани растения: остроконечные ледяные кристаллы вспарывают клетки листьев, подавая внутрь биогенные вещества.

Весной 1978 года ученый-фитопатолог Дэвид Сэндс из Университета штата Монтана (Бозмен, США) нанял небольшой самолет в исследовательских целях. Он обнаружил, что сиреневый псевдомонас содержится в облаках высоко над землей. Ученый предположил, что эти бактерии могут вызывать как моросящие дожди, так и ливни. Геофизики, исследующие атмосферу, встретили данную идею в штыки.

Примерно через десять лет после этого открытия исследователям удалось выделить один из генов, создающий белок, который провоцирует образование льда. Затем были открыты многие другие виды микроорганизмов, обладающих этой способностью, включая различные виды грибов. Но идею Сэндса всерьез все еще никто не воспринимал.

Такое положение дел начало меняться в 2007 году. Ученые собрали образцы свежего снега со всего мира, чтобы подробно исследовать зародыши образования льда, которые были помещены в чистую воду и охлаждены. Это было сделано для того, чтобы выделить образцы, замерзающие при температуре выше −7 °C. Затем эти образцы нагрели, чтобы уничтожить любые белки; это должно было дезактивировать любые биологические затравки. Когда капельки снова охладили, большинство из них потеряло способность замерзать при температуре выше –7 °C. Это явно указывало на то, что большинство зародышей льда имели биологическую природу. В 2015 году были проделаны аналогичные исследования гигантских градин, обнаружившие, что они тоже обязаны своим происхождением биологическим частицам, которые превратили воду в лед.

И таких биологических «затравок» на самом деле много. В последние годы мы нашли множество микроорганизмов, живущих на большой высоте – там, где они могут влиять на процессы, происходящие внутри облаков. В одном из исследований были взяты пробы на высоте до 10 000 метров над Атлантическим океаном, Карибским морем, Мексиканским заливом и континентальной частью США во время прохождения ураганов Эрл и Карл. В пробах насчитали 314 различных видов бактерий, большинство из которых оказались живы. Было обнаружено примерно такое же количество биологических клеток, как и частиц почвы и пыли.

Рис. 6.7. Чтобы пошел дождь, в облаках, как правило, должны сформироваться ледяные кристаллы. Чистая вода может оставаться в жидком состоянии до –40 °С, но микроскопические частицы могут вызвать образование льда при более высоких температурах.

Однако само по себе это еще не означает, что данные клетки как-то могут воздействовать на облака или вызывать дождь. Чтобы убедиться в этом, нужно четко понимать, на что они способны внутри облаков. Такими исследованиями занялась Ким Пратер, специалист по химии атмосферы из Калифорнийского университета в Сан-Диего (США). Пратер и ее коллеги изучили кристаллы льда, содержащиеся в дождевых облаках, и обнаружили, что примерно 40 % частиц, на которых образовались ледяные кристаллы в большинстве дождевых облаков, имеют биологическое происхождение. Довольно соблазнительный аргумент в пользу того, что микробы действительно способны «посеять» лед в облаках с температурой выше нуля. Но предстоит еще поймать бактерии «с поличным» – увидеть их в деле. Даже если они в принципе способны посеять зародыши льда, остается под вопросом, достаточно ли бактерии многочисленны и могут ли играть существенную роль. Частицы сажи и природных минеральных частиц более распространены в атмосфере и, следовательно, с большей вероятностью могут влиять на процессы в облаках. Сторонники «микробной» гипотезы тем не менее предполагают, что микробы могут оказывать существенное влияние на погоду в определенных регионах и в определенные времена года.

А что если и в самом деле дожди идут из-за микробов?

Если Сэндс и другие сторонники идеи о живых ледяных зародышах правы, то возникает множество вопросов и вероятностей. Может быть, сиреневый псевдомонас в процессе своей эволюции начал использовать облака, чтобы обеспечить свое распространение, а также хороший полив для растений, в которых он поселится?

И как именно микробы влияют на погодные условия? Сэндс указывает на то, что некоторые виды растительности выделяют после дождя больше бактерий для нуклеации льда, что способствует дальнейшему орошению. И не изменили ли мы сами неосознанно погоду на Земле, занимаясь сельским хозяйством?

Если до сих пор мы меняли погоду произвольно, то нет ли у нас возможности делать это осознанно? В США существует давняя традиция посылать самолеты для орошения воздуха йодистым серебром, которое, как считается, способствует образованию льда. В 2015 году совет округа Лос-Анджелеса отреагировал на засуху в Калифорнии, выплатив полмиллиона долларов подрядчику, занимающемуся опрыскиванием облаков. Поднялась волна критики, поскольку до сих пор нет веских доказательств того, что йодистое серебро действительно способно увеличивать количество осадков.

Сэндс считает, что куда более эффективного решения проблемы можно добиться с помощью естественных стимуляторов образования льда. Нужно только выявить или создать растения, в которых будут обитать бактерии, необходимые для нуклеации льда, и сеять их в нужных местах, чтобы они вызывали дожди.

Но пока это не более чем умозрительная идея. И есть еще одна проблема, которую необходимо учесть. Невозможно вызвать дождь, если в воздухе нет водяных паров, а количество влаги, которое может выпасть в данном месте, всегда будет зависеть от глобальных быстро меняющихся погодных условий.

Гром среди ясного неба

Опасные штормы, такие как ураганы и торнадо, к счастью, случаются относительно редко. Есть другое угрожающее погодное явление, с которым никому не хочется входить в тесный контакт, – молния.

Это очень распространенное явление: каждую секунду на земном шаре сверкают примерно сто молний. Исследование молний сопряжено с большими трудностями и опасностями, поэтому мы все еще сравнительно мало знаем о них. Медленно и постепенно ученые пытаются пролить свет на причины, которые приводят к этому величественному зрелищу. Похоже, что нам придется изменить многие представления о молнии в процессе ее дальнейшего изучения.

Наверное, каждому знакомо неприятное ощущение кратковременного разряда электричества, которое иной раз испытываешь, прикоснувшись к ворсистому ковру или дотронувшись до металлической ручки двери. Когда мы идем по ковру, при трении ног о пол отрицательно заряженные электроны отскакивают от атомов вещества, из которого сделан ковер, и проникают в наше тело, сообщая нам общий отрицательный заряд. Этот накопленный заряд может показаться не таким уж значительным, но электрическое поле, которое он генерирует, может стать на удивление большим на коротких расстояниях.

Когда мы протягиваем руку к дверной ручке, отрицательно заряженные пальцы отталкивают электроны в этой ручке и ближайшая к руке сторона ручки оказывается положительно заряженной. Эти разделенные заряды генерируют электрическое поле, которое при достижении критического значения, равного 3 миллионам вольт на метр, вызывает пробой воздуха между рукой и дверной ручкой. Электроны отрываются от молекул в воздухе, и он превращается из изолятора в проводник. За долю секунды лишние электроны из нашего тела перетекают из пальцев через ионизированный воздух в дверную ручку. Это сопровождается довольно болезненным ощущением. Ой! – и электрический нейтралитет восстановлен.

Электрическое поле, возникающее во время грозы, тоже обязано своим происхождением трению, хотя причина его появления при грозе иная. В грозовых облаках мощные восходящие потоки уносят ледяные кристаллы в верхние слои, в то время как тяжелые градины падают на Землю. Трение между этими двумя встречными движениями лишает кристаллы льда электронов, поэтому верхняя часть облака становится положительно заряженной, а нижняя – отрицательно. В облаке создается электрическое поле, подобное тому, которое возникало между нашей рукой и дверной ручкой. Когда поле в грозовом облаке становится достаточно сильным и воздух ионизируется, результат поистине впечатляет. В поисках ближайшего положительного заряда электроны прорезают в воздухе ионизированные каналы – так называемые лидеры.

Рис. 6.8. Исследование вспышек молнии приводит к парадоксальным результатам.

Часто молния бьет из облака в землю – отрицательный заряд находит свой антипод на поверхности Земли. Тем не менее наиболее распространенным типом молнии является вспышка внутри облака, когда разряд бежит к положительно заряженной области в верхней части облака. В любом случае, как только один из этих лидеров достигнет области с противоположным зарядом, между двумя точками побежит электрический ток и возникнут вспышки молнии. Молния может разогреть канал, по которому она движется, до температуры, которая в пять раз выше температуры на поверхности Солнца.

Такова господствующая картина процессов, происходящих в молнии. Есть только одно но: несмотря на то, что с 1950-х годов мы посылали воздушные шары и летательные аппараты с приборами прямиком в грозовые тучи, до сих пор не удалось измерить электрическое поле с напряженностью 3 миллиона вольт на метр, которое необходимо для пробоя воздуха. Напряженность поля обычно в десять раз меньше этого значения – следовательно, молния, в отличие от обычной электрической искры, устроена по другому принципу.

Внеземная помощь

Решение этой проблемы может прийти откуда не ждали – из космоса. Каждую секунду миллиарды высокоэнергетических частиц врываются в нашу атмосферу. Столкновение одной из них с электроном во время грозы приведет к тому, что такой электрон получит дополнительную скорость. Пролетая сквозь облако, этот «убегающий» электрон ионизирует огромное количество молекул воздуха, создавая лавину из других высокоэнергетических электронов.

В результате может произойти внезапное накопление заряда, которое на короткое время усиливает локальное электрическое поле. Отдельные детали процесса еще нужно уточнить, но в целом кумулятивный эффект этого поля может зажечь молнию – возникает так называемый пробой на убегающих электронах. При этом исходное электрическое поле вовсе не обязано иметь напряженность 3 миллиона вольт на метр.

Эта идея получила поддержку в 1991 году, вскоре после того, как агентство НАСА запустило на орбиту Земли обсерваторию Комптон, предназначенную для исследования гамма-излучения. Это самое интенсивное излучение во Вселенной возникает, в частности, при взрыве звезд. Для ученых оказалось полнейшей неожиданностью, когда обсерватория обнаружила, что источником происхождения многих высокоэнергетических гамма-фотонов являются не далекие галактики, а грозы в земной атмосфере.

Рис. 6.9. Напряженность собственного электрического поля внутри грозы слишком мала, чтобы возникла вспышка молнии. Для усиления локального электрического поля могут быть задействованы два процесса.

Физики быстро сопоставили все факты. Поскольку ускоренные космическими лучами электроны перемещаются зигзагами между столкновениями с молекулами воздуха, они рождают не только дополнительные высокоэнергетические электроны, но и высокоэнергетические фотоны. Гамма-лучи являются признаком того, что происходит пробой на убегающих электронах.

Какой бы заманчивой ни казалась такая связь, это может быть простым совпадением: у нас нет прямых доказательств того, что все происходит именно так. Для подтверждения этого механизма необходимо найти способ заглянуть внутрь грозовых облаков.

К счастью, такой способ существует. Флуктуирующие электрические поля, создаваемые молнией, генерируют большое количество радиошума – возникает треск, похожий на тот, что часто слышен на аналоговых радиостанциях. В середине 1990-х годов физик Уильям Ризон и его коллеги из Института технологий Нью-Мексико на Сокорро поняли, что для определения точного местоположения этого радиошума и, следовательно, вспышек молнии можно использовать GPS-приемники. Сегодня система картирования Ризона, определяющая местоположение молний (англ. Rison’s Lightning Mapping Array), состоит из 16 станций в горах около города Магдалена. С помощью этой сети антенн удается получать трехмерные изображения молний в грозовом облаке. Но первоначально временно́е разрешение таких изображений было не очень высоким.

Чтобы его улучшить, команда под управлением Ризона разработала в 2016 году интерферометр для обнаружения радиоволн, снабженный высокоскоростной камерой, способной делать более 180 миллионов кадров в секунду. С помощью этой аппаратуры ученые получают видеоизображения и полную трехмерную карту вспышек молний с высокой точностью.

Водрузить молнию с ног на голову

Исследователи надеялись получить подробные снимки пробоя на убегающих электронах. Однако результаты оказались не такими, как они ожидали. Они обнаружили, что мощная искра в недрах облака может увеличить электрическое поле без помощи инопланетного вмешательства. И процесс этот будет начинаться не в отрицательно заряженной области и бежать к соседней положительной, как ожидалось, а идти в противоположном направлении.

Несколько недель Ризон и его команда пытались выяснить, что происходит. Наконец они поняли, что поток якобы воспринимаемых ими положительных зарядов представляет собой электроны, движущиеся в противоположном направлении. По их мнению, виновником вполне может быть поляризованный ледяной кристалл, на одной стороне которого накопился отрицательный заряд, а на другой – положительный. Если этот положительный заряд становится достаточно сильным, чтобы оторвать электроны от соседних молекул воздуха, то может создать дополнительный положительный заряд. Он, в свою очередь, ведет себя как новый кончик кристалла, создавая еще один положительный заряд. Этот процесс повторяется до тех пор, пока электрическое поле не становится достаточно сильным, чтобы произошел разряд.

Ученые назвали этот процесс быстрым положительным пробоем. Он создает маленькую извилистую полоску ионизированного воздуха, которая начинает расти с конца ледяного кристалла. По мере своего роста эта положительно заряженная «лента», как пылесос, всасывает отрицательный заряд и посылает его обратно, по направлению к ледяному кристаллу – как пловец, отталкивающий от себя воду. Как только ледяной кристалл накапливает достаточно большой дополнительный заряд, он может привести к образованию лидера – предвестника разряда молнии.

Удивительно, но результаты Ризона показывают, что в принципе все вспышки, наблюдаемые при грозах, могут быть вызваны быстрым положительным пробоем. Конечно, космические лучи тоже могут сыграть определенную роль. Но некоторые специалисты считают, что добытые Ризоном сведения существенным образом меняют сам подход к изучению молнии – как если бы вы нашли тот уголок пазла, от которого можно плясать при его сборке.

Проблеск прозрения

Молнии принимают самые причудливые формы – от вспышек света, которые напоминают морских монстров, до электрических шаров, способных расплавить стекла в окнах.

Спрайты. Наряду с эльфами и феями, спрайты считаются персонажами фольклора, представителями мифических сущностей. Теперь так называют и мимолетные вспышки красного света высоко над облаками, которые выглядят как гигантские медузы. Считается, что они создаются сильными электрическими полями, генерируемыми в верхних слоях атмосферы, когда молния бьет в землю. Мы до конца еще не понимаем, как именно они формируются.

Эльфы. Эти светящиеся бубликообразные структуры вырастают до 400 километров в поперечнике, а затем вдруг исчезают менее чем за миллисекунду. Считается, что они возникают, когда электрическое поле в облаке заставляет электроны сталкиваться с молекулами азота, которые испускают характерное красное свечение.

Синие струи. Время от времени на Международной космической станции наблюдают синие струи, выстреливающие из грозовых облаков на высоту примерно до 50 километров. Их длительность не превышает одной десятой доли секунды. Они наблюдаются сравнительно редко, и причина их происхождения до сих пор непонятна.

Восходящая молния. Почему разряд непременно должен начинаться из облака, когда нужно нейтрализовать разность потенциалов электрического поля между грозовым облаком и поверхностью планеты? Иногда молния формируется на уровне земли и выстреливает вверх – прямо в облако. Остается загадкой, когда и как такая молния возникает.

Шаровая молния. По свидетельствам очевидцев, шары из электричества плавили стекла в окнах, проплывали через здания и даже подпрыгивали в проходах самолетов. Хотя люди рассказывают о шаровых молниях на протяжении уже 2000 лет, ученые не знают, что они из себя представляют. Существует много теорий, пытающихся объяснить это явление, но ни одна из них еще не стала общепризнанной.

Глава 7. Океаны

Артур Кларк писал: «Довольно неуместно называть эту планету Землей, когда очевидно, что она – Океан». С этим утверждением трудно поспорить: из космоса наша планета выглядит преимущественно синей, потому что океаны покрывают 71 % всей ее поверхности. В ином случае нас бы здесь просто не было.

Беспокойные воды Земли

В высказывании Артура Кларка содержится неявный намек на то, что мы недооцениваем наши моря, воспринимая их как должное. И что еще хуже, мы злоупотребляем водной стихией. Моря и океаны по-прежнему являются важным источником продовольствия для многих людей во всем мире, однако чрезмерный вылов ставит под угрозу 85 % мирового рыбного промысла. И так же, как и в случае с атмосферой, мы склонны рассматривать океаны как гигантскую мусорную яму. К сожалению, загрязнение морей и океанов, которое происходит от ведения сельского хозяйства, промышленной деятельности и повседневного быта, разрушает способность океанов к поддержанию жизни (см. главу 9).

С планетарной точки зрения океаны предоставляют другие «услуги». Например, они действуют как огромные тепловые аккумуляторы, выравнивая экстремальные температуры и обеспечивая Земле уравновешенный климат, благоприятствующий жизнедеятельности. За последние десятилетия на передний план вышло еще одно очень полезное свойство океанов: они поглощают из атмосферы огромное количество углерода.

Эта способность в значительной степени зависит от циркуляции воды и структуры течений, переносящих огромные количества тепла, соли и других веществ по всему земному шару. На планете существует пять крупномасштабных течений; самое известное из них – Гольфстрим. Объем воды, движущийся в любом из этих течений, примерно в 50 раз больше суммарного стока всех пресноводных рек Земли.

Вода на поверхности океана поглощает углекислый газ из воздуха и, погружаясь в океанские глубины, надежно удерживает его взаперти. Углекислый газ поглощают также крошечные морские растения – фитопланктон. Некоторые ученые опасаются, что изменение климата нарушит схему циркуляции мирового океана, что может серьезно ограничить способность океана впитывать углекислый газ. Мы должны вплотную заняться изучением роли океанов в формировании климата, чтобы понять тенденции его изменения.

Движущие силы

Океанские течения возникают вследствие нескольких факторов. Один из них – это ветры, дующие над океанской поверхностью. Они приводят в движение поверхностные потоки. Другой очень важный фактор – сила эффекта Кориолиса, вызванная вращением Земли. Именно она заставляет океанские течения и ветры изгибаться в сторону от направления движения (см. главу 6).

В северном полушарии сила эффекта Кориолиса отклоняет океанские течения вправо относительно направления их движения, а в южном полушарии – влево. Циркуляция водных потоков на поверхности океанов в основном сводится к схеме, которая представляет собой ряд замкнутых структур, называемых океаническими круговоротами. Эти круговые движения имеют асимметричную форму, поскольку сила эффекта Кориолиса возрастает от экватора к полюсам. На западных краях океанических бассейнов наблюдаются сильные, узкие и быстрые круговые течения со скоростью до 2 метров в секунду. Эти западные пограничные течения включают в себя и Гольфстрим в Североатлантическом регионе. На востоке океаническая циркуляция состоит из слабых, широких и медленных потоков со скоростью менее 0,1 метра в секунду.

Все основные океанические бассейны имеют свои круговороты (см. рис. 7.1). Субтропические круговороты – это крупные замкнутые структуры циркуляции воды, которые находятся между 10-м и 40-м градусами широты. Приполярные круговороты группируются между 50-м и 70-м градусами. Из-за ветра в этих круговоротах накапливаются дополнительные массы воды. Это значит, что уровень моря не везде одинаков. Например, в Североатлантическом субтропическом круговороте уровень Саргассова моря – территории между Вест-Индией и Азорскими островами – примерно на метр выше уровня моря вокруг Бермудских островов. Основным исключением из такой схемы круговоротов является Антарктическое циркумполярное течение – сильное течение, циркулирующее вокруг Южного океана[2] с запада на восток. Существуют также сложные схемы течений, обусловленных ветрами, дующими вдоль экватора, где сила эффекта Кориолиса равна нулю.

Рис. 7.1. Основные океанические поверхностные течения, возникающие под действием ветров и эффекта Кориолиса.

Однако судьба океанической воды определяется не только этими силами. Она во многом зависит и от таких факторов, как температура, плотность и соленость воды. В различных океанах и морях разный уровень солености. Как правило, на 1000 граммов морской воды приходится 35 граммов соли; в Балтийском море и в Северном Ледовитом океане это значение ниже, а в Средиземном и Красном морях – выше. Температура воды также сильно разнится в зависимости от точки земного шара. Плотность морской воды соотносится с ее температурой и соленостью, поэтому она также варьируется от места к месту и способствует циркуляции воды в океане.

Чем теплее вода в океане, тем менее плотной и более легкой она становится, поднимаясь к поверхности. Обратное утверждение тоже верно: чем холоднее вода, тем плотнее она становится – и это заставляет ее опускаться вниз. И чем больше соли в воде, тем она плотнее. Таким образом, больше всего по плотности отличаются холодная, тяжелая соленая вода и теплая, легкая пресная вода.

Зимой в полярных регионах тепло из верхнего слоя океана уходит в атмосферу, что в итоге приводит к формированию ледяного покрова на поверхности и увеличению солености воды. Тяжелая холодная соленая вода в полярных регионах погружается на большие глубины, а в тропических теплая вода подтягивается к полюсам, чтобы заместить ушедшую оттуда холодную. В то же время в глубинах полярных морей масса тяжелой воды накапливается и выталкивается в экваториальные области. Двигаясь к экватору, вода становится теплее и легче. Так завершается огромный океанический цикл циркуляции воды. Этот процесс превращения теплой пресной поверхностной воды в холодную соленую глубинную воду называется глубокой конвекцией и действует как своего рода тепловой двигатель, приводящий в движение циркуляцию воды в океане.

Таким образом, кроме ветровой циркуляции, в которой участвуют потоки воды на поверхности, действует циркуляция воды, обусловленная перепадом температуры и солености. Этот вид называется термохалинной циркуляцией. Совместный эффект создает трехмерную циркуляцию – так называемый океанический конвейер (см. рис. 7.2). Циркуляционные потоки в бассейнах Атлантического, Индийского и Тихого океанов связаны потоками Южного. Климат Западной Европы сильно зависит от океанического конвейера: благодаря Северо-Атлантическому течению, являющемуся продолжением Гольфстрима, она получает «бесплатное» тепло, которое эквивалентно мощности около миллиона электростанций.

Рис. 7.2. Холодная плотная вода у полюсов опускается в глубины океана, откуда течет в тропики. Взамен из тропиков по поверхности течет теплая вода, образуя «океанический конвейер».

Морская вода может накапливать большое количество тепла: верхний слой Мирового океана глубиной 3 метра обладает такой же теплоемкостью, как и вся атмосфера. Солнце нагревает поверхность океана напрямую, поэтому поверхностные воды обычно самые теплые и легкие, а вода вблизи океанического дна – самая холодная и плотная. Вода в океанах располагается слоями, температура в которых постепенно понижается ближе ко дну, а плотность – нарастает. Такая стратификация океана очень важна, потому что воде гораздо проще течь вдоль слоев постоянной плотности, чем пересекать их. Но она, конечно, также может перемещаться с одной глубины на другую в регионах с глубокой конвекцией или там, где океанические слои уходят вглубь, как мы покажем в дальнейшем.

