Эволюция Вселенной и происхождение жизни

Как пример методов радиохронологии рассмотрим изотоп калия с атомным весом 40 единиц (4°К). Этот изотоп распадается на 89 % кальция и 11 % аргона! вес каждого из которых тоже составляет 40. Один из этих двух элементов — аргон, инертный газ, который может сохраняться в горных породах. Но если порода расплавится, газ выходит наружу. Отношение изотопов аргон-40 и калий-40 указывает, сколько времени горная порода находилась в твердом состоянии. Можно сказать, что эти часы начинают тикать с того момента, как порода последний раз застыла, ведь до этого аргон из нее свободно выходил, так что перед затвердеванием породы его там практически не было. Со временем доля изотопа аргона возрастает, и через 1200 млн лет уже собирается 11 % аргона относительно изотопа калия (это временя полураспада калия-40). Измерив в образце отношение аргона-40 и калия-40, мы определим его возраст.

Есть еще один интересный пример. Рассмотрим кристаллический минерал циркон из элемента цирконий (Zr). Кристалл циркона чрезвычайно устойчив: он выживает в условиях выветривания и даже при частичном плавлении пород в земной мантии. Самая распространенная форма циркона ZrSi0₄. При кристаллизации обычно возникает небольшая примесь, в результате которой менее чем в 1 % случаев атомы циркония замещаются атомами урана (USiO₄) или тория ThSiO₄). Это возможно потому, что ядра U и Th по размеру такие же, как ядра Zr. С другой стороны, свинец (Pb) не может входить в состав кристалла просто потому, что он слишком велик, поэтому в момент формирования в кристалле нет свинца, но вместе с большим количеством циркония есть небольшое количество урана и тория. С течением времени атомы U и Th испытывают радиоактивный распад. Атомы ²³⁵U распадаются на ²⁰⁷Pb с временем полураспада 703,8 млн лет, а ²³⁸U распадается на ²⁰⁶Pb с временем полураспада 4,468 млрд лет. Теперь мы можем оценить возраст кристалла циркона, просто подсчитав, сколько атомов ²³⁵U превратилось в ²⁰⁷Pb и сколько — в ²⁰⁶Pb. Если половина ²³⁸U превратилась в ²⁰⁶Pb, то возраст кристалла равен времени полураспада, в нашем случае 4,468 млрд лет. Возраст может быть определен и у других минералов, содержащих уран. На практике оценку возраста лучше делать построением изохрон, линий одного и того же возраста, вычислив Зависимость отношения ²⁰⁶Pb/²³⁸U к отношению ²⁰⁷Pb/²³⁵U. Чтобы быть уверенным, что внешнее загрязнение U и Pb не повлияло на результат.

Нам трудно уразуметь, что «неподвижные» звезды меняют свое положение на небе в течение тысяч лет. Точно так же трудно представить, что твердые камни под нашими ногами движутся и меняют свои очертания. Движение звезд на небе и гор с континентами противоречит нашей интуиции, поскольку мы привыкли относиться к ним как к точкам отсчета для всего, что движется быстрее, например, планеты, приливы и воздушные потоки. Огромные возрасты, полученные радиохронологическим методом, заставили по-новому взглянуть на процессы, происходящие в Земле, для которых дли-на человеческой жизни — всего лишь миг. Соответствие береговых линий восточной части Южной Америки и западной части Африки озадачило географов сразу же после создания первых достаточно точных карт этих материков. Тогда это обычно объясняли тем, что Атлантический океан представляет собой широкий каньон и средняя часть единого континента туда провалилась. Французский географ Антонио Снайдер-Пеллегрини в 1858 году предположил, что Южная Америка и Африка раскололись и разошлись на современное расстояние. Его смелая теория в точности соответствовала библейскому контексту. На пятый день творения все континенты были единой сушей. На шестой день творения появились длинные разломы. Извержение вулканических газов раздвинуло континенты. В это же время Земля сжалась, и моря залили континенты, вызвав гигантский потоп (рис. 29.2).

Рис. 29.2. Антонио Снайдер-Пеллегрини (1802–1885) нарисовал первую карту, демонстрирующую движение континентов.

Для геологов такое объяснение не имело никакого смысла. Через пятьдесят лет, когда опять был поднят вопрос о движении континентов, подмоченная репутация Снайдера вызвала отрицательную реакцию на новую теорию. В 1910 году американец Ф. Э. Тейлор предположил, что образование горных цепей обусловлено движениями континентов. По его мнению, Гималаи образовались из-за того, что Евразийский континент двигался к югу и столкнулся с Индийским субконтинентом.

Обычно отцом тектонических движений считается Альфред Вегенер (1880–1930). Немецкий ученый был поражен схожестью окаменелостей на обоих берегах Атлантики и в 1912 году предположил, что 200 млн лет назад, в мезозойскую эру, все континенты образовывали единый суперконтинент Пангею, окруженную океаном Панталасса (рис. 29.3 и 29.4). Суперконтинент раскололся на части, и современные континенты начали расходиться. Свою идею Вегенер опубликовал в 1915 году в книге «Происхождение континентов и океанов». В пользу этой теории он приводил несколько аргументов.

1. Земная кора бывает двух типов: более легкая образует континенты, а более плотная — дно океанов. Континенты плавают в океанской коре и даже скользят по ней, если возникает боковая сила.