Воды старые и новые

Под действием ветров, дующих вдоль поверхности, вода сбивается в так называемый слой перемешивания, глубина которого достигает 100 метров. Температура и плотность на всем протяжении этого слоя примерно постоянны. Под слоем перемешивания температура и плотность меняются в зависимости от глубины. Основная часть океана содержит холодную воду, которая зимой опускается вниз на высоких широтах. Поскольку теплые тропические воды легче, они располагаются над более холодными полярными. Между ними существует относительно резкий водораздел, ниже которого температура с глубиной начинает резко падать. Этот слой температурного скачка называется термоклином.

Наличие термоклина непосредственно связано с термохалинной циркуляцией. В ряде мест, где существует глубокая конвекция, вода опускается вниз сравнительно быстро – например в полярных областях Северной Атлантики и в море Уэдделла, рядом с Антарктидой. Но подъем происходит гораздо медленнее, со скоростью в среднем около 1 сантиметра в сутки – на огромной территории в более теплых умеренных и тропических регионах. Затем вода медленно возвращается к полюсу у поверхности и цикл завершается.

Поскольку поверхностные полярные воды холоднее и плотнее, чем поверхностные тропические, слои равной плотности в океане в основном не параллельны его поверхности. Слой постоянной плотности – изопикна – обычно имеет наклон вниз, начиная от поверхности океана. Вот почему за пределами локальных областей глубокой конвекции вода с поверхности океана тоже может проникать вглубь него. Поверхностная вода несет с собой тепло, соль, кислород и углекислый газ. Частично выравниваются и другие характеристики поверхностной и глубинной вод. Осуществляется своеобразная вентиляция – перенос свойств воды во внутреннюю часть океана. Эта вентиляция уносит углекислый газ, растворенный в поверхностной морской воде, вглубь и изолирует его от атмосферы. Именно поэтому изменения в характере океанической циркуляции влияют на способность океанов поглощать атмосферный углекислый газ.

Каков возраст воды?

Океанографы считают, что воде в океане столько лет, сколько прошло с момента ее последнего нахождения на поверхности. Изучение возраста воды помогает воссоздать картину ее перемещения в океане.

Для определения возраста воды океанографы используют метод измерения с помощью радиоактивного изотопа углерода (углерода-14), растворенного кислорода и диоксида кремния. Этой же цели можно достигнуть, изучая загрязнения, возникшие в результате деятельности человека – измеряя содержание трития, радиоактивного изотопа водорода, оставшегося после испытаний ядерных бомб в 1950-х и 1960-х годах. Возраст воды у поверхности может составлять не более нескольких лет, тогда как глубинная вода будет намного старше. Например, вода в Северной Атлантике, которая холоднее 2 °C, последний раз контактировала с атмосферой порядка 200 лет назад, а вода в Тихом океане на глубине 1500 метров и ниже – старше 500 лет.

Вертикальная циркуляция океанической воды означает, что даже очень старая вода неизбежно должна вернуться на поверхность, прежде чем начнется новый цикл ее погружения. Для завершения полного цикла циркуляции потребуется несколько тысяч лет, так как вода может перемещаться на огромные расстояния. Она может совершить на своем пути много виражей и отклонений от первоначального курса. Подобно тому, как ветер на суше свободно проходит через долины и отклоняется холмами, глубинные океанские течения также подвергаются влиянию рельефа океанического дна, который изучает батиметрия.

Различные части Мирового океана могут быть соединены узкими каналами, потоки в которых определяются батиметрическими характеристиками. Например, в Гибралтаре атлантическая вода с относительно низкой соленостью впадает в Средиземное море, а соленая средиземноморская вытекает, погрузившись глубоко вниз. Такие «бутылочные горлышки» могут иметь решающее значение при регулировании водного обмена, когда вода с разными свойствами принимает участие в глобальной циркуляции океана.

Океанские вихри

Может показаться, что общая картина циркуляции имеет равномерный и неспешный характер. Однако дьявол, как всегда, в деталях. Подобно атмосфере, у которой есть свои области повышенного давления (антициклоны) и пониженного давления (циклоны), у океана также есть свои «метеосистемы» – вихри, передвигающиеся со скоростями несколько сантиметров в секунду и переносящие тепло и соль из одной части океана в другую. Однако они не превышают 100 километров в поперечнике, что намного меньше, чем их атмосферные аналоги, которые могут иметь протяженность до 1000 километров.

В регионах с быстрым течением, таких как Гольфстрим, время жизни вихрей обычно не превышает пары месяцев. И напротив, в менее динамичных регионах вихри могут удерживаться в течение двух и более лет. Они образуются там, где течение нестабильно – например, где у течения есть сильный изгиб или где существует большая разница в скорости между соседними фрагментами течения; или же там, где скорость значительно меняется с глубиной.

Вихри переносят большое количество кинетической энергии и тепла и могут играть важную роль в установлении баланса энергии и тепла в Мировом океане. Также они имеют большое значение для выравнивания различных характеристик воды, которые отличаются в зависимости от океана. Агульясское течение – западное прибрежное течение у восточного побережья Африки – регулярно генерирует вихри, которые переносят теплую соленую воду из Индийского океана в Южную Атлантику.

Сегодня над разгадкой тайны океанической циркуляции трудятся ученые из многих стран. Если мы добьемся успеха, то сделаем еще один шаг в понимании того, как формируется климат Земли, и, возможно, научимся точно его предсказывать.

Настоящие монстры глубин

Учитывая трудности изучения глубоководных явлений, становится ясно, почему мы только сейчас начинаем понимать, что происходит в глубине океанов. Однако более удивительным является то, что мы все еще не составили полной картины тех явлений, которые происходят на морской поверхности у всех на виду. Несколько десятилетий тому назад ходившие ранее рассказы об уникальных гигантских волнах, способных серьезно повредить большие корабли или даже потопить их, стали восприниматься как пикантные сказки морских волков. Но в них все-таки есть зерно истины. Очевидцы по всему миру продолжают сообщать – и их слова подкрепляются теоретическими выкладками и лабораторными экспериментами, – что исполинские волны действительно рождаются, причем не так уж редко.

Наука пока не может объяснить появление волн большой разрушительной силы. Для них даже нет общепринятого определения. Часто считают, что высота аномальной волны-разбойника как минимум вдвое превышает значимую высоту волны, которая сама определяется как среднее значение высоты трети самых высоких волн в регионе. Реальность значительно зависит от конкретики: на спокойном море со средней высотой гребня 10 сантиметров волна в 20 сантиметров уже может считаться аномальной.

Такая высота выглядит ничтожно малой – и действительно, океанографы долгое время строили модели, на основании которых предсказывали, что аномально высоких волн попросту не существует. Эти модели основывались на принципе линейной суперпозиции: когда встречаются две последовательности волн, высоты пиков и впадин в каждой точке просто складываются. И только в конце 1960-х годов Томас Брук Бенджамин и Дж. Э. Фейр из Кембриджского университета предложили нелинейное решение математических уравнений для описания возникновения аномально высоких волн. Когда волны большой длины догоняют более короткие, вся энергия группы волн может резко сконцентрироваться в одной или в нескольких гигантских волнах.

Коллеги занялись экспериментальной проверкой этой теории в большом испытательном бассейне в Национальной физической лаборатории на юго-западе Лондона. Возле генератора волн, который возмущал воду с разной скоростью, волны вели себя единообразно и размеренно. Но примерно через 60 метров они искажались и превращались в короткоживущие большие волны, которые вполне можно было назвать аномальными.

Рис. 7.3. Из сообщений СМИ: девять различных судов сталкивались в океанах с волнами-убийцами за период с 2006 по 2010 год.

Потребовалось некоторое время, чтобы эти результаты стали достоянием общественности. Теорию и наблюдения удалось соединить в 1995 году. Произошло это 1 января в Северном море, примерно в 150 километрах от побережья Норвегии. Новый год выдался бурным, волнения затронули нефтяную платформу Дропнера: рядом с ней возникла значимая волна высотой 12 метров. Затем в 15:20 акселерометры и тензодатчики на платформе зарегистрировали одиночную волну, возвышавшуюся на 26 метров над окружающими ее впадинами – по высоте это соответствовало половине Колонны Нельсона. Такое явление, согласно широко распространенному мнению, может произойти один раз в 10 000 лет. Гигантская волна была названа волной-убийцей, или «волной Нового года».

Волна Дропнера открыла новую эру в науке об аномальных волнах. В 2000 году Европейский союз инициировал исследования в рамках проекта MaxWave («Максимальная волна»). За три недели в начале 2003 года с помощью судовых радаров и спутниковых данных во время сканирования Мирового океана на предмет гигантских волн было обнаружено десять волн высотой 25 и более метров.

Теперь мы знаем, что волны-убийцы могут возникать в любом океане. Особенно уязвимыми в этом смысле являются Северная Атлантика, пролив Дрейка между Антарктидой и оконечностью Южной Америки, а также воды у южного побережья Южной Африки (см. рис. 7.3). Задокументированные события позволяют по-новому взглянуть на историческую хронику. Считается, что волны-убийцы имели непосредственное отношение к необычным исчезновениям 200 грузовых судов, которые произошли с 1984 по 2004 год. В 2014 году аномальная волна обрушилась на круизный лайнер Marco Polo в проливе Ла-Манш. Были выбиты окна, от осколков скончался один из пассажиров.

Создание монстра

Что является причиной возникновения волны-монстра в реальных условиях? Исследователи составляют список реальных условий, порождающих аномальные волны, путем соединения теории и наблюдений и анализа все более сложных компьютерных моделей. Например, аномально высокие волны могут возникнуть, когда штормовое волнение сталкивается с мощным течением, текущим в противоположном направлении. Такие случаи не редкость в районе Гольфстрима в Северной Атлантике и там, где морские волны идут вразрез с Агульясским течением у юго-восточного побережья Африки. Другой механизм можно условно назвать морским перекрестком: сталкиваются две системы волн, приходящие с разных сторон и создающие неустойчивость. Волны могут порождаться местными ветрами и морским волнением, приходящим издалека.

Louis Majesty

Когда круизный лайнер Louis Majesty отправился из Барселоны (Испания) в Геную (Италия), ничто не предвещало, что спокойному плаванию скоро придет конец. Но у Средиземного моря было на этот счет другое мнение.

При выходе судна из порта 3 марта 2010 года на небе примерно в 13:00 уже сгущались грозовые тучи. В течение первых часов путешествия морское волнение неуклонно усиливалось, хотя ничего из ряда вон выходящего еще не происходило. Затем в 16:20 корабль внезапно врезался в водяную стену высотой не менее 8 метров. Как потом стало ясно из реконструкции событий, судно спустилось с подветренной стороны волны, наклонилось из-за килевой качки и встретилось со второй, а, возможно, сразу же и с третьей чудовищной волной.

Вода хлестала поверх иллюминаторов на пятой палубе – почти на 17 метров выше ватерлинии лайнера. Два пассажира погибли мгновенно, еще четырнадцать получили ранения от осколков разбитых стекол. Волны исчезли так же внезапно, как и появились, судно легло на обратный курс и с трудом дотянуло до Барселоны. Сегодня исследователи считают, что механизм этого инцидента можно отнести к разряду морских перекрестков. Была построена модель для ретроспективного анализа события с учетом данных о силе ветра и волн в этом районе в то время. Модель показала, что к кораблю сошлись две системы волн: одна пришла с северо-востока, а другая – с юго-востока.

В более простых ситуациях также могут рождаться волны-убийцы. В декабре 1980 года транспортное судно, груженое углем, полностью потеряло носовую часть из-за волны высотой около 20 метров в треугольнике Дракона – аномальной зоне Тихого океана к югу от Японии. Этот регион печально известен авариями, которые в нем время от времени происходят. Японское расследование сначала посчитало виновным в происшедшем морской перекресток; но когда исследователи использовали более сложную волновую модель для ретроспективного анализа условий, они обнаружили, что, вероятно, девятибалльный шторм снабдил энергией единственную волновую систему – намного большую по размерам, чем предсказывали традиционные модели.

Было построено несколько моделей распространения единой волновой системы, которые давали разные прогнозы по поводу возникновения волн-убийц. В 2012 году ученые обнаружили, что такие модели допускают даже возможность возникновения так называемых суперубийц: высота этих волн будет в 11 раз превышать уровень окружающей морской поверхности. С тех пор эти выводы были подтверждены экспериментально в волновых резервуарах.

В последнее время растет понимание, что опасность волн-убийц нельзя преуменьшать. В настоящий момент разрабатываются схемы предупреждения моряков в тех ситуациях, когда они попадают в условия их возможного возникновения. Конечно, эти проекты еще предстоит усовершенствовать, но у нас, по крайней мере, есть теория и модели для прогнозирования явлений, существование которых подвергалось сомнению еще несколько десятилетий назад.

Скрытые реки

Под турецким проливом Босфор протекает таинственная подводная река. У нее есть отмели и стремнины; местами она достигает километра в поперечнике. Находись она на суше, была бы шестой по величине рекой в мире. Но она молчаливо течет на глубине 70 метров под водной поверхностью, впадая из Мраморного моря в Чёрное.

Скрытая от глаз река не имеет названия и вовсе не является уникальной. Мириады подводных рек оплетают океанское дно, многие из них достигают тысяч километров в длину, десятков километров в ширину и сотен метров в глубину. Они сбрасывают осадочные отложения в океаны вместе с кислородом и питательными веществами, которые позволяют жизни процветать на больших глубинах.

Осушите все океаны Земли, и вы обнаружите, что подводные реки проделали на морском дне целый лабиринт – так называемые абиссальные каналы. На первый взгляд они напоминают земные реки, но при более внимательном изучении становится ясно, что их потоки ведут себя скорее как лавины, пылевые бури или пирокластические потоки, образующиеся при извержении вулканов. Из-за своей разрушительной силы они представляют серьезную опасность для телекоммуникационных кабелей, проложенных по дну океана.

Именно замыкание кабелей впервые навело на мысль о существовании таких каналов. На Большую Ньюфаундлендскую банку в 250 километрах от южного побережья Ньюфаундленда (Канада) 18 ноября 1929 года обрушилось землетрясение магнитудой 7,2 балла. Вскоре после этого оборвалась дюжина трансатлантических кабелей, что лишило связи канадское побережье.

Тогда посчитали, что именно землетрясение явилось причиной нанесенного ущерба. И только в 1952 году геологи Брюс Хизен и Морис Юинг из Колумбийского университета в Нью-Йорке решили уточнить время обрыва кабелей. Они пришли к выводу, что в результате землетрясения случился огромный оползень – с подводного шельфа упало 200 кубических метров осадочных отложений. Именно смесь грязи с морской водой, которая с огромной скоростью сметала все на своем пути, оборвала кабели. Расчеты Хизена и Юинга показали, что этот мутный поток достиг скорости 100 километров в час и преодолел в общей сложности 600 километров, двигаясь по склону материковой отмели и создавая многочисленные наносы на морском дне.

Сегодня такие мутные потоки по-прежнему обрывают подводные коммуникационные кабели, которые отвечают за 95 % международных телефонных звонков, интернет-связи и другого трафика, то есть их обрывы создают большие проблемы. На карту поставлено очень многое, поэтому удивляет, что у нас до сих пор нет целостного представления о характере абиссальных каналов. Но не стоит удивляться: с существующими технологиями для создания глобальной карты этих каналов потребуется несколько сотен лет судового времени. А пока при обрывах кабелей обнаруживаются все новые и новые каналы.

Как образуются подводные реки

Нанесением каналов на карту проблема подводных рек не исчерпывается. Надо понять причину их образования. На примере потока, вызванного землетрясением, можно выяснить, что некоторые из них весьма недолговечны; подводные реки тоже могут «пересыхать», как и наземные во время засухи. Конечно, воды в них по-прежнему много, но нет потока грязи и песка.

Иногда подводные реки возникают, когда осадочные отложения, накопившиеся на вершине каньона, вдруг обрушиваются под собственным весом. Другие подводные течения начинаются там, где впадают в море земные реки. Возьмите, к примеру, реку Конго. По пути к Атлантическому океану она собирает в свои воды много осадочных отложений. В месте ее впадения в океан начинается подводная река, которая по абиссальному каналу протянулась в океан на большое расстояние от побережья. Подобным образом Желтая река в Китае вырыла на дне озера абиссальный канал в месте впадения в водохранилище Сяоланди.

Судя по всему, большинство абиссальных каналов вырыто в морском дне земными реками. Тем не менее некоторые каналы были найдены посреди океанов, и причина их появления так далеко от берега совершенно не понятна.

Исследовать такие быстрые мутные потоки, несущие большое количество грязи, – неблагодарное занятие. Очень часто инструменты, погружаемые в них, не выдерживают напора и разрушаются. Иное дело – огромный канал под проливом Босфор. Потоки грязи в нем не такие значительные, и несет он не осадочные породы, а соль из Средиземного моря. Плотность этой сверхсоленой воды больше окружающей, поэтому течет она по морскому дну. Хотя состав потока отличается от его мутных «собратьев», динамика течения почти такая же.

Джефф Пиколл из Лидского университета известен тем, что изучает абиссальные каналы по всему миру. Он доставил к Босфору роботизированную «желтую подводную лодку» в форме торпеды и впервые провел детальные измерения потока, текущего по абиссальному каналу. По его измерениям выходило, что подводная река извивается и закручивается, как потревоженная гремучая змея. Конечно, и наземным рекам свойственно течь не только по прямой – они меняют свой курс в зависимости от окружающего рельефа. Но подземные реки отличаются особенным нравом: те, что ближе к экватору, всегда извиваются, в отличие от рек на полюсах, русла которых более прямые.

В чем же дело? Пиколл заподозрил, что причина такого поведения подземных рек кроется в эффекте Кориолиса, под действием силы которого отклоняются ветры и океанские течения (см. главу 6). Но, не имея возможности напрямую исследовать различные абиссальные каналы, он обратился к лабораторным экспериментам. С помощью специалистов из Университета Торонто он установил резервуар длиной 2 метра на вращающемся столе и заполнил его водой. На своем «морском дне» ученые построили извилистый канал из акрилопласта и ввели туда плотный солевой поток, чтобы имитировать мутное течение. Затем резервуар раскручивали и вращали с разными скоростями, чтобы смоделировать вращение Земли на разных широтах.

Ученые обнаружили, что подводные реки ведут себя совершенно иначе, чем их наземные аналоги. В обоих случаях движение воды на вираже регулируется некоей комбинацией сил. Основные силы, действующие на суше, – это гравитация и центробежная сила, на излучине толкающая воду наружу.

Потоки взвешенных наносов существуют не только в воздухе, но и в воде. Гравитации в подводном мутном потоке противодействует подъемная сила, из-за чего эффект Кориолиса проявляется больше под водой, чем на суше. Это приводит к некоторым любопытным следствиям. Течение потока отклоняется в определенную сторону канала – например, вправо в северном полушарии и влево в южном. В случае с наземной рекой поверхностная вода в излучине стремится течь наружу, в то время как в основном водоносном горизонте она отклоняется внутрь излучины. Но с подземной рекой все происходит наоборот.

Деформированные потоки создают необычные картины эрозии и отложения осадков. Один берег канала (сторона, к которой прижимается поток) становится выше другого. Вблизи полюсов, где сила эффекта Кориолиса больше, каналы становятся более прямыми, чем у экватора. В то время как из-за эрозии излучины наземных рек постоянно продвигаются вниз по течению, подводные извилины остаются на своих местах. И когда подземные реки достигают определенной степени «извилистости», они строят вертикальные дамбы, которые могут достигать сотен метров в высоту.

Компании по прокладке кабелей и нефтедобывающие организации стремятся обладать как можно более полной информацией о поведении абиссальных рек. Климатологи также внимательно их изучают. Подводные каналы, особенно те, которые являются продолжением земных рек, переносят огромное количество углерода с органическими веществами и частицами. Затем они по большей части оказываются погребенными в осадочных отложениях и могут снова попасть в атмосферу – возможно, через несколько миллионов лет. Ученые пытаются оценить скорость и количество перемещаемого таким образом углерода, а также то, как этот процесс влияет на глобальный углеродный цикл. Если мы лучше поймем природу абиссальных каналов, то сможем строить более точные модели климата Земли.

Глава 8. Жизнь

Между Землей и ее обитателями сложились особенные отношения. С тех пор как жизнь обосновалась на планете около 4 миллиардов лет назад, она постоянно занималась «косметическим ремонтом» своего дома. Атмосфера планеты и состав ее горных пород изменились до неузнаваемости. Взаимоотношения Земли и жизни привели к возникновению одной из наиболее оригинальных теорий XX века.

Земля, познакомься с Жизнью. Жизнь – это Земля

На сегодняшний день только про одну планету мы можем уверенно сказать, что на ней есть жизнь, – это Земля. С уникальностью жизни связано много загадок, но самая интригующая из них – как она зародилась. Если жизнь началась здесь – то есть ей не пришлось путешествовать автостопом, чтобы прибыть на Землю откуда-то из глубин Вселенной, – это означает, что в какой-то момент некие предбиологические химические вещества собрались вместе и сформировали нечто, способное воспроизводиться и развиваться. Как это случилось и где все это началось?

Первые исследования в этом направлении начались в 1950-х годах. Американский химик Стэнли Миллер, будучи тогда 23-летним аспирантом Чикагского университета, провел эксперименты по искусственному воссозданию аминокислот – строительных кирпичиков, из которых состоят белки. Он объявил, что ему удалось создать аминокислоты с помощью лишь электрической искры, пропущенной через циркулирующий в стеклянной трубке горячий воздух. Искра Миллеру понадобилась для того, чтобы заменить первобытную молнию, а горячий воздух, содержащий аммиак, водород, водяной пар и метан, должен был имитировать атмосферу Земли, какой она была 4 миллиарда лет назад.

За дело взялись и другие химики. Кроме аминокислот они смогли вывести в экспериментах, аналогичных эксперименту Миллера, аденин и гуанин – основания нуклеиновых кислот, входящие в состав РНК и ДНК. Но для получения в ходе экспериментов двух других оснований РНК – урацила и цитозина – Миллеру потребовалось еще 43 года. Со своим студентом Майклом Робертсоном он открыл способ «приготовления» первичного бульона, в котором необходимые вещества появлялись как из рога изобилия. Самым важным ингредиентом оказалась мочевина. Ее удалось получить еще в первоначальном эксперименте, но концентрация была недостаточно высокой. Миллер предложил гипотезу так называемой высыхающей лагуны: на ранней Земле, утверждал он, уровень мочевины постепенно достиг нужного уровня по мере того, как происходило испарение мелких водоемов.

Где зародилась жизнь

Итак, исходные продукты для возникновения жизни на углеродной основе могли содержаться в атмосфере Земли, а самому зарождению жизни могли способствовать погодные условия. Как именно они соединились и привели к созданию первого жизнеспособного организма – постоянная тема горячих дискуссий. За последние несколько десятков лет теоретики сломали на ней не одно копье, а экспериментаторы поэтапно проследили за всеми химическими реакциями, способными дать начало живому организму. В процессе этой работы было обнаружено несколько других ниш на Земле помимо высыхающих лагун, которые могли стать колыбелью жизни.

Ученые искали самые примитивные организмы, по составу гораздо проще всех тех, к которым мы привыкли сегодня. И вот почему. В какой-то момент, который наступил спустя долгое время после появления первого живого организма, появился некий одноклеточный персонаж по имени LUCA (от англ. Last Universal Common Ancestor) – последний универсальный общий предок для всех живых существ на Земле. Исходя из общих черт, свойственных всем сегодняшним организмам, мы можем многое рассказать о том, каким был этот LUCA. Мы знаем, что он пользовался ДНК для хранения генетической информации – своеобразных рецептов для воспроизводства белков – и что эта информация передавалась внутри его клетки с помощью РНК. Мы даже знаем, каковы были многие из этих рецептов, потому что большинство жизненно важных белков, найденных сегодня во всех клетках живых организмов, должно было содержаться в организме LUCA. На основании свойств этих белков можно сказать, что LUCA использовал богатую энергией молекулу АТФ для подпитки своих клеточных процессов. Таким же образом поступают и клетки современных организмов.

Однако очень сложно понять, как произошел прыжок от добиологических химических веществ непосредственно к LUCA. Белки играют важную роль в воспроизведении ДНК, поэтому для создания LUCA с чистого листа требовалось, чтобы и белки, и ДНК возникли одновременно, а это чрезвычайно маловероятное совпадение. Большинство биологов придерживаются промежуточной гипотезы, которая называется «Мир РНК». Как и ДНК, РНК могут кодировать генетическую информацию; кроме того, РНК могут выступать в качестве катализатора химических реакций, как и белки. Не исключено, что РНК или нечто сродни ей могло запустить воспроизведение и метаболические процессы, в частности производство энергии. А позднее ДНК стала хранилищем генетической информации, а белки стали отвечать за метаболизм.

Рис. 8.1. Могли ли замерзание воды и таяние льда сыграть ключевую роль в рождении первых живых организмов?

Исследователи, изучающие происхождение жизни, уделяют большое внимание организмам, которые могут функционировать только с помощью РНК. Одно дело – образование небольших молекул типа РНК из первичной облачной атмосферы; но как смогли эти субъединицы объединиться в более длинные цепи РНК, которые выполняли бы роль генов и катализаторов? Для ответа на этот вопрос группа ученых под руководством Джека Шостака, сотрудника Гарвардской медицинской школы в Бостоне (США), занялась исследованием мягкого глинистого минерала – монтмориллонита.

Электрические свойства этой глины таковы, что они способствуют синтезу нитей РНК и объединению их в более длинные цепочки. Шостак с коллегами обнаружили, что эта глина может выполнять роль катализатора, стимулирующего процесс образования пузырьков из небольших жирных кислот – нечто вроде примитивных клеток, окруженных мембраной. Такая мембрана необходима для живой клетки: она защищает содержимое и способствует концентрации химических веществ для того, чтобы могли протекать реакции. Нити РНК в процессе синтеза в монтмориллоните могут оказаться внутри пузырьков. Так могли бы появиться первые протоклетки.

Итак, обычная глина на дне пруда могла сыграть важную роль в зарождении жизни. Но оказывается, что не только глина подходит для этой роли. Филипп Холлигер из Лаборатории молекулярной биологии в Кембридже (Великобритания) высказал в 2013 году мысль, что лед мог также сыграть определенную роль. Группа Холлигера впервые сумела построить длинную молекулу РНК, служащую катализатором для строительства других молекул РНК, которые оказались длиннее первоначальной. Удивительно, что этот процесс происходил при низких температурах, до –19 °C, в крошечных «карманчиках» между кристаллами льда. В 2017 году Холлигер показал, как такие РНК-катализаторы можно собрать из коротких нитей РНК в воде, которую подвергали замораживанию и оттаиванию.

С другой стороны, Ник Лейн из Университетского колледжа Лондона считает, что РНК могли возникнуть вокруг подводных вулканических жерл, где при температурах, доходящих до 90 °C, сквозь трещины в морском дне просачивались щелочи в жидком виде. При попадании жидкости в холодную морскую воду минералы из раствора выпадают в осадок, образуя каменные трубообразные расщелины высотой до 60 метров, в которых много скважин и каналов, образующих целые лабиринты.

Даже на заповедной Земле эти каналы были богаты железом и сернистыми соединениями, которые могли служить катализаторами для сложных органических реакций. Более того, перепады температур в порах должны были создавать высокие концентрации органических соединений и способствовать образованию крупных молекул, включая молекулы жира и, возможно, РНК. По словам Лейна, это место идеально подходит для образования самовоспроизводящихся наборов РНК и жировых пузырьков типа мембран.

Самое интересное то, что в жерлах вулканов могла генерироваться энергия за счет естественной разницы в количестве протонов – на границе раздела между жидкими щелочами в жерлах, в которых протонов мало, и морской водой, богатой протонами. Такой же градиент электрохимического потенциала используется для синтеза АТФ в клетках, и Лейн утверждает, что структура для генерации АТФ в клетках впервые сформировалась именно в этих каменистых порах.

Все эти теории отражают разнообразные и сложные взаимодействия, которые могли возникнуть между потенциальной жизнью и различными факторами, существовавшими на Земле. Вопрос о том, какая теория верна, все еще остается открытым. Возможно, мы никогда не найдем окончательного ответа. Многочисленные исследования в этом направлении продолжаются. Конечно, остается другая возможность, которая делает ненужными все эти измышления: возможно, жизнь вообще зародилась не на Земле…

Дети космоса

Идея о том, что жизнь пришла из космоса, возникла в XIX веке. Это теория о так называемой панспермии. Она стала популярной в начале 1970-х годов, когда астрономы обнаружили, что космос изобилует сложными органическими молекулами. Казалось, идея панспермии давала внятный ответ на вопрос, почему жизнь на Земле возникла практически сразу же после того, как планета стала пригодной для обитания. Мог ли переход от пребиотической химии на Земле к биологии действительно произойти так быстро сам по себе?

Идея о панспермии является недоказанной гипотезой и остается на обочине основной науки. Но и у нее есть свои приверженцы. Астробиолог Чандра Викрамасингхе из Букингемского университета (Великобритания) является одним из таких энтузиастов. Он вспомнил о панспермии и возродил идею, высказанную еще в 1970-х годах, когда в 2013-м были обнаружены микроорганизмы в стратосфере на высоте 27 километров. Микробы были собраны с помощью воздушного шара при изучении метеорного потока Персеиды; они находились слишком высоко над Землей и вряд ли были заброшены на такую высоту с поверхности планеты.

Викрамасингхе полагает, что в Галактике жизнь кишмя кишит, а наша биосфера – всего лишь часть обширной взаимосвязанной космической экосистемы. И между Землей и соседними звездными системами происходит постоянный обмен генетическим материалом и даже живыми организмами. Эволюционные изменения происходят в значительной степени благодаря новому генетическому материалу, который, скорее всего, поступает из космоса в виде вирусов.

Другие ученые не заходят так далеко: они просто считают, что жизнь впервые появилась на Марсе и была занесена на Землю метеоритами. В любом случае, если идея панспермии когда-нибудь получит прочное обоснование, мы по праву сможем считать себя потомками космических «пришельцев».

Как отравить планету

Если условия на ранней Земле когда-то способствовали возникновению жизни, то она с тех пор сполна отплатила планете, изменив атмосферу, океаны и геологию Земли. Самое значительное событие, произошедшее под влиянием жизни 2,4 миллиарда лет назад, – так называемая кислородная революция, или кислородная катастрофа. Она была вызвана эволюцией бактерий, получивших способность расщеплять воду во время фотосинтеза.

Фотосинтез – это процесс превращения энергии солнечного излучения в химическую энергию для питания и роста. Говоря простыми словами, под воздействием солнечного света в клетках освобождаются электроны, которые в соединении с молекулами углекислого газа образуют сахара и другие углеводы. Самые древние органические останки свидетельствуют, что микробы, способные осуществлять фотосинтез, появились как минимум 3,4 миллиарда лет тому назад.

Но на заре возникновения жизни фотосинтез был не таким, как сейчас. Тогда источником электронов для микробов был сероводород, а сера оставалась в качестве отходов.

Около 2,8 миллиарда лет назад появилась новая группа микробов. Она оказалась вовлечена в перерожденный процесс фотосинтеза – тот, что нам более знаком сегодня. В качестве источника электронов стала использоваться вода и образовывался «высокотоксичный» продукт отходов – кислород. До этого времени кислород на Земле практически отсутствовал и был в тот момент совершенно некстати. Он буквально сжигал клетки изнутри, захватывая электроны для создания реагентов, называемых свободными радикалами, которые наносят серьезный ущерб клеткам.

Примерно 2,4 миллиарда лет назад уровень кислорода в атмосфере значительно вырос, что привело к массовому вырождению существовавших на тот момент форм жизни. Большинство анаэробных микроорганизмов погибло сразу же. Те, которым повезло выжить, нашли себе убежище глубоко под землей или в других укромных уголках, где кислорода не было. Некоторые из них и сегодня живут глубоко в болотах или в криптах нашего кишечника.

В морях кислород соединялся с растворенным железом, образуя нерастворимые окислы железа, которые опускались на морское дно. В Западной Австралии и в штате Миннесота (США) имеются обширные скальные образования с полосчатыми железистыми формациями – свидетельствами той эпохи. По мере увеличения уровня кислорода высоко в стратосфере ультрафиолетовое излучение Солнца расщепляло молекулы кислорода, создавая озоновый слой (см. главу 6). Создание этого щита защитило новые формы жизни от вредных ультрафиолетовых лучей и позволило им перейти на сушу.

Начала благоденствовать новая группа фотосинтезирующих микроорганизмов – по-видимому, предков современных цианобактерий. Это случилось прежде всего потому, что процесс получения энергии с использованием кислорода для сжигания углеводов в восемнадцать раз более эффективен, чем анаэробный путь. Жизнь крепла, создавались условия для эволюции более сложных форм жизни.

Эукариоты, способные использовать кислород, появились в промежутке между 2,1 и 1,6 миллиона лет назад. По мере их развития уровень кислорода в атмосфере упал, но вскоре равновесие восстановилось (см. рис. 8.2). Позже появились многоклеточные формы жизни, включая растения, которые «позаимствовали» свой механизм фотосинтеза у цианобактерий. Сегодня с помощью фотосинтеза, прямо или косвенно, производится практически вся энергия, которая используется жизнью на Земле.

Рис. 8.2. Современная жизнь на Земле во многом обязана появлению кислорода в атмосфере планеты. Для большинства микроорганизмов, живших 2,4 миллиарда лет назад, реакции с участием кислорода оказались губительными.

Влияние Геи

На основе идеи о взаимодействии жизни с физическими системами Земли возникла гипотеза Геи – одна из самых влиятельных и смелых научных гипотез XX века. Гея – древнегреческая богиня Земли, олицетворяющая заботливую мать всего живого. Эта простая и трогательная гипотеза является независимым мнением и духовным детищем ученого и изобретателя Джима Лавлока, который предположил, что биосфера сама себя регулирует и при этом взращивает жизнь и заботится о ней. Вокруг этой гипотезы не прекращается ожесточенная полемика, в которой участвуют как убежденные сторонники, так и решительные противники. Есть и такое мнение, что это не научная гипотеза, а, скорее, философское учение или даже религиозное верование.

Эта история началась в 1960-х годах. Джеймс Лавлок, работавший тогда в агентстве НАСА, совместно со своим коллегой Дайаном Хичкоком исследовал атмосферу Марса и показал, что она находится в состоянии химического равновесия и представляет собой стоячий резервуар углекислого газа с примесью азота и небольшого количества кислорода, а также метана или водорода. В отличие от марсианской атмосферы, наша находится в неравновесном химическом состоянии – уровни углекислого газа и кислорода постоянно меняются. Основной движущей силой этих изменений являются процессы, связанные с активностью живых организмов: фотосинтез заменяет углекислый газ на кислород, в то время как аэробный метаболизм совершает работу в обратном направлении. Если бы на нашей планете не было жизни, в атмосфере произошли бы радикальные изменения: вместо богатой кислородом смеси из газов, которая поддерживает нашу жизнь и которой мы дышим, на Земле воцарилась бы химически равновесная атмосфера. Как и марсианская, она была бы враждебна для жизни.

Земная атмосфера постоянно меняется; более того, вот уже несколько миллиардов лет она весьма доброжелательна по отношению к существам, населяющим планету. Кроме того, поверхностная температура, степень кислотности и химический состав океана, по-видимому, оставались примерно на одном уровне в течение миллиардов лет; они хоть и колебались около средних значений, но все же сохранялись на уровне, необходимом для обеспечения выживаемости. Собрав воедино все эти факты, Лавлок разработал новый взгляд на жизнь и взаимодействие с приютившей ее планетой.

Вкратце гипотеза Геи состоит в следующем: жизнь в целом взаимодействует с физической средой таким образом, что атмосфера Земли не только сохраняется пригодной для жизни, но и постоянно улучшает условия жизнеобеспечения. Происходит это благодаря целому ряду систем обратной связи, подобных биологическому гомеостазу – механизму, с помощью которого живые организмы поддерживают постоянство своей внутренней среды. Те аспекты, от которых больше всего зависят условия обитаемости на планете – температура, химический состав океанов и пресной воды, а также состав атмосферы, – не просто зависят от деятельности живых организмов, а регулируются этой жизнедеятельностью.

За десять лет, прошедших после первых публикаций Лавлока на эту тему, он подробно разработал гипотезу Геи и придал ей строгое научное обоснование. В середине 1970-х годов Лавлок описал свою точку зрения следующим образом: «Теория Геи гласит, что температура, степень окисления, кислотность и некоторые характеристики пород и вод остаются постоянными и что этот гомеостаз поддерживается за счет активных процессов обратной связи, выполняемых биотой автоматически и бессознательно».

Со временем Лавлок стал относиться к планете как к своего рода живому сверхорганизму. В своей книге «Гея: новый взгляд на жизнь на Земле» (англ. Gaia: A New Look at Life on Earth, 1979) Лавлок писал: «Все разнообразие живых организмов, от китов до вирусов и от дубов до водорослей, можно рассматривать как единое живое существо, способное поддерживать атмосферу Земли в соответствии со своими общими потребностями и наделенное способностями и могуществом, намного превосходящими возможности составляющих его частей». Другими словами, Земля – это не просто планета, на которой обитает жизнь; она сама является живым существом.

Элегантная идея быстро привлекла множество приверженцев в среде как ученых, так и простых обывателей. Некоторые исследователи по-новому, с точки зрения этой гипотезы, взглянули на круговорот органических компонентов и элементов в природе. Другие последовали примеру Лавлока и начали искать научное подтверждение того, что жизнь регулирует условия на планете. Люди, в основном не относящиеся к научной среде, получили благодаря этой идее новый повод утверждать, что мы все должны бережно относиться к планете и всем без исключения организмам, живущим на ней. Некоторые даже увидели в этой концепции лицо Бога.

Многоликая Гея

Сейчас существуют по крайней мере три различных варианта гипотезы Геи.

Оптимизирующая Гея. Эта ранняя версия теории о Гее остается одной из самых «сильных». Она подразумевает, что совокупность живых организмов активно регулирует условия окружающей среды, включая чисто физические аспекты биосферы – температуру, кислотность океанов и состав атмосферного газа, – таким образом, чтобы Земля оставалась оптимально пригодной для жизни.

Саморегулирующаяся (гомеостатическая) Гея. Это более поздний вариант теории, ее более слабая версия. В ней речь идет не о том, что жизнь активно оптимизирует условия на планете, а о том, что она создает системы отрицательной обратной связи, которые позволяют поддерживать в определенных пределах те факторы, которые нужны для нормального функционирования жизни: температуру и содержание кислорода и углекислого газа в атмосфере.

Гея как сверхорганизм. Земля – это не просто планета, поддерживающая жизнь; она сама является живым организмом. Это наиболее сильное толкование теории; в мире ученых эта версия считается ненаучной.

Гея – справедливая богиня?

Гипотеза Геи продолжает вызывать научный интерес и неутихающие споры. Этой теории было посвящено несколько международных конференций. И действительно, для недоверия есть все основания. Ряд последних открытий поставил под сомнение гипотезу о Гее. Особенно изобличительными являются два направления исследований: одно связано с глубокой древностью и занимается изучением древних пород, а другое основано на моделировании будущего. Оба опровергают основные предсказания гипотезы Геи. Но если уж выбирать из мифологии материнский персонаж, наиболее удачно характеризующий биосферу, следовало бы выбрать жестокую Медею, сбежавшую с Ясоном и аргонавтами. Она была волшебницей, принцессой и убийцей собственных детей.

Что касается фактов из глубокой древности – один из самых сильных аргументов сторонников гипотезы Геи заключается в том, что температура на планете оставалась устойчивой и постоянной благодаря обратным связям, которые обязаны своим существованием живым организмам. Самым важным из этих «термостатов» является цикл, связанный с действием атмосферных условий (см. главу 6). Вулканы постоянно извергают в атмосферу большое количество углекислого газа – самого сильного по воздействию на климат парникового газа. Если от него не избавляться, его содержание вырастет до такой степени, что на Земле начнется стремительное потепление, вплоть до того, что когда-нибудь океаны вскипят и испарятся. По-видимому, именно такая судьба постигла Венеру около 4 миллиардов лет назад.

Очистка атмосферы от углекислого газа в значительной степени обеспечивается химическим выветриванием богатых силикатами пород, таких как гранит. В результате химической реакции углекислый газ захватывается известняком и удаляется из атмосферы. Увеличению скорости этой реакции способствуют наземные растения, корни которых разрушают горные породы и позволяют воде и углекислому газу свободно проникать внутрь. Кроме того, растения также напрямую удаляют углекислый из атмосферы посредством фотосинтеза.

Пока все это укладывается в рамки гипотезы о Гее. Но по мере того как ученые получали все более точные сведения о том, какие глобальные температуры были характерны для Земли в прошлом, постоянство температуры начали подвергать большим сомнениям, а это плохо соотносится с гипотезой о Гее. Средняя температура испытывала довольно большие перепады, которые были связаны с появлением и эволюцией новых форм жизни.

Например, около 2,3 миллиарда лет назад Земля пережила гигантский ледниковый период, который длился 100 миллионов лет. Оледенение было настолько сильным, что океаны полностью замерзли. Земля превратилась в своеобразный космический «снежок» (см. главу 2). Виной этому были сами живые организмы. Новое поколение фотосинтезирующих микроорганизмов, расщепляющих воду, извлекло из атмосферы так много углекислого газа, удерживающего тепло, что вся планета превратилась в огромную морозильную камеру.

Второй раз Земля превратилась в «снежок» 700 миллионов лет назад. Это оледенение было вызвано эволюцией первых многоклеточных растений. Еще позже, вследствие эволюции наземных растений, климату был нанесен двойной удар. Содержание углекислого газа стало снижаться не только из-за фотосинтеза, но также и из-за того, что глубокие корни растений резко увеличивали скорость выветривания. В результате, вскоре после появления на планете лесов, примерно в конце девонского периода, Земля вступила в новый ледниковый период. Он наступил 360 миллионов лет назад и длился 50 миллионов лет. Теплая зеленая планета быстро остыла, и вся жизнь на огромных территориях вымерла. Не очень-то это укладывается в рамки гипотезы о Гее.

На самом деле в истории мы видим многочисленные примеры того, как одни формы жизни безжалостно истребляли другие. Чарльз Дарвин полагал, что вновь появляющиеся виды вклиниваются в окружающую среду, сначала занимая узкую пустующую нишу, а потом постепенно расширяя ее. Некоторые так и делают. Но другие вваливаются, как кузнечный молот, уничтожая на своем пути целые ветви жизненного древа.

Возможно, худшее из всех деяний Медеи было связано с тем же биологическим новшеством, которое вызвало первое оледенение на Земле. Речь идет о кислородной катастрофе, которую мы уже упоминали ранее в этой главе. Она привела к появлению кислорода, оказавшегося оружием массового поражения. Почти все прежние формы жизни погибли. Выжили только организмы, овладевшие новым методом фотосинтеза, а также те микроорганизмы, которые смогли быстро приспособиться к кислороду или найти себе убежище, куда не проникал кислород.

Рис. 8.3. Почти все массовые вымирания были вызваны тем, что одни виды жизни уничтожали другие. Единственное заметное исключение – мел-палеогеновое вымирание, которое считается результатом падения на Землю астероида.

Еще более убийственными для гипотезы Геи выглядят эпизоды массового вымирания животных, которые неоднократно происходили на протяжении последних 565 миллионов лет. Эволюция претерпела пять великих и порядка десяти малых эпизодов массового вымирания. Большинство из этих событий связаны с массовыми исчезновениями микроорганизмов и были вызваны расцветом жизнедеятельности бактерий, испускающих ядовитый газ сероводород. Эти бактерии процветали в стоячей воде океанов во время периодов интенсивного глобального потепления. Одно из таких потеплений случилось в конце пермского периода, когда из-за активной вулканической деятельности в атмосферу выбрасывались огромные количества углекислого газа.

Согласно гипотезе Геи, жизнь должна была препятствовать развитию таких явлений. Но этого не произошло. В рамки представлений о Гее эти события никак не укладываются; наоборот, похоже на то, что к ним была причастна Медея, как, впрочем, и ко многим другим случаям в истории. Даже сейчас вокруг нас происходит массовое вымирание, к которому приложил руку и сам человек.

Взгляд в будущее

Что мы можем сказать про будущее? Грядущие события также опровергают гипотезу о Гее, и это, пожалуй, самое интересное и шокирующее открытие. Похоже на то, что жизнь сама активно приближает собственную кончину, направляя Землю к тому неизбежному дню, когда она вернется в свое первоначальное бесплодное состояние.

Как это может произойти? Начнем с того, что Солнце становится горячее. За последние 4,5 миллиарда лет его яркость увеличилась примерно на 30 %, и это не предел. С увеличением яркости звезды будет нарастать глобальное потепление, что увеличит скорость химического выветривания. Углекислый газ будет быстрее удаляться из атмосферы – этому поспособствуют фотосинтез и корни растений.

Вначале это сдержит подъем температуры вследствие солнечного нагревания. Но настанет время – возможно, уже через 500 миллионов лет, – когда в атмосфере будет недостаточно углекислого газа для поддержания фотосинтеза. Этот злополучный день будет днем начала конца света.

Изменения будут драматичными и катастрофическими для жизни. Все растения засохнут и погибнут, планета лишится основного источника биопродуктивности и атмосферного кислорода. За растениями вскоре последуют и животные. Гибель флоры приведет к усиленному накоплению углекислого газа в атмосфере, а это вызовет безудержный парниковый эффект.

В конце концов температура поверхности Земли превысит температуру кипящей воды и погибнет последний микроорганизм. Земля снова станет безжизненной. Такой сценарий полностью противоречит теории Геи, потому что эта гипотеза утверждает: присутствие жизни на планете должно обеспечить условия для длительного обитания. На самом деле, как мы видим, все происходит наоборот.

Если эти модели развития верны, жизнь на Земле уже клонится к закату. Авантюра с жизнью, которая началась на Земле 3,8 миллиарда лет назад и до сих пор является единственным подтвержденным случаем во Вселенной, может продлиться еще около миллиарда лет. Долгосрочное и окончательное снижение содержания углекислого газа в атмосфере уже началось, на этом фоне эффект от сжигания ископаемого топлива – всего лишь незначительный всплеск. Гея умирает. Да здравствует Медея. Таковы сегодняшние обстоятельства.

Проверка гипотезы Геи

Первый обзор доказательств гипотезы Геи появился в 2013 году в книге «О Гее: критическое исследование взаимосвязи жизни и Земли». Она была написана Тоби Тирреллом – профессором Саутгемптонского университета, занимающимся исследованиями систем Земли. Один из главных аргументов теории Геи состоит в том, что жизнь сильно изменила среду обитания на Земле, включая химический состав атмосферы и морской воды. Тиррелл нашел многочисленные свидетельства глобальных биологических изменений в окружающей среде. Например, наличие жизни влияет на альбедо планеты – способность отражения Землей солнечной энергии обратно в космос. В частности, альбедо изменяется из-за того, что океанские микроорганизмы производят диметилсульфид – химическое вещество, которое, поднимаясь в верхние слои атмосферы, влияет на образование облаков.

Этот эффект долгое время считался подтверждением гипотезы Геи, но выяснилось, что он оказывает относительно слабое воздействие. И есть еще одна загвоздка. Способность жизни изменять среду обитания на Земле также может работать и в другом направлении. Гипотеза совместной эволюции жизни и планеты утверждает, что жизнь и окружающая среда влияют друг на друга, но не говорит, что конечный результат будет обязательно улучшением или сохранением условий, пригодных для жизни на Земле. Тиррелл не нашел убедительных преимуществ гипотезы Геи перед ее альтернативой.

Как может обеспечиваться эффективность взаимосвязей в гипотезе Геи? Механизм самоподдержания был бы более правдоподобным, если бы возник естественным путем в процессе эволюции. Тиррелл не нашел веских причин в это поверить, но наткнулся на увлекательные случаи, которые можно назвать «Гея в миниатюре». Например, в термитных холмиках и в осиных гнездах терморегуляция обеспечивается таким образом, что перепады между дневными и ночными температурами в них гораздо меньше, чем снаружи. Достигается это отчасти за счет того, что общественные насекомые умеют правильно ориентировать свои жилища. Помимо этого, стабильные внутренние температуры обеспечиваются с помощью корректирующего группового поведения особей, которые следят за соблюдением теплового режима, необходимого для выхаживания потомства.

Эти примеры показывают, что гипотеза Геи справедлива в отдельных случаях, но они вовсе не убеждают в том, что нечто подобное должно происходить в глобальном масштабе. Коллективное регулирование общей среды до сих пор наблюдалось только у особей с близкими родственными связями, тогда как глобальная биота, будучи генетически чрезвычайно разнообразной, ведет себя прямо противоположным образом.

Тиррелл делает вывод, что гипотеза Геи не отражает точную картину устройства нашего мира. Планета менее стабильна, чем предполагается в этой гипотезе, и поэтому более хрупка. Досадно, что эта прекрасная идея, скорее всего, не соответствует действительности; но будет гораздо лучше, утверждает Тиррелл, если при решении экологических проблем мы будем опираться на реальные механизмы, управляющие действиями наших земных систем, а не на воображаемые.

Глава 9. Добро пожаловать в антропоцен

Январь 1950 года. Хроника новостей. Айзек Азимов публикует свой первый научно-фантастический роман «Камешек в небе». Родился Стиви Уандер. По мнению ряда ученых, Земля вступает в новую эпоху – антропоцен. Человеческая цивилизация благодаря возросшей численности и активности достигла такого уровня, что антропогенный фактор начал оказывать глубокое влияние на геологию Земли, ее атмосферу, океаны и экосистемы.

Эпоха людей

С последнего ледникового периода прошло 11 700 лет. На Земле наступила геологическая эпоха, которой было дано наименование «голоцен» и которая завершилась не так давно. Способны ли мы, люди, настолько изменить нашу планету, что будем ответственны за смену эпох из-за своей деятельности?

В сентябре 2017 года понятие «антропоцен» прочно вошло в научный обиход. Рабочая группа геологов, в течение восьми лет изучавшая проблему, рекомендовала добавить антропоцен к геологической шкале времени.

Окончательное решение остается за Международной комиссией по стратиграфии. Перед тем, как она примет эту рекомендацию, нужно проделать еще много работы. Прежде всего предстоит определиться с ответом на актуальный вопрос: что в мире является лучшим свидетельством рассвета антропоцена?

Границу между геологическими периодами или эпохами на геохронологической шкале принято обозначать с помощью Разреза и Точки глобального стратотипа границы. Иногда эту точку отсчета какого-либо древнего периода называют «золотым гвоздем»[3]. Это место, наилучшим образом характеризующее переход нашего мира из одного фрагмента геологического времени в другой (см. главу 2).

Например, чтобы получить представление о том, как меловой период, в котором царствовали динозавры, сменился палеоценом, лучше всего отправиться в Эль-Кеф в Тунисе. Крупнейшее в истории пермско-триасовое вымирание видов прекрасно иллюстрирует провинция Чжэцзян в Китае.

Какому месту на Земле геологи отдадут предпочтение, когда будут говорить о начале антропоцена? По словам Яна Заласевича из Лестерского университета (Великобритания), который является научным руководителем рабочей группы по антропоцену Международной комиссии по стратиграфии, таких потенциальных мест на Земле довольно много. Среди них – озера, бескислородные морские бассейны и ледяные пласты.

Выбор места предполагаемого перехода в антропоцен затрудняется тем, что он произошел сравнительно недавно. В идеале «золотой гвоздь» должен ассоциироваться с таким местом, где происходит постепенное накопление веществ – например, льда или осадочных отложений, – красноречиво повествующих о легко распознаваемых ежегодных изменениях. Это также должно быть место, где летописи событий не угрожает опасность быть уничтоженной из-за естественной эрозии или деятельности человека.

Рис. 9.1. Испытания атомной бомбы – начало антропоцена.

Следует ответить еще на один вопрос: какой показатель лучше всего демонстрирует приход антропоцена? Границы между геологическими эпохами и периодами обычно привязывают к глобальному событию, а не к той или иной точной дате. Конец мелового периода, например, определяется по большому количеству внеземного слоя иридия и по целому ряду вымираний, связанных с ударами астероида. Все это хорошо видно в слоях осадочных отложений в местечке Эль-Кеф.

«Золотой гвоздь» антропоцена

Начало антропоцена можно связать с резким повышением радиоактивных осадков плутония в результате многочисленных испытаний атомных бомб в середине XX века. Или с первым появлением пластика в слоях грязи, накапливающейся на дне озер и океанов.

Вполне возможно, принять во внимание придется многие факторы, сыгравшие роль в становлении антропоцена. Например, «золотым гвоздем» голоцена – предшественника антропоцена – считается сердцевина Гренландского ледяного щита, которая имеет изотопный состав, характерный для глобального потепления, наступившего в конце последнего ледникового периода. В мире существуют также и другие места, связанные с переходом между эпохами: например, осадочный керн в озере в Японии, где зафиксированы признаки изменений, произошедших с пыльцой из-за повышения глобальной температуры.

Но при этом главный вопрос о выборе места, наиболее ярко характеризующего различные проявления антропоцена, остается пока открытым. Однозначного ответа на него нет. Где же искать такое место?

Колин Уотерс из Британской геологической службы, который также является членом рабочей группы по антропоцену, считает, что нужно внимательно изучить два места: бассейн вдоль побережья Калифорнии в районе города Санта-Барбара и бассейн Кариако, расположенный у побережья Венесуэлы. В обоих местах происходит накопление осадочных отложений с постоянной скоростью, и они вполне могут содержать изотопы плутония. При этом там практически исключается активность со стороны человека или другие действия, нарушающие естественный характер процессов.

Другой путь – призвать на помощь образования из известняка, такие как сталагмиты или сталактиты в пещерах. Это позволит исследовать изотопы углерода, отражающие влияние человеческой деятельности на атмосферу. Возможно, переход от голоцена к антропоцену, как и от плейстоцена к голоцену, лучше всего отпечатался в ледяных кернах, взятых из ледяного щита Гренландии.

Самым показательным признаком на Земле, знаменующим начало антропоцена, могут быть коралловые рифы. Заласевич считает, что годовые кольца роста у особенно быстрорастущих кораллов из рода Порит (Porites) должны содержать высокоточные и несокрушимые химические свидетельства о том моменте, когда голоцен дал начало антропоцену.

Коралловые рифы на Земле сегодня находятся под угрозой исчезновения из-за глобального потепления и увеличения кислотности океана. Уотерс, не лишенный поэтического вдохновения, предлагает, пока не поздно, найти коралл в Карибском море и сохранить его в музее в качестве того уникального объекта, который лучше всего отражает момент начала изменений на всей планете в результате интенсивной деятельности человека.

Признаки человеческого влияния

Даже если через десятки миллионов лет на Земле не останется людей, сохранятся явные признаки существования человечества в геологической летописи нашей планеты. Выпадение осадков плутония и других радиоактивных изотопов ознаменовало начало периода, когда люди начали оказывать большое и широкомасштабное воздействие на планету. Но есть и другие потенциальные индикаторы нашей активности…

Ископаемое топливо

Продукты сжигания ископаемого топлива, несомненно, относятся к очевидным признакам антропоцена. Нынешние темпы углеродосодержащих выбросов являются самыми высокими за последние 65 миллионов лет. Концентрация углекислого газа в атмосфере резко возросла с 1850 года и сейчас составляет около 0,041 % – в кернах, взятых из любых Гренландских или Антарктических ледяных щитов, которые переживут глобальное потепление, это обязательно будет зафиксировано. Из-за сжигания ископаемого топлива также будет увеличиваться отношение концентрации изотопа углерод-12 к изотопу углерод-13, а это непременно обнаружится в кольцах деревьев, известняке и окаменелых костях и раковинах. Сжигание топлива также приводит к распространению в воздухе мелких частиц углерода, которые могут захватываться осадочными отложениями и ледниковыми льдами.

Новые вещества

Одним из важнейших признаков нашего времени будет служить наличие трех вещей, которые сегодня мы используем каждый день: бетона, пластика и алюминия. Алюминий как химический элемент был неизвестен людям до XIX века, а сейчас количество этого вещества, произведенного нами, достигло 500 миллионов тонн. Бетон изобрели еще римляне, но именно в XX веке он стал наиболее широко используемым строительным материалом. На сегодняшний день произведено около 50 миллиардов тонн. Этого достаточно, чтобы забетонировать всю Землю – на каждый квадратный метр поверхности придется целый килограмм бетона. Более половины было произведено, начиная с 1990-х годов. Что касается пластмасс, то их производство стремительно росло начиная с 1950-х годов, и теперь мы производим более 300 миллионов тонн пластиковых материалов в год. Осадочные отложения, содержащие любой из этих материалов, будут явным признаком эпохи антропоцена.

Другая геология

Каждый раз, уничтожая участок тропического леса, мы вносим необратимые изменения в будущее геологическое строение Земли. К настоящему времени более половины всей суши на планете человек изменил до неузнаваемости во имя достижения своих целей. Вырубка лесов, сельскохозяйственная деятельность, бурение, добыча полезных ископаемых, мусорные полигоны, строительство плотин и мелиорация прибрежных районов – все эти широкомасштабные процессы нарушают естественное образование осадочных пород и залегание слоев твердых пород.

Удобрения

Усилия, предпринимаемые для того, чтобы накормить растущее население, также не проходят бесследно. Из-за интенсивного использования удобрений содержание азота и фосфора в почве за последнее столетие выросло вдвое. Мы производим 23,5 миллиона тонн фосфора в год. Это в два раза превышает темп возникновения этого вещества в голоцене. Круговорот азота в природе сильно вырос – в настоящее время из-за деятельности человека цикл обмена азота стал наиболее интенсивным за последние 2,5 миллиарда лет. По сравнению с голоценом количество азотистых соединений, вступающих в различные химические реакции, выросло на 120 %.

Глобальное потепление

Антропогенный фактор, влияющий на изменение климата, в будущем легко будет распознать. Температура на Земле в XX веке повысилась на 0,6–0,9 °C. Это превышает естественные температурные изменения, происходившие в голоцене, которые оценивались на основе содержания изотопов кислорода в ледяных кернах Гренландии. Средний уровень Мирового океана сейчас выше, чем он был когда-либо за последние 115 000 лет; кроме того, он быстро растет. Этот факт также вряд ли останется незамеченным в будущем.

Массовое вымирание

Пока существует жизнь, будет существовать и смерть. Но массовые вымирания целых видов, вызванные крупномасштабными глобальными изменениями в природе, знаменуют собой конец и начало различных геологических периодов. В настоящее время появляется все больше сведений о том, что из-за широкомасштабной деятельности человека началось шестое крупное массовое вымирание в истории Земли; при этом три четверти видов могут быть уничтожены в ближайшие столетия. Палеонтологи будущего заметят внезапное исчезновение многих видов из палеонтологической летописи в начале эпохи антропоцена.

Пластмассовая чума

Будущие геологи найдут характерные признаки антропоцена в осадочных отложениях на планете. И не только. Некоторые современные проявления антропоцена таковы, что представляют реальную угрозу всей Земле. Одна из таких угроз появилась в конце 1990-х годов. Пластмассы, несомненно, являются очень полезными материалами, но наше пристрастие к ним и нежелание их перерабатывать создают проблему глобального масштаба. Появилась даже шутка из разряда черного юмора, что новую эпоху человечества следует назвать «пластицен».

Из 320 миллионов тонн пластика, производимого ежегодно, около трети выбрасывается после единоразового применения. Большое количество пластмасс погребено на мусорных полигонах, где, вероятно, и останется навсегда, но огромная его часть попадает и в океаны. Некоторые отходы выбрасываются потом на побережья – на пляжи или в места, где обитают дикая флора и фауна. Существенные объемы пластика остаются в морях и океанах, где распадаются на все более мелкие фрагменты. Однако мы не знаем, какова конечная судьба этой пластмассы. Мы только сейчас начинаем осознавать, насколько удушающими для морей и океанов являются эти «пластиковые объятия» и какой огромный вред наносит пластиковое загрязнение здоровью морских существ и всех тех, кто ими питается. Нам только еще предстоит выяснить, где весь этот пластиковый мусор окажется в отдаленном будущем: распадется ли он полностью или останется постоянным шрамом на теле нашей планеты?

Масштабы проблемы, которую мы сами создали из пластиковых отходов, впервые стали ясны в 1997 году. Американский океанограф Чарльз Мур, направлявшийся с Гавайских островов в Калифорнию, наткнулся на огромную область, состоящую из плавающего мусора. Впоследствии этот остров был назван Большим тихоокеанским мусорным пятном. Вскоре было обнаружено, что и в других океанах плавают аналогичные скопления антропогенных материалов.

Эти мусорные острова нарастают там, где существуют поверхностные течения, или большие круговороты, которые вращаются по обе стороны от экватора (см. главу 7). Если размешивать в миске суп, то лапша соберется в середине; точно так же все куски мусора, попавшие в сферу влияния этих круговоротов, скорее всего, окажутся в их центре. Пять самых больших скоплений находятся в Индийском океане, северной и южной частях Тихого океана, а также в Северной и Южной Атлантиках (см. рис. 9.2). В 2014 году Мур рассказывал, что нашел одно такое место в круговороте Тихого океана, по которому он мог ходить – так много мусора там наслоилось.

Рис. 9.2. Множество океанических пластиковых отходов находится вблизи густонаселенных побережий, а вдали от берега они концентрируются в пяти гигантских круговоротах.

Сложно определить точно, сколько именно пластика загрязняет водные пространства нашей планеты. Международная группа под руководством Маркуса Эриксона из Института пяти круговоротов в Санта-Монике (штат Калифорния, США) собрала данные о количестве пластика, выловленного за шесть лет сетями исследовательских судов. К нему прибавили весь мусор, обнаруженный визуально наблюдателями, которые стояли на палубах этих кораблей и считали каждый увиденный ими кусок пластика. По оценкам группы исследователей, в море плавает 5,25 триллиона кусков пластика общим весом не менее 260 000 тонн. По большей части это крупный мусор – ведра, бутылки, пакеты, одноразовые упаковки и пенополистирол.

По данным промышленной торговой организации Plastics Europe, глобальное производство пластмасс в 2015 году перевалило за 322 миллиона тонн. Производителям зачастую дешевле производить пластик, чем его перерабатывать, поэтому основная часть этого материала после первичного использования просто выбрасывается. Таким образом, оптимальная оценка количества плавающего пластика составляет менее 0,1 % от всего количества пластика, производимого каждый год.

Возникает интересный вопрос: почему же мы обнаруживаем так мало пластиковых отходов? Куда они деваются? Возможно, пластик разрушается быстрее, чем мы думаем, потому что совместное действие солнечного света и волн разлагает его на мелкие фрагменты? «Невидимый» пластик может существовать во взвешенном состоянии в виде бульона из крошечных кусочков, раскиданных по всей толще воды. По оценкам группы Эриксона, в мировом океане содержится 35 500 тонн пластиковых частиц размером менее 5 миллиметров. Но эта оценка представляется заниженной.

Есть несколько возможных объяснений этому. Пластиковые частицы диаметром менее трети миллиметра проскальзывают через траловые сети, потому что размер ячеек слишком велик. Поэтому огромное количество пластика можно было проглядеть и не учесть.

Морской биолог Ричард Томсон из Плимутского университета (Великобритания) считает, что большое количество пластика может быть заморожено во льдах. Группа под его руководством провела в июне 2014 года специальное исследование морского льда в Арктике. Было обнаружено до 234 частиц пластика на кубический метр льда, что на несколько порядков превышает содержание пластика в сильно загрязненных водах морских круговоротов. Томсон предполагает, что при превращении морской воды в пресноводный лед мелкие частицы пластика захватываются и концентрируются в ледяных массивах. Общая площадь морского льда составляет около 6 миллионов квадратных километров и может представлять собой огромное хранилище использованного пластика. Если этот лед растает, весь этот запас пластмасс вернется обратно в море.

Томсон со своей группой обнаружил еще одно место скопления пластика. Ученые опубликовали данные о том, что крошечные кусочки пластика и других полимеров, в основном в виде волокон, содержатся в отложениях на дне Атлантического и Индийского океанов, а также Средиземного моря. Причем в этих глубоководных осадках в 10 000 раз больше пластика, чем в поверхностных водах. Взятые ими образцы содержали до 800 000 частиц пластика на один кубический метр. Количество образцов было небольшим – всего двенадцать осадочных кернов и четыре фрагмента кораллов, но обломки пластика присутствовали во всех из них.

Съешьте свой пластик

Нам еще только предстоит исследовать полное воздействие крошечных пластиковых фрагментов на морских существ и на дальнейшую пищевую цепочку. Известно, что крупные представители морской фауны – птицы, черепахи, рыбы и киты – нередко заглатывают пластиковый мусор вместе с пищей (см. рис. 9.3). Это приводит к их удушью или даже смерти от голода из-за того, что желудки животных забиваются пластиком. Но воздействие мусора на более мелких морских обитателей является гораздо более сложным.

Рис. 9.3. Пластик убивает крупных морских млекопитающих – они задыхаются или умирают от голода. Влияние пластика на других морских обитателей пока до конца не ясно.

Некоторые микроорганизмы пируют на океаническом пластике как за шведским столом в отеле. На любой твердой поверхности в океане собирается, как на тарелке, множество питательных веществ. Вот почему огромные паромы из плавающего пластика привлекают к себе целое сборище различных персонажей. В мусорном пятне рождается новая экосистема, получившая название «пластосфера».

Среди пирующих на пластике бактерий встречаются различные вибрионы, часть из которых являются патогенными для рыб и для человека – например, холерные вибрионы. На пластике могут найти себе убежище также и вирусы. Это неудивительно, поскольку уровень содержания вирусов в толще воды намного превышает концентрацию микробов.

Существуют неоспоримые свидетельства того, что пластиковые микрочастицы внедряются в пищевую цепочку. Даже если не принимать во внимание вирусы и бактерии, сам по себе микропластик наносит рыбам ощутимый вред. Он снижает эффективность поглощения пищи и выделяет при распаде токсичные добавки – антипирены, а также фталаты и бисфенол А, которые могут симулировать действие гормонов. Пластмассы также действуют в морской воде как губки для химических веществ, поглощая органические загрязнители, в том числе полихлорированные дифенилы (ПХД) и пестициды, такие как дихлордифенил трихлорметилметан (ДДТ). Исследования показывают, что прилипшие к пластику загрязняющие вещества могут отравить рыбу.

Из всего этого следует: любители рыбы, будьте осторожны!

Остановка течения

Огромное количество пластика попадает в океаны через реки. Основными компонентами отходов являются волокна от синтетической одежды, отрывающиеся при стирке, и микрогранулы, используемые во многих косметических средствах. Очистные сооружения не могут их полностью отфильтровать, поэтому они попадают в реки.

В 2014 году правительство штата Иллинойс (США) утвердило первый в мире запрет на использование микрогранул, после того как исследования показали, что на поверхности Великих озер плавает множество крошечных пластиковых шариков, загрязняющих воду. С тех пор отдельные национальные правительства, включая правительство Канады, начали также вводить аналогичные запреты. Ряд производителей взяли на себя обязательства исключить подобные гранулы из своей продукции, среди них Unilever, Colgate-Palmolive, Procter & Gamble и Johnson & Johnson.

Постепенно усиливается борьба и с другой продукцией из пластика. В некоторых странах ценники на пластиковых пакетах призваны удерживать покупателей от их чрезмерного использования. В 2017 году правительство Великобритании начало предпринимать шаги, призванные поставить под контроль количество одноразовых контейнеров, таких как картонные коробки для еды на вынос и пластиковые бутылки для напитков. С января 2018 года в Англии запрещено производство, а позднее и продажа, косметической продукции и чистящих средств, содержащих микрогранулы.

Между тем некоторые энтузиасты надеются наладить массовый сбор пластика из океанических круговоротов. В 2014 году организация The Ocean Cleanup завершила испытания плавучего бонового заграждения возле Азорских островов в Атлантическом океане. Экологи считают, что один круговорот можно очистить от плавающего мусора за пять-десять лет щадящими действиями, не нанося вред животному миру. Глобальную очистку океана в рамках этого проекта предполагалось начать в 2020 году.

Глава 10. Изменения климата

Быстрое изменение климата является не только потенциальным индикатором начала эпохи антропоцена – сегодня оно начинает вызывать неподдельную тревогу. Следует ли винить людей в изменении климата? Мнения на этот счет разделяются, в том числе и среди ученых. Если виною всему антропогенный фактор, можем ли мы остановить рост глобальных температур? Если же нет, то каковы будут последствия глобального потепления?

Зловещее предзнаменование

Несомненно одно: начало антропоцена отмечено быстрым изменением климата. С тех пор как началась промышленная революция, средняя температура поверхности Земли повысилась более чем на 1 °C. Этот темп намного превышает любые естественные изменения, происходившие в эпоху голоцена. Средний уровень мирового океана, который практически не менялся в течение нескольких последних тысяч лет, начал повышаться ускоренными темпами.

Невозможно точно предсказать влияние изменения климата на окружающую среду – прежде всего потому, что мы не знаем, как люди будут изменять среду своего обитания в будущем. Тем не менее научный подход может дать нам хорошее представление о событиях, которые могут развернуться в рамках того или иного сценария.

Нагрев планеты парниковыми газами

На Земле становится теплее. Мы замечаем это по показаниям термометров, но есть и другие доказательства. Происходит глобальное таяние ледников, раньше наступает весна, сдвигаются ареалы распространения деревьев и некоторых видов животных.

Этот процесс может объясняться двояко: либо на Землю начало поступать больше тепла, либо стало уходить меньше тепла. Первый вариант можно сразу исключить. Обычно в течение 11-летнего солнечного цикла количество солнечной энергии, попадающей в атмосферу Земли, варьируется примерно в рамках 0,1 %, но в среднем количество поступающей энергии не увеличивается. Это зафиксировано спутниковыми данными, то есть не удается объяснить повышение температуры в последние десятилетия за счет дополнительного нагрева Солнцем. Остается второй вариант: с поверхности Земли уходит меньше тепла.

Это может происходить по нескольким причинам. Во-первых, за счет увеличения выбросов парниковых газов, таких как углекислый газ и метан. Эти газы поглощают инфракрасное излучение определенной частоты – тепло, которое иначе ушло бы в космическое пространство (см. главу 6). Затем происходит переизлучение части этой энергии обратно на поверхность Земли и нижние слои атмосферы. Уровень парниковых газов повышается, верхние слои атмосферы охлаждаются, и в космос уходит меньше тепла – планета нагревается.

Уровень углекислого газа в атмосфере вырос с 0,0280 % с того момента, когда в XIX веке началась промышленная эпоха, до 0,0408 % в 2017 году. Спутниковые измерения показывают, что планету покидает все меньше инфракрасного излучения на тех частотах, которые поглощаются углекислым и другими парниковыми газами. Все больше этого инфракрасного излучения остается на поверхности Земли.

События, происходившие с климатом Земли в историческом прошлом, также доказывают, что планета нагревалась всякий раз, когда повышался уровень углекислого газа. На климат нашей планеты влияют многие факторы, но все-таки основной причиной последнего потепления является повышение уровня углекислого газа, и этому есть неопровержимые свидетельства.

Другие загрязняющие вещества охлаждают планету

Какие только вещества не попадают в атмосферу нашими усилиями. Веселящий газ и хлорфторуглероды нагревают планету, как и углекислый газ. Черный углерод (сажа) в целом поглощает тепло, но охлаждает поверхность Земли, затеняя ее. И другие загрязняющие вещества отражают солнечное тепло обратно в космос и таким образом работают на охлаждение.

Каждый раз после крупных извержений вулканов, которые интенсивно выбрасывают сернистый газ высоко в атмосферу – как, например, филиппинский вулкан Пинатубо в 1991 году, – планета немного остывает на протяжении одного года или двух лет. Но в отличие от углекислого газа, влияние сернистого кратковременно, потому что в воздухе он образует аэрозоль из крошечных капелек, которые вскоре выпадают в виде дождя.

Сжигание ископаемого топлива, содержащего серу, приводит к значительному увеличению количества сернистого газа в атмосфере. Примерно за 30 лет, в 1940–1970-е годы, уровень загрязнения стал настолько высоким, что оно частично компенсировало согревающий эффект углекислого газа. Но потом западные страны стали сокращать выброс серы в атмосферу в рамках борьбы с кислотными дождями – и нагрев углекислым газом вновь увеличился.

С 2000 года выбросы сернистого газа снова начали расти, прежде всего из-за интенсивного строительства угольных электростанций в Китае. Сейчас Китай наводит у себя порядок, но в других развивающихся странах выбросы сернистых соединений увеличиваются.

Температура планеты увеличивается

Если бы на планете не было жизни и воды, при удвоении содержания углекислого газа в ее атмосфере средняя планетарная температура повысилась бы на 1,2 °C. На Земле дела обстоят не так просто, даже если не учитывать различные аэрозоли, которые усложняют дело.

Возьмем, к примеру, воду. Водяной пар также является мощным парниковым газом и скапливается в большом количестве в атмосфере при ее нагревании. Таким образом, если на планете есть вода, парниковый эффект усиливается за счет не только углекислого газа, но и водяного пара.

Это не единственный эффект положительной обратной связи. Потепление приводит к быстрому таянию снежного покрова и морского льда, которые способствуют отражению солнечного света в космическое пространство. Поверхность Земли поглощает больше тепла, а это еще больше усиливает потепление. С течением времени и с изменением климата начинает меняться растительность, что также влияет на поглощение тепла. Могут растаять обширные ледяные покровы, то есть отражательная способность планеты будет и далее уменьшаться. Если не случится никакой катастрофы типа извержения мегавулкана, планета неминуемо будет сильно нагреваться. Насколько в результате может повыситься ее температура?

Получить представление о том, каким образом сложные обратные связи способны повлиять на климат Земли, помогают компьютерные модели. Можно воспользоваться и другим методом, а именно изучить, как изменение содержания углекислого газа влияло на климат нашей планеты в прошлом. У обоих методов есть свои ограничения. В частности, мы не можем досконально знать, каким был климат в прошлом; с другой стороны, в настоящее время уровень углекислого газа растет рекордными темпами.

На основании компьютерных моделей и изучения климата в прошлом можно выработать критерий его чувствительности к изменениям тех или иных параметров. Чувствительность климата принято выражать в градусах Цельсия. Данные о климате недавнего прошлого показывают, что при удвоении содержания углекислого газа температура планеты должна повышаться примерно на 3 °C. Однако исследования далекого прошлого планеты указывают на чувствительность климата порядка 6 °C или даже больше. Одна из причин такого несоответствия заключается в том, что климатические модели учитывают только быстрые обратные связи, такие как изменение облачного покрова. В этих моделях не учитываются обратные связи, эффект которых проявляется через продолжительные промежутки времени – например, изменение глобального ледяного покрова.

Таким образом, модели могут дать нам неплохое представление о потеплении в течение ближайших десятилетий, но при этом эффекты, которые скажутся на более длительных временных масштабах, не будут до конца учтены. Есть основания полагать, что при сохранении темпов нашего промышленного производства глобальная температура на планете повысится на 5 °C к концу XXI века. При значительном сокращении выбросов парниковых газов можно добиться того, что потепление будет не больше 3 °C. Если судить по состоянию на 2017 год, реальная цифра находится где-то посередине.

Уровень моря сильно поднимется

Потепление неизбежно вызовет наступление морей и океанов на сушу. Интенсивное таяние льда или его сползание с суши в море тоже приведет к повышению уровня моря. Если бы, к примеру, растаял весь лед в Гренландии и Антарктиде, уровень морской воды поднялся бы более чем на 60 метров.

Сейчас мы находимся в переходном периоде между ледниковой эпохой и фазой потепления. Если сравнить наш современный климат с тем, который был в межледниковые периоды в последние полмиллиона лет, мы увидим, что температура тогда была ненамного выше, чем сейчас (в пределах 1 °C). При этом уровень моря был на 5 метров выше сегодняшнего. Около 3 миллионов лет назад, когда температура была всего на 1–2 °C выше, чем в прединдустриальную эпоху, уровень моря был как минимум на 25 метров выше, чем в настоящее время.

Рис. 10.1. Глобальное потепление приведет к наступлению моря на сушу и к таянию ледников. Люди, живущие в низколежащих прибрежных районах, столкнутся в ближайшие сто лет с серьезными испытаниями.

Таким образом, даже относительно небольшое повышение температуры может в итоге привести к огромному поднятию уровня моря. Встает чрезвычайно важный вопрос: через какой промежуток это может произойти? До недавнего времени считалось, что какое-либо значительное таяние больших ледяных щитов Гренландии и Антарктиды может начаться только через много веков. Но наблюдения показывают, что льды реагируют на потепление намного быстрее, чем мы ожидали. Компьютерные модели, рассчитанные с учетом изменений ледяного покрова, также предсказывают быструю убыль льда. В 2017 году было проведено исследование на основе этих выводов, из которого следует, что к 2100 году уровень моря может подняться на целых 3 метра.

Если не наступит очередной ледниковый период, таяние ледяных покровов может привести к необратимому результату. Это очень тревожный вывод. Пятиметровый подъем уровня воды может показаться нам игрушкой по сравнению с тем, что произойдет, если вода поднимется на 20 метров. Но это вполне реальная угроза.

Почему погода взбесилась

Повышение уровня моря затронет миллионы людей, которые живут на низменных морских побережьях и в прибрежных городах. Те же, кто живет вдали от моря, тоже почувствуют на себе изменения климата. Для них погода будет резко меняться, и мы уже сейчас начинаем замечать экстремальные трансформации, происходящие с ней.

В памяти многих европейцев запечатлелся период аномальной жары 2003 года, унесший жизни 70 000 человек. В 2010 году Россия пережила еще более сильную волну тепла, которая стала причиной 56 000 смертей. В 2012 году в США наступило «лето» в марте – в центре северных штатов был зафиксирован всплеск температуры. В местечке Пеллстон (штат Мичиган) температура поднялась до 29 °C; предыдущий рекорд для этого времени года был побит превышением на 17 градусов. Гиперактивный сезон ураганов 2017 года нанес наибольший вред за всю историю наблюдений.

Климатологи задолго до этого предупреждали, что глобальное потепление приведет к нарастанию аномальной жары, увеличению количества засух и наводнений. Тем не менее такие экстремальные явления, как наступление лета в марте, выходят далеко за рамки моделей, предсказывающих поведение климата. Но экстремальной жарой дело не ограничилось, случались и резкие похолодания. Когда в феврале 2012 года в Европу пришли аномально сильные морозы, в Риме от холода рухнули некоторые старинные памятники. Улицы Триполи в Ливии, на северной окраине пустыни Сахара, были засыпаны снегом. Аномальные холода поразили Восточную Азию в январе 2016 года: в Японии, на острове Окинава, впервые за всю историю наблюдался дождь со снегом, а на Тайване от переохлаждения и сердечных приступов умерло 85 человек.

Согласно исследованиям, из-за человеческой деятельности наша погода становится все более неистовой – люди чаще страдают от изнуряющей жары и от резких изменений погоды. Что это – всего лишь временное явление или нас ждет еще более непредсказуемая погода по мере усиления глобального потепления?

Даже если климат в целом меняется не столь значительно, отдельные погодные явления сменяют друг друга очень резко. Одно лето не похоже на другое. Если вы возьмете среднюю летнюю температуру за каждый год, то у вас получится ряд чисел, разбросанных вокруг среднего значения, вычисленного по показаниям за много лет. Картина будет похожа на колоколообразную кривую – график нормального распределения. В течение длительного промежутка времени будут и очень жаркие летние периоды и такие, которые заставят вас недовольно брюзжать от холода.

За последнее столетие поверхность планеты стала теплее в среднем на 0,8 °C и привычный диапазон температур сместился в более горячую область. Повышается вероятность того, что летние месяцы будут теплыми, а не холодными. Можно было бы подумать, что более вероятным становится небольшой летний сдвиг по температуре, и каждое новое лето будет слегка теплее предыдущего; но это не так. При таком сдвиге температуры наиболее вероятными являются периоды аномальной летней жары (см. рис. 10.2).

Рис. 10.2. Погода настолько изменится, что нам следует ожидать наступления периодов сильной жары, сменяющихся чрезвычайными холодами.

Сильные ливни

Повышение температуры приводит к экстремальным погодным явлениям. Способность воздуха удерживать влагу с повышением температуры возрастает по экспоненте. Любой дождь может закончиться потопом, вероятность катастрофических наводнений резко увеличивается.

Но наводнениями дело не ограничивается. При конденсации водяного пара с образованием облаков происходит освобождение скрытого тепла, которое может стать причиной различных штормов, гроз и ураганов (см. главу 6).

В 2014 году межправительственная группа экспертов ООН по изменению климата пришла к выводу, что увеличение количества сильных осадков связано с антропогенным фактором. Из теоретических соображений следует, что штормы будут становиться все сильнее, так как они будут подпитываться увеличивающейся энергией тепла. Как мы видели, в 2017 году ураган нанес значительный ущерб на островах в Карибском море. И чем больше скорость ветра, тем значительнее этот ущерб.

За рамками предсказаний

Из простых физических соображений следует, что вследствие глобального потепления экстремальные погодные условия должны стать еще более экстремальными, штормы и ураганы более сокрушительными, периоды сильной жары более изнурительными, засухи более безводными и продолжительными, а ливни более слякотными. Именно это и происходит сейчас. Более того, за последние годы некоторые погодные явления побили все рекорды своими невероятными масштабами.

Летом 2003 года в Европе установилась температура, которая стала самой высокой за последние 500 лет. Штефан Рамшторф из Потсдамского института изучения климатических изменений (Германия) сообщил, что средняя летняя температура в Швейцарии побила предыдущий рекорд на 2,4 °C. В том, что в какой-то конкретный день температура сильно отличалась от среднего значения, не было бы ничего удивительного, но чтобы средняя температура по всему сезону была настолько выше – это экстраординарное явление. Не менее удивительной оказалась лютая жара, установившаяся летом 2010 года в России.

Нет никаких сомнений в том, что положение будет только усугубляться. Особенно беспокоит то, что рост экстремальных явлений нельзя объяснить только наблюдаемым потеплением. Периоды аномально жаркой погоды, подобные летним месяцам 2003 и 2010 годов, ожидались только к концу столетия, когда глобальное потепление будет вовсю шагать по планете. Одно или два необычных события можно списать на простой случай, но таких явлений в последние годы было подозрительно много.

Джеймс Хансен, профессор факультета экологии и изучения Земли Колумбийского университета (штат Нью-Йорк, США), возглавляющий программу по климатологии, проанализировал данные о локальных температурах по всему миру. Он суммировал значения за июнь, июль и август, чтобы получить общую температуру за этот период. Результаты показали, что, по сравнению с периодом с 1951 по 1980 год, экстремально высокие температуры с каждым годом затрагивают все более обширные территории планеты.

По большому счету это именно то, что ожидается при потеплении. Однако анализ Хансена показывает, что дело не только в общем тренде роста температур. Климат становится не только теплее, но и менее устойчивым. С 1951 по 1980 год средний разброс локальных летних температур по всему земному шару составлял 0,55 °C; в период с 1981 по 2010 год этот разброс увеличился до 0,58 °C. В некоторых местах с резко континентальным климатом, особенно в изолированных от стабилизирующего эффекта Мирового океана, климат еще более неустойчивый, а температуры поднимаются выше средних. Мы с тревогой глядим в будущее – у нас уже гораздо больше поводов для беспокойства, чем при простом повышении средней температуры на планете.

Замедление высокоскоростных воздушных потоков

Ненормальная погода, которую мы наблюдаем, связана не только с повышением температуры. Не нужно быть климатологом, чтобы понять: если в Триполи падает снег, вряд ли это связано с аномально жаркой погодой. Тем не менее некоторые исследователи считают, что они нашли виновника – ленивые воздушные потоки.

Воздушные потоки – это извилистые высокоскоростные ветры, дующие в атмосфере на высоте от 7 до 12 километров (см. главу 6). Самыми сильными являются два полярных воздушных потока, в северном и в южном полушарии, появление которых вызвано разницей температур между теплыми тропиками и холодными полюсами. В тропиках атмосфера как будто раздувается под действием высоких температур. Как образно выразилась Дженнифер Фрэнсис из Рутгерского университета в Нью-Джерси (США), над тропиками вырос холм, наклоненный к полюсам.

Часть воздуха из тропиков притягивается к полюсам под действием гравитации. А из-за вращения Земли воздух по пути отклоняется в сторону. Это и заставляет полярные воздушные потоки сдвигаться с запада на восток.

Рис. 10.3. Положение полярного воздушного потока определяет погоду в средних широтах северного полушария.

Положение воздушных потоков не является фиксированным. Потоки перемещаются, сдвигаются на юг или на север, а также образуют большие извилины наподобие волн. Сейчас наступил момент, когда человечество начало активно вмешиваться в эту жизненно важную составляющую нашей атмосферы. Арктические области нагреваются намного быстрее, чем остальные части планеты. Объясняется это тем, что снежные и ледяные покровы, которые раньше хорошо отражали солнечный свет, в настоящее время тают. При этом обнажаются темные участки суши и моря, поглощающие солнечный свет. Поэтому разница температур между тропиками и Арктикой уменьшается. Летом в Арктике морские воды, свободные ото льда, поглощают больше тепла, из-за чего «атмосферный холм» над тропиками стал более пологим. С таким заявлением выступила в 2009 году Дженнифер Фрэнсис. В результате этого ослабевает действие механизма, приводящего в движение полярный воздушный поток.

По мере того как воздушный поток замедляется, он начинает двигаться по все более запутанному пути, и скорость течения воздуха по извилинам этого лабиринта уменьшается. Это сильно влияет на метеоусловия, потому что воздушные потоки тесно взаимосвязаны с формированием погоды по всему земному шару. Когда поток замедляется или вовсе останавливается, блокируя перемещение воздушных масс, которые остаются на одном месте в течение нескольких недель, погода с большой вероятностью становится экстремальной.

Воздушный поток может пригнать к вам несколько областей низкого давления одну за другой, и тогда вы промокнете до нитки. Так произошло в 2012 году в Великобритании, где случились широкомасштабные наводнения в апреле, когда выпало самое большое количество осадков за последние 100 лет. Целые куски земной суши могут оказаться под обширными стоячими «языками» горячего и сухого воздуха, протянувшимися летом к северу из тропиков, или же под пластами ледяного воздуха, нацеленными зимой на юг из арктических областей.

Пара жарких или холодных, влажных или сухих дней не имеет большого значения для большинства людей. Но пара недель может сильно повлиять на здоровье. Процессы блокировки воздушных масс сыграли большую роль в формировании большинства экстремальных погодных явлений в северном полушарии в последние годы. К ним относятся, например, суровые морозы зимой, аномальная жара в Европе в 2003 году и наступление «лета» в США в марте 2012 года.

Другие исследователи также выступили с подтверждением, что воздушный поток замедляется. Они считают, что это приводит к более частой блокировке воздушных масс. Фрэнсис обнаружила еще один эффект потепления Арктики: из-за того, что северные области нагреваются сильнее, чем южные, северные пики гребней высокого давления вытягиваются дальше на север. Воздушный поток становится более извилистым, а погода – более экстремальной. Теплый воздух распространяется дальше на север, а холодный воздух – дальше на юг, достигая даже Рима и Триполи.

Запуск новых механизмов

Вполне возможно, что существуют и другие механизмы, пока не установленные, которые влияют на характер нашей погоды. Или такие механизмы могут появиться по мере усиления глобального потепления. Например, связь океана с атмосферой проявляется в квазипериодическом явлении, называемом Эль-Ниньо (исп. El Niño), или Южной осцилляцией. Теплая вода перекатывается туда-сюда по поверхности Тихого океана, отчасти в ответ на изменение направления пассатов.

Явление Эль-Ниньо, представляющее собой часть этой осцилляции, возникает, когда теплая вода Тихого океана распространяется на восток. Теплый поток согревает обширные территории земного шара и приводит к эффекту домино. Из-за Эль-Ниньо в период с 2014 по 2016 год произошли сильные засухи в Эфиопии и Сомали и установился чрезвычайно засушливый сезон на юге Африки, нанесший большой вред сельскому хозяйству. Такого там не было 35 лет. Вьетнам, Индонезия и многие острова в Тихом океане также вынуждены были бороться с засухой, вызванной Эль-Ниньо. По данным ООН, это событие спровоцировало голод и страдания 60 миллионов человек.

Будет ли ситуация становиться еще хуже с дальнейшим повышением температуры? Что, если Южная осцилляция и другие климатические колебания будут нарастать по мере глобального потепления мира? Штефан Рамшторф считает, что пока мы не можем сказать ни «да», ни «нет». Хотя, продолжает он, поскольку мы меняем энергетический баланс всей климатической системы, было бы удивительно, если бы эти широкомасштабные явления также не видоизменились.

Великая тайна облаков

Как мы уже видели в главе 6, облака полны загадок и представляют большую трудность для тех, кто пытается проникнуть в их суть. Климатологи также встречаются с большими проблемами при их изучении. Основная функция облаков – выступать в роли глобального теплового экрана, отражающего солнечный свет, который иначе поджарил бы Землю и уничтожил жизнь на планете. Что произойдет с этим тепловым экраном, когда на планете станет теплее?

Облачный покров может немного увеличиться. Тогда он будет отражать больше света и замедлять потепление. Или же он может стать слабее, а это значит, что планета будет нагреваться еще быстрее. Принципиально важно знать, в какую сторону качнется маятник; температура на Земле в следующем столетии может повыситься на 3 °C – и это будет очень плохо, но, вероятно, не смертельно – либо на 6 °C, что обернется для нас катастрофой.

Облака удерживают тепло, излучаемое поверхностью Земли в виде длинноволнового инфракрасного излучения. Вот почему температура по сравнению с дневным периодом в пасмурные ночи падает не так сильно, как в ясные ночи. Но облака также отражают часть солнечного излучения обратно в космическое пространство – это менее очевидно, но верхние части облаков действуют как излучатели, испускающие инфракрасные лучи в космос. Таким образом, облако – это и зонтик, и одеяло, и радиаторная пластина охлаждения «в одном лице» (см. рис. 10.5).

Рис. 10.4. Облака играют важную роль в поддержании на Земле прохладного климата. Какова будет их реакция на повышение глобальной температуры – очень важный вопрос.

Общий эффект, который дают облака, зависит от их типа и от того, на какой высоте они находятся. Низкая облачность охлаждает планету: хотя такие облака задерживают некоторое количество тепла, они также много отражают, а их довольно теплые верхние части излучают много тепла в космос. Высокие облака вносят вклад в обогрев планеты, потому что их верхушки холоднее, и они излучают в космос гораздо меньше; отражение от них часто тоже небольшое.

В целом низкая облачность на Земле более распространена, чем высокая, поэтому суммарный эффект облаков – охлаждение планеты. На самом деле, если сорвать весь облачный покров, это может привести к неконтролируемому парниковому эффекту, который в конечном счете испарит всю воду в океанах. По крайней мере, так считает Колин Голдблатт из Университета Виктории в Британской Колумбии (Канада) на основании проделанных им расчетов.

Рис. 10.5. От высоты образования облаков в атмосфере зависит, что они в итоге будут делать – охлаждать планету или нагревать.

Будем надеяться, что этого не произойдет, но пока еще трудно определить все последствия глобального потепления. Может показаться, что лучший способ выяснить это – изучить, как менялся характер поведения облачного покрова за последнее столетие по мере нагревания планеты. Но оказывается, это очень сложно сделать.

Наблюдения облаков отрывочны, процедуры наблюдений полны недостатков. Метеостанции на суше не способны охватить всю картину облачного покрова над океанами. Данные, полученные во время наблюдений с кораблей, неоднозначны и субъективны. Самолеты редко снабжаются соответствующими приборами. Некоторую информацию можно получить с помощью метеорологических спутников, но их дрейф и движение по снижающимся орбитам умаляют ценность полученной информации. А специализированные спутники для изучения климата в рамках проекта Системы наблюдений Земли под эгидой НАСА наблюдают за облаками всего около десяти лет – этого явно недостаточно, чтобы уловить долгосрочные тенденции.

Даже если бы мы обладали хорошей сводкой о поведении облаков в глобальном масштабе, вряд ли она стала бы надежным подспорьем в предсказаниях будущего потепления на планете. При резком повышении температуры до некоторого критического значения могут произойти большие изменения в характере и поведении облачного покрова.

Природа непрозрачности облаков

Если бы мы досконально изучили природу облаков, мы могли бы предсказать будущее их поведение в климатической модели. Но рассчитать, как они будут себя вести, совсем не просто. Внутренняя структура облака определяется турбулентными потоками воздуха в масштабе от нескольких километров до нескольких метров. Для глобальных климатических моделей, в которых вся атмосфера разрезается на кубы шириной 100 километров, это чрезвычайно малые размеры. Существуют специальные мелкомасштабные модели, в которых учитываются водовороты до 100 метров в поперечнике, но их не удается вписать в большие климатические системы.

Столкновения капелек воды и кристаллов льда, их слипание, конденсация и испарение происходят на еще более мелких масштабах внутри облаков. Далеко не все физические процессы, происходящие на этих мельчайших масштабах, изучены. Если дать изображение облака еще более крупным планом, мы увидим, что образование облака сопровождается тонким аэрозольным туманом, вокруг которого происходит конденсация или замерзание воды (см. главу 6). Чем больше частиц в облаке, тем белее будет облако и тем дольше оно проживет, обеспечивая хорошую защиту в качестве «зонтика».

Модели не могут уловить все эти нюансы, поэтому приходится прибегать к приближениям. В частности, помогают эмпирические зависимости, выводимые из наблюдений – например, соотношение между облачностью и, скажем, влажностью или температурой. Эти зависимости можно включать в модели. Но, как мы уже видели, наблюдения разнородны и не совершенны, поэтому мы не можем построить универсальную зависимость между всеми свойствами атмосферы и количеством и типом облаков.

Поэтому климатологи, пытающиеся моделировать атмосферу, поставлены в затруднительное положение. Допустим, облачный покров хорошо коррелирует с разницей температур, измеренных на уровне земли и на высоте 3 километра. Но он так же хорошо коррелирует и с другими показателями, например с температурой и влажностью. К сожалению, модели дают совершенно разные прогнозы поведения атмосферы Земли во время потепления в зависимости от того, какой вариант выбран.

Несмотря на все эти трудности, с некоторыми типами облаков удалось достичь ясности. Как наблюдатели, так и теоретики-«модельеры», сходятся во мнении, что высокие облака будут выталкиваться в среднем еще выше при повышении температуры. Их «макушки» станут еще холоднее, поэтому их эффективность как излучателей тепла понизится. Между тем пути циклонов, вероятно, сместятся к полюсам, где облака меньше отражают солнечное излучение. Оба эти фактора будут усиливать потепление.

Охлаждающий покров над тропиками

Основная часть глобального защитного теплового экрана сосредоточена в тропиках и субтропиках, где над океаном, как правило, простираются обширные покровы низких слоисто-кучевых облаков. Ученые обнаружили, что эти облака оказывают постоянное и мощное охлаждающее влияние на наш климат. Но и здесь различные модели конфликтуют друг с другом. Некоторые предсказывают почти полное отсутствие изменений в этих низких облаках при повышении температуры, другие утверждают, что эти облака пойдут на убыль, что усилит глобальное потепление.

В последнее время началось более тщательное исследование физических механизмов, влияющих на воздушные массы над тропическими волнами. Некоторые результаты выглядят вполне оптимистично: существуют «отрицательные обратные связи», которые замедляют потепление по мере повышения температуры. Например, там, где теплый сухой воздух, участвующий в глобальной циркуляции воздушных потоков, спускается в тропиках к океанам, он может удерживать в своеобразной ловушке слои низких, охлаждающих, слоисто-кучевых облаков. Температурная инверсия – теплый воздух сверху, более холодный снизу – приводит к тому, что облака не могут подняться и пролиться дождем. При этом, по мере повышения глобальной температуры, теплые нисходящие потоки должны становиться теплее, усиливая эффект инверсии, что будет способствовать увеличению облачного покрова.

По крайней мере, такой сценарий следует из наблюдений и моделирования на небольших масштабах, согласно работе Питера Колдуэлла и его коллег из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (штат Калифорния, США). Тем не менее это только один из механизмов, и окончательного согласия по поводу того, будет ли количество слоисто-кучевых облаков увеличиваться или сокращаться при потеплении, пока нет.

Дело в следующем: исследователи поняли, что здесь могут действовать несколько механизмов с положительной обратной связью. Во-первых, слоисто-кучевым облакам может недоставать влаги. Низкие облака получают влагу окольным путем: по мере того, как тепло излучается из верхних слоев облаков, отдельные партии воздуха охлаждаются и опускаются вниз. Теплый влажный воздух, скопившийся на уровне моря, выталкивается наверх и формирует дополнительный облачный покров по мере охлаждения и конденсации. В 2009 году ученые из двух исследовательских групп, работающих под руководством Колдуэлла и Бьорна Стивенса из Института метеорологии Макса Планка в Гамбурге (Германия), сообщили, что повышение температуры снизит потери тепла из верхних слоев облаков. Это будет означать, что процессы охлаждения замедлятся, меньше воздушных масс будет спускаться вниз, количество поднимающейся влаги тоже уменьшится, и в среднем будет меньше охлаждающего облачного покрова.

И это не единственный возможный механизм положительной обратной связи. Даже там, где температурная инверсия «расставляет сети» облакам, влажный прохладный воздух внизу и сухой теплый воздух наверху немного перемешиваются. В одном сценарии, предложенном в 2012 году, говорится о том, что потепление может вызвать более сильное перемешивание, что приведет к рассеиванию влаги. Результатом станет уменьшение облачности и усиление потепления.

Даже если перемешивание не станет более сильным, все равно будет больше потери влаги, которую будет оттягивать сухой воздух наверху. Более теплый воздух может удерживать гораздо больше водяного пара, поэтому при наступающем потеплении воздушный поток будет уносить с собой больше влаги.

Чтобы выяснить, насколько велик эффект перемешивания, Стивен Шервуд с коллегами из Университета Нового Южного Уэльса в Сиднее (Австралия) изучили данные, полученные с метеозондов. Наблюдательные данные свидетельствовали об интенсивном перемешивании. В большинстве климатических моделей эффект перемешивания оказывался меньше. Различные модели предсказывают различные уровни чувствительности климата – параметра, который показывает, насколько повысится температура в результате увеличения содержания углекислого газа в атмосфере вдвое. Шервуд обнаружил, что модели с реалистичным перемешиванием предсказывают большую чувствительность климата. Если им верить, чувствительность климата на Земле в краткосрочной перспективе будет соответствовать значениям от 3 до 4,5 °C.

Но Джон Фасулло из Национального центра атмосферных исследований в Боулдере (штат Колорадо, США) не считает эти результаты вполне достоверными. Данные наблюдений за эффектом перемешивания являются неоднородными, основанными на отрывочных полетах метеозондов. Поэтому теория требует дополнительного подтверждения, что не так просто сделать. Фасулло предпочитает сопоставлять облачность непосредственно с влажностью, а влажность – это такой параметр, который можно измерять во всем мире с помощью спутников. Результаты, полученные Фасулло в 2012 году, свидетельствуют, что реальная влажность в субтропиках часто меньше, чем та, что задается в моделях. Это не утешительный вывод, потому что модели с более низкой влажностью (близкой к реальности), как правило, предсказывают большее потепление.

Итак, ученым удалось пролить некоторый свет на таинственную природу облаков, но это скорее тускло-серый полумрак, в котором едва угадываются контуры истины, к которой на ощупь подбираются наиболее надежные модели. По мере увеличения мощности компьютеров мы сможем создавать все более и более детальные модели. Но идеальную картину с помощью моделирования построить не удастся. Пройдет по крайней мере несколько десятилетий, прежде чем глобальные модели начнут учитывать происходящие в облаках процессы малого масштаба. А до тех пор мы поневоле должны довольствоваться приближенной картиной мелкомасштабных явлений при построении моделей.

Может ли геоинженерия предотвратить климатический хаос?

Изменение климата надвигается на нас, с тающими льдами, бешеными ураганами, сильными наводнениями и аномально жаркой погодой. Продолжают расти повсеместные выбросы углекислого газа и других парниковых газов в атмосферу, приближая наихудший сценарий. И даже если завтра мы внезапно прекратим все выбросы, эти загрязнения долго еще будут отравлять атмосферу своим присутствием, и их последствия будут чувствоваться несколько десятилетий, создавая повышенную температуру.

Пожалуй, пора вспомнить о смелой идее, которую предлагает осуществить геоинженерия. Ученые-геоинженеры надеются, что можно осторожно воздействовать на механизмы, формирующие климат на нашей планете, с тем, чтобы постараться исправить допущенную нами гигантскую оплошность. Или, по крайней мере, попытаться избежать наиболее опасных последствий; а может, просто выиграть время, в течение которого нужно будет постепенно снижать выбросы.

Десятки планов уже разработаны по поводу того, как охладить планету. Можно запустить флотилию кораблей, которые будут распылять солевой туман для осветления облаков; или распылить серную кислоту в стратосфере для отражения солнечного света. Создать отражающий экран из множества зеркал в ближайшей окрестности космоса. Вывести светлые в буквальном смысле сельскохозяйственные культуры, отражающие свет. Удобрять океаны. Покрыть пустыни мира блестящим материалом под названием «майлар». Распылять в атмосфере бактерии, вызывающие формирование облаков. Выпускать по всему миру мельчайшие воздушные шарики.

Гениально придумано, не правда ли? Но будут ли эти схемы работать? Или ситуация в результате только усугубится? Не пускаясь самонадеянно в большую авантюру, имеет смысл сначала внимательно изучить каждую идею с помощью детальных расчетов и компьютерного моделирования. Накопив солидный багаж расчетов, мы поймем, что сможет или чего не сможет добиться геоинженерия.

Некоторые идеи можно отбросить сразу же. Покрыть пустыни светоотражающим пластиком, чтобы отражать солнечный свет и охлаждать планету – это безумная затея. Ее осуществление разрушило бы экосистемы, привело бы к изменению местных климатических особенностей и потребовало бы целой армии уборщиков. Другие сценарии сегодня нам не под силу. Чтобы затенить Землю роем космических зонтиков, потребуется запустить около 20 миллионов ракет. Без прорыва в новые технологии это было бы астрономически дорого и смертельно загрязнило бы окружающую среду. Конечно, возможны и другие схемы, но могут ли они исправить климат?

Основная проблема заключается в том, что повышение уровня парниковых газов удерживает тепло в атмосфере. В текущем столетии, вероятно, мы уже подойдем к тому порогу, когда концентрация углекислого газа в атмосфере удвоится по сравнению с допромышленной эрой. Это снизит количество тепла, излучаемое планетой, в среднем на 3,7 ватта на квадратный метр. Чтобы остановить потепление Земли, геоинженерная схема должна либо блокировать на столько же поступающее от Солнца тепло, либо на столько же увеличивать потери тепла из верхних слоев атмосферы.

Но есть и другие требования к нашему глобальному «холодильнику» (см. рис. 10.6). Он должен работать, не меняя кардинально местный климат в каждом регионе, и не допускать повышения уровня моря. В идеале нужно сделать так, чтобы не повышалась кислотность мирового океана – чтобы сохранить коралловые рифы.

Но самый главный вопрос – эффективность. Тим Лентон из Эксетерского университета и Нем Воган из Университета Восточной Англии в Норидже (Великобритания) сопоставили результаты различных моделей со своими расчетами и оценили более двух десятков различных предложений с точки зрения их потенциальной охлаждающей способности. Они поняли, что эффективность многих схем почти нулевая. Возьмем идею о том, что стоит сделать крыши и дороги белее, чтобы они отражали больше солнечного света. При самых оптимистических предположениях, такие светлые покрытия смогут отражать только около 0,15 ватта на квадратный метр; в лучшем случае это даст незначительный вклад в восстановление теплового баланса Земли.

Рис. 10.6. Охладить планету – чрезвычайно важная задача. Но любая геоинженерная схема, нацеленная на предотвращение катастрофы, должна отвечать ряду требований.

Что значит – удобрять океаны? Фитопланктон поглощает углекислый газ в процессе роста, а их омертвевшие тельца обычно опускаются на морское дно и зарываются в грунт, блокируя там углерод. Добавление в морскую воду дефицитных питательных веществ, таких как железо, может ускорить рост фитопланктона. Лентон и Воган подсчитали, что к концу века такая стратегия могла бы улучшить тепловой баланс на 0,2 ватта на квадратный метр. Но и это мало что меняет.

Многие другие проекты, такие как стимуляция нисходящих потоков в полярных областях для ускорения переноса углерода в глубины океана, обладают еще бо́льшим числом недостатков. Но есть две схемы, которые отличаются высокой эффективностью и которые относительно легко осуществить. Оба проекта основаны на эффекте экранирования солнечного света.

Затемнить глобальное потепление

Один из проектов предлагает осветлить морские облака, особенно низкие, плоские, слоистые облака, которые нависают над большей частью океанов в тропических зонах. Для этого нужно, чтобы корабли во многих точках земного шара опрыскивали атмосферу брызгами с солью мелкого помола. Крупинки соли станут центрами нуклеации, вокруг которых будут собираться капельки воды, образуя облака. Можно добиться того, что на кубический метр облака будет приходиться больше капель, тогда эти облака будут белее обычных и отражать больше солнечного света. В принципе такая процедура могла бы скомпенсировать потепление, вызванное удвоением содержания углекислого газа.

Такое отбеливание облаков хорошо тем, что при нем не используются опасные химикаты. Но механизм нуклеации в облаках полностью еще не изучен (см. главу 6), поэтому этот план может не оправдать ожиданий. С другой стороны, охлаждение одних только океанов может нарушить климат в отдельных регионах. В 2012 году было проведено исследование, которое показало, что при интенсивном «сеянии» облаков над Тихим океаном может полностью измениться картина выпадения осадков. В качестве примера приводится аналогия с явлением Эль-Ниньо и обратным по отношению к нему феноменом Ла-Нинья.

Еще один план по борьбе с потеплением имеет довольно давнюю историю. Он предлагает насыщать атмосферу скопищем мелких частиц. По сути, мы это уже делаем. Загрязнение атмосферы сернистым газом приводит к образованию мелких капель серной кислоты, отражающий эффект которых достигает примерно 0,4 ватта на квадратный метр. Но сернистый газ, испускаемый заводами и фабриками, довольно быстро распадается в атмосфере. Таким образом, его эффект не продолжительный. Однако если соль серной кислоты достигает стратосферы, она может там сохраняться годами. Охлаждающий эффект в этом случае будет гораздо больше. Так произошло в 1991 году после извержения вулкана Пинатубо, после которого температура на Земле в среднем была понижена на 0,5° в течение следующей пары лет.

Чтобы сбалансировать эффект потепления от повышения концентрации углекислого газа в два раза, нам нужно будет закачивать в стратосферу до 5 миллионов тонн сернистого газа ежегодно. Группа исследователей под руководством Джастина МакКлеллана из корпорации Aurora Flight Sciences в Кембридже (штат Массачусетс, США) рассмотрела несколько способов доставки сульфатов в стратосферу. По оценкам, такая операция будет стоить около 10 миллиардов долларов в год. На фоне колоссальных издержек, связанных с будущим глобальным потеплением, можно считать это предприятие достаточно выигрышным. Одно лишь повышение уровня моря, которое угрожает городам на побережьях и сельскохозяйственным угодьям на огромных территориях, принесет убытки на многие триллионы долларов.

Темная сторона затемнения

К сожалению, серные брызги едва ли смогут замедлить наступление морей на сушу. К тому же, капли серы не будут эффективными хладагентами в полярных регионах, потому что они распадаются там быстрее, чем в тропиках. Таким образом, даже если впрыскивание в атмосферу аэрозолей снизит среднюю глобальную температуру на Земле до уровня 1800-х годов, полюса все равно останутся теплее, чем они были тогда, и ледяные щиты будут продолжать таять.

Можно поискать другие отражатели, такие как твердые металлические частицы или крошечные блестящие воздушные шарики. Не ясно, правда, окажутся ли они лучше. Закачивание газа намного проще и дешевле, поэтому большинство исследований рассматривают именно сульфаты.

В то время как прибрежные равнины и города окажутся под угрозой затопления, наостальной части планеты может наступить засуха. Любой солнцезащитный экран уменьшит попадание света на поверхность моря, и испарение воды уменьшится. До сих пор эффект загрязнения серой был сравнительно мал и не мог соперничать с потеплением, которое увеличивает испарение. Но если мы с помощью сернистых соединений снизим температуру до уровня прединдустриальной эпохи, то количество осадков резко сократится. Этого можно избежать, не снижая температуру так сильно – но тогда ледяной покров будет таять быстрее.

Из климатических моделей следует, что солнцезащитные экраны могут иметь катастрофические последствия в региональных масштабах. Если они сорвут сезон дождей, от голода могут пострадать миллиарды людей. Если же изменится схема циркуляции потоков, которые питают влагой бассейн Амазонки, тропические леса могут превратиться в пустыню.

Группа под руководством Майлса Аллена из Оксфордского университета (Великобритания) изучила влияние солнцезащитных экранов разной степени непрозрачности в стратосфере, используя подробную климатическую модель. Выяснилось, что единого решения, одинаково хорошо подходящего для всех, не существует. Если применить количество аэрозоля, которое приблизит Китай к комфортным значениям температуры и количества осадков, соответствующим доиндустриальному уровню, Индия чересчур охладится. Или наоборот.

Разные климатические модели довольно хорошо согласуются друг с другом по глобальным эффектам солнцезащитных систем, но дают разные результаты воздействия на климат в региональных масштабах. Возможно, это произошло из-за того, что в разных моделях используются разные предположения и исходные данные. Или из-за ограничений, заложенных в существующие климатические модели.

Даже если бы все модели были точными, некоторые факторы, влияющие на региональный климат, являются непредсказуемыми по своей природе. Например, как отреагируют экосистемы? Мы никогда не можем быть на 100 % уверены, что какая-то конкретная схема даст желаемый результат.

Любая защита от Солнца может оказаться очень опасной. Если последствия окажутся ужасными, и мы внезапно перестанем вбрасывать в атмосферу сульфаты или отбеливать облака, планета нагреется очень быстро буквально за несколько лет. Такой внезапный переход принесет даже больше вреда, чем постепенное потепление до того же уровня, потому что у людей и животных не будет времени адаптироваться к новым условиям. Если мы сделаем ставку на сульфаты, нам может понадобиться наряду с этим и другой геоинженерный проект, например засеивание перистых облаков для охлаждения полюсов, а это уже будет не одно, а два опасных для планеты лекарства.

Когда облако не должно быть перистым

Кому могут навредить высокие и легкие перистые облака, которые подчас украшают своим присутствием голубое небо в летнюю пору? Оказывается, от них исходит угроза, из-за чего Дэвид Митчелл строит планы по борьбе с ними. Разрушение перистых облаков может не только снизить глобальную температуру, но также помочь сохранить ледяные шапки и усмирить экстремальные погодные условия.

Перистые облака, содержащие кристаллики льда, отражают и излучают в космос гораздо меньше тепла, чем более низкие облака. Поэтому они работают на потепление климата. В 2009 году Митчелл из Института по исследованию пустынь в Рино (штат Невада, США) предложил распылять трийодид висмута с помощью самолетов. Это нетоксичное соединение можно использовать для засеивания крупных кристаллов льда. Они будут сыпаться с неба быстрее, чем удаляются естественные ледяные кристаллы из перистых облаков, поэтому облака будут рассеиваться.

Предварительные результаты моделирования показали, что этот процесс может охладить планету примерно на 2 ватта на квадратный метр. Это наполовину смягчит эффект потепления от двойного превышения концентрации углекислого газа.

Особенно хорошо, что этот метод будет приносить наиболее ощутимую пользу в высоких широтах, то есть там, где он больше всего необходим. Таким образом можно будет защитить от таяния хрупкие ледяные шапки. Это также поможет восстановить нужную разницу температур между тропиками и полюсами.

Митчелл предлагает подробно изучить влияние перистых облаков на результаты моделирования климата, причем не только в глобальном масштабе. Он хотел бы провести эксперимент по засеиванию облаков в сравнительно небольшой части атмосферы, чтобы увидеть, что при этом реально произойдет. Более того, метод рассеивания перистых облаков страдает теми же недостатками, что и солнцезащитные схемы: он также может иметь катастрофические региональные последствия, а резкий отказ от него будет опасен.

Не затенять, а почистить

Вместо того чтобы блокировать поступление солнечного света, возможно, нам следует обратить внимание на корень проблемы и заняться активной очисткой воздуха от углекислого газа. Затем этот газ в концентрированном виде можно закачивать в подземные резервуары – например, в истощенные газовые и нефтяные месторождения. К сожалению, эффективного метода удаления углекислого газа пока не существует. Проблема, по словам Лентона, заключается в том, что углекислый газ в атмосфере находится в очень разбавленном виде, и его улавливание дорого обходится по сравнению с очисткой из концентрированного источника, каким является, например, дым от электростанции.

Существующие на данный момент технологии не позволяют убрать весь лишний углекислый газ, выбрасываемый нами в атмосферу, – по крайней мере, не позволяют сделать это вовремя, чтобы предотвратить дальнейшее изменение климата. Может, вместо того, чтобы неудержимо плодить на Земле машины и производственное оборудование, работающие на углеводородах, заняться поиском того, как можно ускорить реакцию взаимодействия углекислого газа с силикатными породами? Этот процесс, в природе называемый химическим выветриванием, за миллионы лет поглотил огромное количество углекислого газа (см. главу 6). Но чтобы справиться с тем количеством газа, которое мы выбрасываем в атмосферу всего за один год, нам нужно измельчить не менее 7 кубических километров породы и распределить ее тонким слоем, чтобы это месиво покрыло несколько процентов поверхности Земли. Так что и этот процесс нас не спасет.

А что, если изменить условия землепользования и ведения сельского хозяйства таким образом, чтобы задействовать больше углекислого газа? Полезно даже просто сажать деревья, хотя с точки зрения географии места произрастания леса таковы, что тепловой баланс улучшится только на 0,5 ватта на квадратный метр. И потом, весь этот углекислый газ может вернуться в атмосферу, если леса погибнут или сгорят по мере потепления планеты.

Один из способов заблокировать углерод, содержащийся в растениях, – превратить его в древесный уголь, так называемый биоуголь, и закопать. Другой способ подразумевает сжигание сельскохозяйственных культур на электростанциях, оборудованных технологией улавливания углекислого газа. Для осуществления этих идей нужно отводить дополнительные земли, поэтому они будут конкурировать с производством продуктов питания. Лентон подсчитал, что таким образом можно улучшить тепловой баланс всего на 0,3 ватта на квадратный метр к 2050 году.

В конце концов, самым главным препятствием для любого кардинального проекта по геоинженерии может оказаться политика. Аллен отмечает, что с точки зрения масштабов всей планеты не должно быть конкурирующих геоинженерных программ. Чтобы принять одну программу, должен быть один наднациональный орган, принимающий решения. Достигнуть соглашения будет практически невозможно, потому что у разных стран разные приоритеты. Некоторым больше всего угрожает повышение уровня моря, другим – сильная жара или непостоянные осадки.

Куда это все нас приведет? Международное соглашение будет необходимо только для осуществления больших солнцезащитных схем, где человечество могут подстерегать глобальные опасности. Что касается использования биоугля или посадки лесов, например, отдельные лица, учреждения или страны могут действовать в одностороннем порядке. Но, как выяснил Лентон, этими методами не удастся справиться с поставленной задачей. В отчете Научно-консультативного Совета европейских академий за 2018 год указано, что разные схемы улавливания углекислого газа, включая удобрение океана, обладают весьма «ограниченной практической способностью» воздействовать в сколько-нибудь значительной мере на уровни парниковых газов. Рекомендация Совета заключается в том, что лучшая стратегия – не допускать попадания этих газов в атмосферу.

Заключение

Как закончить рассказ о планете Земля? Конечно, обсудить, как может закончиться земной путь нашей планеты. Если не произойдет какой-либо непредвиденной катастрофы, Земле суждено слиться со звездой, которая сделала ее пригодной для обитания жизни в течение нескольких миллиардов лет. Нашему Солнцу не суждено превратиться в сверхновую звезду, взрыв которой раскидает все планеты в космическом пространстве. Для этого наше светило просто недостаточно массивно. Но когда оно исчерпает свой запас водородного топлива через 6 миллиардов лет, оно сильно раздуется и поглотит ближайшие к нему планеты.

Солнце сегодня светит благодаря термоядерному синтезу – ядерным реакциям, в процессе которых водород превращается в гелий. В ядре Солнца, где идут реакции синтеза и генерируется энергия. Как только весь водород в ядре будет израсходован, термоядерный синтез примется сжигать водородную оболочку вокруг ядра. Светимость Солнца возрастет в несколько тысяч раз по сравнению с нынешней, его лучистая энергия преодолеет силы гравитации. Солнце расширится, и внутренние планеты станут его жертвой. Это будет величественное зрелище, но, скорее всего, некому будет его лицезреть – орбита Земли окажется внутри Солнца.

Однако есть шанс, что наш маленький голубой шарик может уцелеть. По мере того, как Солнце будет набухать, оно будет выбрасывать заряженные частицы и потеряет при этом до трети своей массы. Сила солнечного притяжения ослабнет, и планеты отойдут от Солнца на большее расстояние.

Так что это будет гонка на выживаемость – обогнать Солнце по мере его роста. Меркурий, а затем и Венера, почти наверняка проиграют. Эти планеты будут поглощены раздувшейся атмосферой Солнца. По словам Дмитрия Вераса из Уорикского университета (Великобритания), судьбу Земли трудно предсказать. Тем не менее Земле не удастся полностью избежать урона: сильные приливы от внешних слоев Солнца приведут к тому, что планета будет бурлить изнутри и начнутся мощные вулканические извержения.

К этому времени от жизни на Земле, вероятно, останется одно воспоминание, или она будет сильно отличаться от того, что мы понимаем под жизнью сейчас. На нашем пути нас поджидают по крайней мере два гибельных кризиса. Солнце постепенно будет нагреваться, и примерно через миллиард лет температурный баланс планеты нарушится, выветривание силикатных минералов с участием углекислого газа усилится, и в конце концов в атмосфере его останется недостаточно для поддержания фотосинтеза. Все растения погибнут, и вся остальная жизнь, основанная на пищевой цепочке, зависящей от растений, погибнет тоже (см. главу 8).

Но даже если мы уцелеем в этой катастрофе – а вероятность положительного исхода очень мала, – Земля начнет постепенно остывать, и через 3–4 миллиарда лет ее ядро полностью замерзнет. Механизм, приводящий в движение тектонику плит, остановится, и вулканы исчезнут. Какое-то время еще будут продолжаться землетрясения, поскольку кора остывает и уплотняется. Но условия жизни на Земле станут неблагоприятными. Поскольку не будет расплавленного ядра, токи в котором поддерживают магнитное поле Земли, планета подвергнется разрушительному действию солнечного ветра.

Стихийные бедствия такого рода невозможно предотвратить. Но прямо сейчас нам угрожает другая катастрофа – дело рук самого человека. Если мы не перестанем выбрасывать в атмосферу углекислый газ и другие парниковые газы или не найдем реальных способов удалять их из атмосферы, довольно скоро наступит глобальное потепление, которое будет представлять несомненную угрозу жизни, причем в пугающе больших масштабах (см. главу 10).

Это, конечно, очень мрачный вывод. Но не стоит терять надежду. Людской род изобретателен. А в эволюционном отношении мы странные создания: помогаем другим, даже совершенно незнакомым людям. Немногие другие виды способны на это. Сотрудничество на глобальном уровне позволило нам начать совместную работу по закрытию озоновой дыры над Антарктидой (см. главу 6). Будем надеяться, что правительства разных стран смогут договориться, повторить этот успех и существенно снизить уровни парниковых газов в атмосфере. Тогда мы добьемся процветания, которое, вполне возможно, продлится и миллиард лет, а к тому времени мы вполне будем способны создать колонию на новой планете – Земле-2.

50 интересных фактов

В этом разделе перечисляются места, события и явления, которые помогут вам лучше узнать нашу планету.

Десять интересных мест на планете

1. Исландия являет собой пример наиболее ярких геологических достопримечательностей, собранных на одном острове. Гейсир, Большой гейзер Исландии, первым из гейзеров получил широкую известность в мире. Самый активный вулкан на острове – Гримсвётн. Если вы окажетесь на острове, отправьтесь в турне по ледяным пещерам Исландии или внутрь спящего вулкана Трихнукагигур, искупайтесь в бассейне с горячими источниками, где вода остается нагретой в любое время года, примите термальную ванну с лечебными грязями. Исландия появилась в результате подъема магмы, когда Северо-Американская и Евразийская литосферные плиты начали расходиться друг от друга. В долине Тингвеллир вы можете прогуляться между этими двумя тектоническими плитами. Познакомиться с наиболее интересными местами в Исландии и заказать туры по острову можно на сайте www.lavacentre.is.

2. Лансароте, один из Канарских островов, является прекрасным местом для знакомства с вулканизмом планеты. Национальный парк Тиманфайя занимает большую часть острова. Парк был затоплен лавой в XVIII и XIX веках и полностью состоит из вулканической почвы. Эрозия почвы на острове невелика из-за скудного количества выпадающих осадков, и поэтому местность не сильно изменилась за время, прошедшее после извержений. При желании здесь можно приготовить блюда на горячей лаве. Чтобы возбудить аппетит, можно прогуляться по кальдерам и лавовым полям. Небольшая толика фантазии – и вы перенесетесь на Марс, ведь эти места так похожи на марсианские. В информационном центре в местечке Манча-Бланка можно подробно познакомиться со строением Земли, тектоникой плит и вулканов (https://lanzaroteinformation.co.uk/timanfaya-vistors-centre/).

3. Хавайи-Волкейнос, или Гавайский вулканический национальный парк, расположенный на острове Гавайи на другом конце света, является поистине горячей точкой Земли (www.nps.gov/havo/index.htm). Местные рейнджеры в парке позаботятся о том, чтобы путешественники находились на безопасном расстоянии от вулканов, потоков лавы и сольфатар[4]. Из музея Томаса Джаггара открываются удивительные виды на парк, в том числе на кальдеру Килауэа.

4. Новая Зеландия в Тихом океане также является очагом вулканической деятельности. Эти острова расположены в месте погружения (субдукции) Тихоокеанской плиты под Индо-Австралийскую плиту. Национальные парки на Северном острове разбиты вокруг вулканов и районов геотермальной активности. Можно посетить деревню маори Те-Вайроа, которая была погребена в 1886 году под слоем пепла во время извержения вулкана Таравера и обнаружена во время более поздних археологических раскопок на острове. Озеро Сковорода является, по-видимому, крупнейшим горячим бассейном в мире. На острове Уайт-Айленд в заливе Пленти расположен самый активный конический вулкан Новой Зеландии. Он дымится начиная по крайней мере с 1769 года, когда его впервые заметил капитан Кук. Чтобы познакомиться с жизнью страны, живущей на вулканах, и полюбоваться их видами, посетите Оклендский музей (www.aucklandmuseum.com/volcanoes).

5. Музей естественной истории в Лондоне содержит отличную коллекцию экспонатов, которые помогут узнать много нового о Земле. Множество окаменелостей и действующих выставок посвящены истории нашей планеты. В музее есть симулятор землетрясений, любители острых ощущений смогут испытать на себе его действие (www.nhm.ac.uk).

6. Интерактивный туристический центр «Наша динамичная Земля» в Эдинбурге (Шотландия) представляет собой современный взгляд на историю Земли. Здесь можно почувствовать дрожь земли в тот момент, когда расплавленная лава движется на вас; понаблюдать, как вулканы выбрасывают пепел в воздух; воочию увидеть, как Северное полярное сияние танцует над ледяными шапками. Если вы не любите находиться в закрытом помещении, прогуляйтесь к горе Трон Артура, бывшей вершине действующего вулкана в Каменноугольном периоде (www.dynamicearth.co.uk/).

7. Юрское побережье на южной границе Англии представляет собой настоящую кладовую осадочных пород и окаменелостей, сохранившихся в естественных условиях с древнейших времен. Здесь задокументирована история триасового, юрского и мелового периодов на протяжении 185 миллионов лет. Золотые пляжи, укромные бухты, утесы причудливой формы, скалы и арки простираются на 150 километров. Это главное место, где охотники за окаменелостями могут удовлетворить свою страсть к ископаемому прошлому Земли. Хорошим началом для экскурсии может служить музей Лайма Регис (www.lymeregismuseum.co.uk).

8. Геологический музей Китая, расположенный в Пекине, содержит более значительную коллекцию экспонатов из прошлого Земли. Здесь выставлены 200 000 экспонатов, включая самый большой в мире кристалл кварца весом 3,5 тонны, а также окаменелости гигантского динозавра Шаньдун и редких примитивных птиц (http://www.chinamuseum.com/en).

9. Если вы хотите увидеть разрыв в земной коре, посетите разлом Сан-Андреас, который тянется на 1200 километров вдоль побережья Калифорнии. Разлом отмечает границу между движущейся на север Тихоокеанской плитой и Северо-Американской плитой, которая движется на юг. Разрыв хорошо виден в разных местах на своем протяжении – например, на покореженных пастбищах заповедной равнины Карризо и в национальном парке Пиннаклс. Вы можете примкнуть к организованным турам или заказать свой на сайте www.sanandreasfault.org/.

10. Аллея Торнадо – пояс Великих равнин в США – специально для вас, если вы азартный человек со средствами и любите ураганы. Побывать там – один из способов увидеть потрясения, которые могут происходить в тропосфере, и оценить, насколько хорошо мы умеем предсказывать погоду. В мае и в июне вы можете купить место в туре, который будет посвящен охоте на торнадо и грозы из сверхъячейки.

Десять самых больших взрывов на Земле

1. Один из самых известных взрывов XX века произошел в Сибири утром 30 июня 1908 года в 7 часов 14 минут по местному времени. В этот момент нечто взорвалось над рекой Подкаменная Тунгуска. Взрыв имел такую потрясающую силу, что ударная волна повалила деревья на площади в 2000 квадратных километров и сбила с ног людей в десятках километров от эпицентра. Мощность взрыва составила 15 мегатонн в тротиловом эквиваленте. Явление приписали Тунгусскому метеориту размером несколько десятков метров в поперечнике, влетевшему в атмосферу Земли и взорвавшемуся в воздухе над лесом. Но споры о том, что послужило причиной этого события, не утихают до сих пор. Обсуждаются разные другие возможности, в частности выброс подземного метана. Если это был метеорит, то довольно крохотный по историческим меркам.

2. Самый большой искусственный взрыв на Земле произошел в октябре 1961 года. Советский Союз провел испытания водородной бомбы на Новой Земле, у северного побережья страны. Вспышка света от этой Царь-бомбы была видна за тысячу километров от места взрыва. Грибовидное облако поднялось на 64 километра над землей. От взрыва были выбиты окна на расстоянии до 900 километров. Мощность взрыва составляла 57 мегатонн, при этом выделилось в четыре раза больше энергии, чем от Тунгусского метеорита. Очевидцы, побывавшие на месте взрыва, рассказывали, что почва на острове стала ровная, чистая и гладкая, как каток.

3. В 1883 году произошло извержение вулкана Кракатау в Зондском проливе между индонезийскими островами Ява и Суматра. До извержения, ставшего одним из самых известных взрывов Новейшей истории, вулкан представлял собой один большой остров. Его активность нарастала постепенно, в течение нескольких месяцев, и в конце августа произошло извержение. Сильнее всего вулкан разбушевался 27 августа. В этот день прогремело четыре мощных взрыва, звуки которых были слышны на расстоянии до 4000 километров. Десятки тысяч человек погибли, еще больше получили различной степени повреждения. Сам остров Кракатау был практически разрушен, но в результате более поздних извержений на его месте появился новый остров.

Небольшое уточнение. Мощность извержений измеряется по шкале вулканической активности VEI (от англ. Volcanic Explosivity Index) от 0 (самых слабых) до 8 (самых сильных). Разница между каждыми двумя ступенями на этой шкале соответствует увеличению в десять раз объема горных пород и золы, выброшенных при извержении. Сила извержения вулкана Кракатау по шкале вулканической активности составила 6 баллов. Это соответствует примерно 200 мегатоннам в тротиловом эквиваленте, что по крайней мере в три раза больше энергии, выделившейся при взрыве Царь-бомбы.

4. В новейшей истории только одно извержение достигло 7 баллов по шкале вулканической активности, превысив мощность извержения вулкана Кракатау в десять раз. Вулкан Тамбора на острове Сумбава (Индонезия) начал проявлять признаки активности в 1812 году, а в апреле 1815 года произошло разрушительное извержение. Огромное количество пыли и пепла было выброшено в атмосферу, во всем мире были зарегистрированы температуры ниже средних значений. Следующий за извержением год, 1816, вошел в историю как «год без лета». Как ни странно, но на вулкан Тамбора 160 лет не обращали должного внимания. И только когда ученые исследовали слои пепла, отложившиеся в ледяных кернах Гренландии, стало ясно: все извержения начиная с 1815 года не идут ни в какое сравнение с вулканом Тамбора.

5. Сегодня озеро Таупо в Новой Зеландии радует безмятежной гладью свежей воды. Это место, почитаемое раками и любителями пеших прогулок. Но 26 500 лет назад здесь произошел мощный взрыв – извержение вулкана покрыло весь Северный остров Новой Зеландии слоем пепла и камней толщиной 200 метров. Современное озеро лежит в кальдере этого вулкана. Извержение вулкана Оруануи на месте озера Таупо достигло 8 баллов по шкале VEI, в десять превысив по мощности вулкан Тамбора.

6. Сегодня вулканологи любят порассуждать об извержениях, которые намного превосходят извержения рядовых вулканов. В результате извержений таких супервулканов может выделиться более 1000 кубических километров вулканических выбросов. Одним из кандидатов на роль супервулкана является Оруануи. Несомненным супервулканом был Тоба на Суматре, взорвавшийся 75 000 лет назад и исторгнувший из себя 2800 кубических километров горячей лавы, пепла и пыли. От взрыва осталась огромная кальдера, частично заполненная водой. По мнению некоторых специалистов, тогда выделилось столько пепла, что он почти не пропускал солнечный свет. В результате этого средняя температура на Земле значительно понизилась, что привело к падению численности популяции людей. Однако эта гипотеза относится к разряду спорных.

7. Красивый Йеллоустонский национальный парк скрывает под собой настоящее чудовище. Гигантский плюм расплавленной породы, который поднимается из мантии Земли, периодически приводит к мощным извержениям; некоторые из них вполне заслуживают наименования супервулканов. За последние несколько миллионов лет Йеллоустон проявлял бурную активность три раза. Хребет Хаклберри-Ридж образовался в результате извержения на месте кальдеры Айленд-Парк 2,1 миллиона лет назад. Это извержение было почти таким же мощным, как извержение вулкана Тоба. Кальдера Хенрис-Форк образовалась в результате извержения 1,3 миллиона лет назад. Это извержение по мощности не дотягивало до Айленд-Парка, но все-таки его тоже можно отнести к разряду супервулканов. Наконец, 640 000 лет назад, в результате еще одного гигантского извержения, образовалась туфовая формация Лава-Крик и современная Йеллоустонская кальдера. Первое и третье из этих извержений покрыли пеплом бо́льшую часть Северной Америки.

8. Мегаизвержение Ла-Гарита, наверное, было самым мощным явлением такого рода в истории Земли. Вулканические выбросы в объеме 5000 кубических километров рассеялись по земной поверхности 27 миллионов лет назад. Огромная территория оказалась погребена под слоем пепла, на территории нынешнего штата Колорадо все еще видны последствия этого взрыва в виде изверженных горных пород. Вначале вулкан «выплюнул» огромные каменные глыбы размером до 2 метров, затем из него с высокой скоростью начал вылетать чудовищный пирокластический поток – смесь высокотемпературных газов и обломков пород. В настоящее время, к счастью для нас, супервулкан Ла-Гарита считается потухшим.

9. Более катастрофическими масштабами, по сравнению с извержениями вулканов, отличаются столкновения с небесными телами. На полуострове Юкатан в Мексике, погребенный под огромным количеством осадочных отложений, находится кратер Чикшулуб диаметром 180 километров. В этом месте 65 миллионов лет назад в Землю врезался астероид диаметром около 10 километров. Энергия удара оценивается в 100 миллионов мегатонн. Это было самое большое соударение с небесным телом, которое довелось испытать Земле за последний миллиард лет. Большинство палеонтологов, за небольшим исключением, считают этот инцидент ответственным за исчезновение динозавров 65 миллионов лет назад. Гибельным оказался не столько сам удар, сколько его последствия, принесшие весьма ощутимый урон экологии планеты. Пылевое облако, поднявшееся в атмосферу, полностью закрыло Солнце. Падение астероида вызвало обширные излияния лавы в Индии, на плоскогорье Декан (так называемые Деканские траппы).

10. Наверное, здесь следовало бы упомянуть еще одно гигантское столкновение Земли с космическим телом, в результате которого образовалась наша спутница Луна. Но мы уже обсуждали эту гипотезу в главе 1. Поэтому заглянем лучше вперед.

Печально, но не следует особенно надеяться, что все взрывы, сотрясающие время от времени нашу планету, остались в прошлом. Ядерный арсенал мира включает около 15 000 единиц боеприпасов, общая разрушительная сила которых исчисляется тысячами мегатонн. Вероятность того, что все они «выстрелят», снизилась после окончания холодной войны, но все же осталась достаточно высокой.

На Земле имеется множество обычных вулканов. Супервулканов насчитывается всего шесть: Таупо, Тоба и Йеллоустон, а также кальдеры Валлес на территории штата Нью-Мексико (США), Лонг-Вэлли в Калифорнии и Айра в Кагосимском заливе (Япония). Нам не дано знать, когда рванет и рванет ли где-то в этих местах снова. Но вряд ли нам гарантирована спокойная жизнь на веки вечные.

Что касается столкновений с космическими телами, их не стоит особенно опасаться: большая часть из полумиллиона известных астероидов и двенадцати триллионов комет никогда не подойдет к Земле слишком близко. Только у двух астероидов есть некоторые шансы столкнуться с нашей планетой – в 2048 и в 2880 годах. По Туринской шкале астероидной опасности, по которой вероятность столкновения Земли с небесным телом оценивается от 0 до 10, оба этих астероида имеют только один шанс из десяти столкнуться с Землей. Поэтому пока маловероятно, что мы последуем по пути динозавров.

Пять рекордов из разных областей

Все мы знаем о самых высоких горах и самой глубокой океанской впадине, но вот еще несколько рекордсменов, о которых вы, возможно, никогда не слышали.

1. Больше всего гейзеров находится в Верхнем гейзерном бассейне в Йеллоустонском национальном парке (штат Вайоминг, США). На территории 2,6 квадратных километра расположены 150 горячих источников, бьющих из-под земли. Среди них – Старый Служака, один из самых знаменитых гейзеров на Земле.

2. Самая высокая температура была зарегистрирована в Долине Смерти (штат Калифорния, США) 10 июля 1913 года – 56,7 °C. До 2012 года рекордсменом по жаре считался город Эль-Азизия в Ливии, который удерживал первенство 90 лет, начиная с 1922 года. Сообщалось, что тогда столбик термометра в Эль-Азизии поднялся до 58 °C. Но в 2012 году Всемирная метеорологическая организация забраковала это показание, засомневавшись в его точности.

3. Длиннейшая пещера в мире – Мамонтовая пещера в штате Кентукки (США). Она представляет собой лабиринт, протянувшийся в пласте известняка на 663 километра. Вторая по протяженности пещера находится в Мексике, она в два раза короче Мамонтовой.

4. Самый большой в мире ударный кратер Вредефорт находится в Южной Африке. Он появился 2 миллиарда лет назад от удара астероида с поперечником от 10 до 15 километров. Астероид выбил кратер с диаметром 300 километров. К сожалению, сегодня можно увидеть только остатки первоначального кратера.

5. Сухие долины возле пролива Мак-Мердо в Антарктиде вполне оправдывают свое название. Они не видели ни дождя, ни снега на протяжении 2 миллионов лет. Это самые засушливые места на Земле. Здесь находится пустыня с экстремальными условиями. Климат здесь более сухой, чем в пустыне Атакама в Чили и Перу.

Пять шуток про Землю и земные явления

1. – Что мне сказать брату, который собирается жениться на геологине?

– Скажи ему, что у геологов есть свои сдвиги и что чем более он будет пытаться стать гнейсом[5], тем больше его будут принимать за гранит. И предупреди его перед брачной ночью, что геологи формируют породу ложа!

2. Вы можете быть геологом, если:

• сумеете правильно произнести слово «молибденит» с первого раза;

• у вас больше кусков кварца, чем предметов нижнего белья;

• носильщики в аэропорту знают вас по имени и отказываются носить ваш багаж;

• вы смотрите вестерны только ради того, чтобы полюбоваться на скальные образования;

• ваших детей зовут Джуэл, Рокки и Берил[6];

• вы можете показать Цумеб[7] на карте;

• в зрительном зале во время просмотра фильма «Побег из Шоушенка» вы закричали: «Обсидиан!»[8]

3. Ураганы Харви и Эль-Ниньо выпивают в баре.

– Я такой крутой, – хвастается Харви, – могу разрушить экономику, причем не одного острова, и нанести многомиллионный ущерб Флориде.

– Пустяки, – пренебрежительно отвечает Эль-Ниньо. – Я могу вызвать наводнения в пустынях и высушить тропические леса. По моей прихоти целые экосистемы расцветают или гибнут. От одного моего шатания зависит, как будет развиваться народное хозяйство в разных странах.

При этих словах в баре появляется скромная североатлантическая система низкого атмосферного давления. Она не говорит ни слова, из нее на пол сочится вода. Ураганы Харви и Эль-Ниньо, дрожа, ныряют в укрытие за барной стойкой.

– Что с вами? – усмехается бармен. – Я-то думал, что вы самые крутые метеоявления в мире и его окрестностях!

– Мы-то крутые, – жалобно скулит Эль-Ниньо, – но он-то настоящий циклон!

4. Глобальное потепление такое потешное, что даже ледяные щиты лопаются от смеха!

5. Встречаются две планеты. Первая спрашивает:

– Как дела?

– Неважно, – отвечает вторая. – У меня завелись существа, которые зовутся «Хомо сапиенс».

– Не волнуйся, – отвечает ей соседка. – У меня они тоже побывали. Долго это не продлится.

Десять известных изречений

1. Аристотель, древнегреческий философ:

«Но весь процесс жизнедеятельности на Земле происходит так медленно, изменения совершаются за периоды времени, такие огромные по сравнению с продолжительностью нашей жизни, что эти изменения невозможно заметить одному человеку. Прежде, чем завершится полностью ход событий, целые народы погибнут и исчезнут с лица Земли».

2. Чарльз Дарвин, один из авторов теории эволюции видов:

«Ежедневно геологу приходит в голову мысль, что ничто, даже дующий ветер, не может сравниться в своем непостоянстве с поверхностью земной коры».

3. Альфред Вегенер, немецкий геофизик, который выдвинул идею о том, что континенты движутся, но не смог выявить управляющие этим движением силы, предрекал следующее:

«В смещении континентов участвуют те же силы, которые образуют огромные складчатые горные цепи. Дрейф континентов, разломы и сжатия, землетрясения, вулканическая деятельность, циклы трансгрессии и шатание полюсов Земли – все это, несомненно, связано друг с другом причинно-следственными отношениями в больших масштабах времен. Доказательством тому служит общее усиление всех этих явлений в определенные периоды истории Земли. Однако, где здесь причина, а где следствие, может показать только будущее».

4. Джон МакФи, американский писатель и автор книги «Летописи прежнего мира»:

«Индия в олигоцене вломилась в Тибет, ударив так сильно, что не только смяла и перекосила границы плит, но и врезалась в недавно созданное Тибетское нагорье. Гималаи поднялись на пять с половиной миль в небо… Когда альпинисты в 1953 году водрузили свои флаги на самой высокой вершине мира, эти флаги оказались установленными в снегу над скелетами существ, которые жили в теплом чистом океане, исчезнувшем под натиском Индии, двигавшейся на север. Останки существ на глубине 20 000 футов ниже морского дна превратились в твердые породы. Один этот факт может лечь в основу целого трактата о том, как двигалась поверхность Земли.

Если бы по высочайшему указу мне пришлось вместить все мною сказанное в одно предложение, я бы сказал так: вершина горы Эверест покрыта морским известняком».

5. Стивен Джей Гулд, американский палеонтолог, биолог-эволюционист и писатель:

«Ни один уважающий себя геолог не будет все время сидеть за письменным столом или находиться в лаборатории, но и очаровательное представление о том, что истинная наука может быть основана только на беспристрастных наблюдениях за природой как она есть, относится к разряду мифологии. Творческая работа, будь то в геологии или где-либо еще, включает в себя взаимодействие и синтез различных подходов, в числе которых находятся следующие: полусырые кабинетные идеи; породы, найденные в поле; мысли и ассоциации, родившиеся во время одиноких прогулок; измерения, проведенные в лаборатории; числа, извлеченные из настольного калькулятора; изысканная техника, которая обычно отказывает в дорогостоящих морских экспедициях; дешевая техника, заключенная в наших черепных коробках; наконец, рассуждения, предшествующие прокладке нового направления в науке».

6. Джоанна Хей, британский атмосферный физик:

«Такой высокой концентрации углекислого газа в атмосфере не было на протяжении 3 миллионов лет. Мы осознаем его действие как парникового газа – происходит несомненное потепление».

7. Дженнифер Фрэнсис, американский ученый в области наук об атмосфере, специалист по Арктике:

«Всего за 30 лет мы потеряли около 75 % морского льда в Арктике. Не нужно быть ученым, чтобы увидеть это огромное изменение, произошедшее в нашей климатической системе. Мы знаем, что в основном это связано с дополнительным теплом, которое выделяется растущим объемом парниковых газов, выделяющихся при сжигании ископаемого топлива. Я прихожу в ужас, глядя на то, как быстро нагревается Арктика!»

8. Франк Шервуд Роуленд, американский химик, специалист по атмосфере, лауреат Нобелевской премии по химии:

«Какая польза в том, что наша наука научилась делать правильные прогнозы, если единственное, что мы можем им противопоставить, это стоять в сторонке и ждать, пока они сбудутся?»

9. Жак-Ив Кусто, исследователь Мирового океана, активный борец за охрану природы, кинорежиссер и один из создателей акваланга:

«Море – это универсальный коллектор сточных вод, куда в итоге с помощью дождя переносятся все виды загрязнений с суши и из атмосферы».

10. Скотт Адамс, американский карикатурист, юморист… и философ, а также создатель комикса «Дилберт». Персонаж комикса пес Догберт говорит своему хозяину так:

«Абсолютно все авторитетные ученые говорят, что ваши продукты вредят окружающей среде. Заплатите хитрым ласкам, и они напишут для вас статьи, где будут доказывать обратное. Ешьте сами свою пищу и вам повезет, если вы умрете прежде, чем погибнет Земля».

Что еще почитать: десять рекомендаций

1. «Земля: заповедная история» (англ. The Earth: An Intimate History, 2005). Ричард Фортей написал увлекательное произведение о далеком прошлом Земли, где естествознание, культура и рождение городов причудливым образом переплетены с геологией.

2. «Летописи прежнего мира» (англ. Annals of the Former World, 2000). Джон МакФи нарисовал живую и прекрасную картину, повествующую о геологии Северной Америки. В 1999 году книга завоевала Пулитцеровскую премию в жанре научно-популярной литературы.

3. Изменения на Земле, происходящие в геологическом масштабе времени, подобны медленному движению улитки. Так? Нет, не так, отвечает Майкл Р. Рампино в своей книге «Катаклизмы: новая геология для XXI века» (англ. Cataclysms: A New Geology for the Twenty-first Century, 2017). В фокусе внимания автора – удары астероидов и гигантские излияния лавы, которые могут сильно повлиять на нашу планету.

4. Первые британские геологи являлись по большей части состоятельными людьми. Они больше интересовались поисками угольных пластов и научными доказательствами истинности библейских событий, чем строгими научными изысканиями. В книге «Читая скалы» (англ. Reading the Rocks, 2017) Бренда Мэддокс знакомит нас с «джентльменами-геологами» (а также с некоторыми женщинами) XVIII и XIX веков, интересующимися геологией. Они оставили после себя наследие, благодаря которому удалось уменьшить власть церкви и способствовать созданию светской науки.

5. Если окаменелости – ваш конек, то вам стоит познакомиться с книгой «Записи в камне: эволюция, летопись окаменелостей и наше место в природе» (англ. Written in Stone: Evolution, the Fossil Record, and Our Place in Nature, 2011) Брайана Свитека. Автор глубоко погружается в историю окаменелых остатков и делает акцент на «недостающем звене» – промежуточных окаменелостях, которые размещаются между группой вымерших существ и теми, которые пришли им на смену. Вас ожидают удивительные истории о гуляющих китах, рыбах с нижними конечностями и пернатых динозаврах.

6. Генри Фонтейн в своей книге «Великое землетрясение: как сильнейшее землетрясение в Северной Америке изменило наши представления о планете» (англ. The Great Quake: How the Biggest Earthquake in North America Changed Our Understanding of the Planet, 2017) анализирует землетрясение 1964 года на Аляске и рассматривает его влияние на уточнение научных воззрений. В своем повествовании Фонтейн опирается на теорию тектоники плит, предложенную в середине 1960-х годов.

7. Доррик Стоу в книге «Океаны: очень краткое введение» (англ. Oceans: A Very Short Introduction, 2017) позволит вам окунуться в морскую стихию. Издательство Оксфордского университета в своей серии Very Short Introduction предлагает вашему вниманию различные книги о Земле, ее атмосфере, минералах и о тектонике плит.

8. В увлекательное воздушное путешествие вас приглашает Габриэль Уолкер в книге «Океан воздуха: естественная история атмосферы» (англ. An Ocean of Air: A Natural History of the Atmosphere, 2008). Вы узнаете, чем отличаются друг от друга разные пласты атмосферы, которые, как луковая шелуха, наслаиваются друг на друга; из каких газов состоят эти слои; о людях, которые сформировали наше представление об атмосферных составляющих.

9. Гипотеза о Гее – представление о Земле, как о материнском начале, в котором черпают поддержку все живые организмы, – не нашла всеобъемлющей поддержки в научной среде. Но если Земля не является сверхорганизмом, способным позаботиться о себе, это тем более означает, что мы должны лучше относиться к своей планете и не подвергать ее риску наступающей катастрофы. Книги Джеймса Лавлока стоит прочесть хотя бы по той причине, что он сыграл важную роль в формировании современных взглядов на Землю. Его последняя книга на эту тему называется «Исчезающий лик Геи: последнее предупреждение» (англ. The Vanishing Face of Gaia: A Final Warning, 2009).

10. Эколог Джордж Вудвелл предостерегает нас, что изменения климата могут сильно повлиять на сообщества растений и животных, которые поддерживают нашу биосферу. В книге «Мир, в котором нам придется жить: взгляд эколога на разграбленную планету» (англ. A World to Live In: An Ecologist’s Vision for a Plundered Planet, 2016) он предлагает собственное решение, как можно выйти из тупика.

Словарь терминов

Астеносфера – слой пониженной твердости, прочности и вязкости в верхней мантии Земли, под литосферой.

Аэрозоль – суспензия мелких твердых или жидких частиц в воздухе. Некоторые аэрозоли служат нуклеаторами, вокруг которых образуется лед в облаках, другие – отражают солнечное излучение обратно в космическое пространство.

Геологическая шкала времени – хронологическая шкала для обозначения времени залегания различных слоев пород. Выводится на основе стратиграфической шкалы.

Геонейтрино – античастица по отношению к нейтрино, электронное антинейтрино. Образуется при распаде радиоактивных изотопов внутри Земли.

Изотопы – различные варианты того или иного химического элемента, различающиеся количеством нейтронов в ядрах. Некоторые изотопы являются радиоактивными. Широко используются при датировании образцов пород.

Лава — расплавленная порода, достигшая поверхности Земли.

Ла-Нинья – холодная фаза Южной осцилляции, в которой температура морской поверхности падает в тропиках в центральной и восточной части Тихого океана. Как и ее аналог Эль-Ниньо, Ла-Нинья может серьезно нарушить климатические условия во всем мире.

Литосфера – внешняя твердая оболочка Земли, включающая в себя кору и жесткую верхнюю мантию.

Магма – расплавленная порода внутри планеты. Может накапливаться в магматических камерах под вулканами и после извержения становится лавой.

Магматическая (вулканическая) порода – порода, которая образуется при остывании и затвердевании магмы или лавы.

Мантия – самый большой слой внутри Земли, прослойка между внешним ядром и корой.

Метаморфическая порода – горная порода, образованная из более древних пород, которые подвергались экстремальным температурам и давлениям внутри Земли, что привело к глубоким физическим или химическим изменениям.

Минерал – химическое соединение природного происхождения. Породы состоят из одного или нескольких минералов.

Нейтрино – электрически нейтральная, почти безмассовая субатомная частица, чрезвычайно слабо взаимодействующая с обычным веществом.

Оливин – магнезиально-железистый силикат. Основной минерал, входящий в состав верхней мантии. Встречается в магматических вулканических породах, таких как базальт. Подвергается быстрому химическому выветриванию с образованием карбоната магния, в процессе чего захватывает углерод из атмосферы.

Осадочная порода – порода, образованная при сплющивании обломков древних пород и органических остатков, скопившихся на дне реки, озера или моря. Обычно залегает слоями (пластами).

Офиолит – часть древней океанической коры, поднятой на поверхность, в противоположность той, которая ушла под землю в результате субдукции. Часто располагается поверх менее плотной континентальной коры.

Пироксены – группа силикатных минералов, обнаруженных в мантии и магматических породах. Содержат кальций, натрий, магний, железо или алюминий.

Солнечный ветер – поток заряженных частиц высокой энергии от Солнца.

Стратиграфическая шкала – порядок наслоения различных пластов породы друг на друга с течением времени. Эта геологическая летопись составляет основу геологической шкалы времени.

Субдукция – процесс втягивания старой океанической коры в мантию в месте сближения тектонических плит. Субдукция считается основной движущей силой тектонического движения литосферных плит.

Хондриты – каменные метеориты, которые образовались практически одновременно с нашей планетой и состав которых во многом соответствует составу Земли.

Циркон – минерал, силикат циркония, который образует крошечные эластичные кристаллы. Может содержать следы других минералов. Очень устойчивые цирконы являются одними из самых старых объектов на планете и используются для получения информации о ранней Земле.

Чувствительность климата – повышение средней температуры поверхности Земли как реакция на удвоение концентрации углекислого газа в атмосфере.

Эль-Ниньо – теплая фаза Южной осцилляции, в которой температура морской поверхности повышается в тропиках в центральной и восточной части Тихого океана. Имеет разрушительное воздействие на региональный и глобальный климат.

Примечания

1

Плюм – поток горячего мантийного вещества, двигающегося от основания мантии у ядра Земли. – Здесь и далее прим. пер.

2

Южный океан – наименование совокупности южных частей Тихого, Атлантического и Индийского океанов, окружающих Антарктиду. В русскоязычной литературе до 2000 года не было такого обозначения. В 2000 году Международный гидрографический союз принял решение разделить Мировой океан на пять отдельных: Атлантический, Индийский, Тихий, Южный и Северный Ледовитый.

3

Англ. golden spike – неофициальное название границ подразделений Международной стратиграфической шкалы (так в США в конце XIX века называли последний костыль, забиваемый при окончании строительства железной дороги).

4

Разновидность фумарол – трещин в почве – с выделением серных газов.

5

Гнейс – метаморфическая горная порода.

6

Англ. Jewel, Rocky, Beryl – «Сокровище», «Скалистый», «Берилл».

7

Цумеб – город в Намибии, известный тем, что в его шахте были обнаружены наиболее крупные кристаллы диоптаза – медного изумруда, минерала с зеленым насыщенным цветом.

8

Герой фильма «Побег из Шоушенка» оставляет сообщение под куском черного вулканического стекла, которое геологи называют обсидианом.

Content

Коллектив авторов
Планета Земля. Познакомьтесь с миром, который мы называем домом

Над книгой работали

Введение

Глава 1. Годы становления

Уникальное место во Вселенной

Таинственное начало

Наша загадочная Луна

Ад на Земле?

Когда возникла жизнь?

Вода, повсюду вода

Беспокойная кора

Как менялась наша планета

Глава 2. Долгая поступь времени

Вглубь времен

Расшифровка скалистых записей

Радиометрическое датирование

Иерархия датирования

Как выглядела Земля в различные эоны

Реки глубоки, горы высоки (1 миллиард лет назад)

Земля-«снежок» (700 миллионов лет назад)

Засушливые пустыни и сезоны дождей (250 миллионов лет назад)

Вулканический апокалипсис (135 миллионов лет назад)

Арктическая тепловая волна (55 миллионов лет назад)

Создание Средиземноморья (5,33 миллиона лет назад)

Затопленный рай (10 000 лет назад)

Глава 3. Внутри и снаружи

Вниз, вниз, все глубже вниз

Сейсмические волны

Тени внутри Земли

Экстремальные условия

Таинственная мантия

Посланники из преисподней

Загадки минералов

Сердце планеты

Невидимый экран

Третья возможность

Свободный мягкий жизненный покров

Вымирающий ресурс

Ресурсы, предоставляемые почвой

Величайшая угроза

Глава 4. Плиты, землетрясения и извержения

Принципиально новая идея

Сложный пазл

Главное место действия

Познакомьтесь со своим вулканом

Можно ли предсказать извержения вулканов?

Когда дрожит земля

Определение масштабов землетрясений

Тряска, грохот и качка

Парные землетрясения

Научились ли мы предсказывать землетрясения?

Почему предсказывать землетрясения так трудно

Глава 5. В поисках новых идей

Землетрясения в неожиданных местах

Миграция землетрясений

Мощность плюмов

Глубокое воздействие

Тектоника плит и не только

Будущий суперконтинент

Новопангея

Пангея Проксима

Амазия

Аурика

Глава 6. Атмосфера, климат и погода

Что входит в состав атмосферы?

Снизу вверх

Электрические слои

Климат-контроль планеты

Машина погоды

Пояса ветров и эффект Кориолиса

Нестабильность и осадки

Циклоны умеренных широт

Грозы

Торнадо

Тропические циклоны

Тайфун или ураган?

Муссонные депрессии

В чем загадка дождя?

А что если и в самом деле дожди идут из-за микробов?

Гром среди ясного неба

Внеземная помощь

Водрузить молнию с ног на голову

Глава 7. Океаны

Беспокойные воды Земли

Движущие силы

Воды старые и новые

Каков возраст воды?

Океанские вихри

Настоящие монстры глубин

Создание монстра

Скрытые реки

Как образуются подводные реки

Глава 8. Жизнь

Земля, познакомься с Жизнью. Жизнь – это Земля

Где зародилась жизнь

Как отравить планету

Влияние Геи

Гея – справедливая богиня?

Взгляд в будущее

Глава 9. Добро пожаловать в антропоцен

Эпоха людей

«Золотой гвоздь» антропоцена

Признаки человеческого влияния

Ископаемое топливо

Новые вещества

Другая геология

Удобрения

Глобальное потепление

Массовое вымирание

Пластмассовая чума

Съешьте свой пластик

Глава 10. Изменения климата

Зловещее предзнаменование

Нагрев планеты парниковыми газами

Другие загрязняющие вещества охлаждают планету

Температура планеты увеличивается

Уровень моря сильно поднимется

Почему погода взбесилась

За рамками предсказаний

Замедление высокоскоростных воздушных потоков

Запуск новых механизмов

Великая тайна облаков

Природа непрозрачности облаков

Охлаждающий покров над тропиками

Может ли геоинженерия предотвратить климатический хаос?

Затемнить глобальное потепление

Темная сторона затемнения

Не затенять, а почистить

Заключение

50 интересных фактов

Десять интересных мест на планете

Десять самых больших взрывов на Земле

Пять рекордов из разных областей

Пять шуток про Землю и земные явления

Десять известных изречений

Что еще почитать: десять рекомендаций

Словарь терминов

Примечания