2. Береговые линии Южной Америки и Африки совпадают. Если учитывать мелководный континентальный шельф, то это совпадение усиливается. В этом случае даже Северная Америка и Европа тоже совпадают (см. рис. 29.3).

3. Если их совместить, то легко заметить, что и геологические структуры так точно совпадают, что совершенно очевидно, что континенты раскололись и разошлись.

Рис. 29.3. Единый сурперконтинент Пангея 225 млн лет назад, окруженный океаном Панталасса. Показано совпадение береговых линий и границ континентального шельфа. Читатель легко узнает Северную Америку, Южную Америку, Евразию и Африку. Попробуйте найти Антарктиду, Индию и Австралию.

4. Окаменелости на обеих сторонах Атлантического океана тоже совпадают, что свидетельствует: эти части суши были когда-то связаны (рис. 29.4).

5. Геологические свойства говорят о том, что континенты перемещались по разным климатическим зонам: в высоких широтах можно обнаружить залежи угля, хотя сформироваться они могли только у экватора. В то же время у экватора можно обнаружить признаки полярных ледяных шапок.

Рис. 29.4. Часть единого суперконтинента Пангея. Карта показывает совпадение однотипных ископаемых остатков на современных континентах.

Вегенер не мог указать, что служит причиной движения континентов. Это и сдерживало признание его теории. Даже в 1948 году известный американский геолог утверждал, что «теория движения континентов — это фикция, это захватывающая идея, вводящая наше воображение в заблуждение». Но вскоре после этого теория Вегенера получила мощную поддержку от результатов изучения двух предметов:

1) магнитных свойств коренных и осадочных морских пород (палеомагнетизм);

2) топографии (деталей поверхности) морского дна.

Мы еще вернемся к современным взглядам на движения континентов и их физическое значение, но сначала опишем, как сформировались Солнечная система и Земля.

Наше Солнце, планеты и малые тела Солнечной системы сформировались в обширном газовом облаке. Та часть облака, где это произошло, была очень холодной: около -260 °C. С астрономической точки зрения, облако было плотным (около миллиона атомов в кубическом сантиметре), непрозрачным и выглядело совершенно черным. Такие облака существуют в космосе и сегодня. В основном это газовое облако состояло из водорода и гелия с примесью около 1 % более тяжелых элементов. Некоторая часть вещества была в виде льда и минеральной пыли, например кристаллов оливина, графита, очень мелких алмазов и других минералов. Облако сжималось и при этом сплющивалось и ускоряло свое вращение, как балерина в пируэте, из-за сохранения углового момента (см. главу 15). Постепенно сформировался протопланетный диск, температура и плотность которого возрастали в направлении центра. Это как раз то место, где образовалось Солнце. В экваториальной плоскости диск тоже стал плотным, и там начали формироваться планеты.

Вблизи Протосолнца протопланетный диск был горячее, чем во внешних областях. К тому времени, когда большая часть пыли осела к экваториальной плоскости диска, температура на расстоянии будущей орбиты Земли повысилась до 700 °C. Когда горячее вещество протопланетного диска стало остывать, многие минералы начали кристаллизироваться. В зависимости от начальных условий, таких как температура и скорость остывания, образовывались различные типы кристаллов. Их до сих пор находят в метеоритах. Самое древнее вещество Солнечной системы обнаружено в углистых хондритах. Эти метеориты содержат очень древнее вещество двух типов: углеродные хондрулы — маленькие черные сфероидальные частицы; а второй тип — это кальциево-алюминиевые включения, которые бледнее и немного больше хондрул (вплоть до 1 мм).

Возрасты измеряют по изотопам различных элементов. Возраст метеоритов определяется по отношению изотопов U и Pb, изотопов Al и Mg и изотопов Rb и Sr. Соотношение изотопов Al/Mg дает относительный возраст, говорящий об истории протопланетного облака. Например, по распаду короткоживущего изотопа ²⁷Al можно определить, что разные хондрулы в метеорите образовались в одно и то же время, с точностью до 1 млн лет. Изотопы Rb/Sr также показывают относительный возраст молодой протопланетной туманности, но чаще их используют для исследования относительных возрастов индивидуальных метеоритов. Изотопы U/Pb дают абсолютный возраст, поскольку количество родительских и дочерних изотопов можно прямо измерить. Определив возрасты нескольких хондрул из метеорита, можно сказать, когда сформировался этот метеорит. Абсолютный возраст, полученный по углеродным хондрулам древних метеоритов, составляет 4,567 ± 0,001 млрд лет. Сейчас это наиболее точное значение возраста Солнечной системы.

Характерное время формирования планет было довольно коротким. Нужно помнить, что 50 млн лет — это всего лишь 1 % от возраста Солнечной системы. Как мы далее увидим, образование планетной системы было почти мгновенным, по крайней мере, в астрономическом и геологическом смыслах. Хотя еще не все детали изучены, но считается, что в целом формирование планет происходило так.

Частицы пыли начали слипаться в экваториальной плоскости протопланетного аккреционного диска. Эти конгломераты в течение нескольких тысяч лет выросли в большие рыхлые пылевые комья размером до 1 км. Двигаясь по орбитам внутри протопланетного диска, они собирали все больше пыли и сталкивались с другими подобными им комьями. Их гравитация усиливалась и делала их более компактными, освобождая таким образом пространство. Когда размер этих планетезималей достиг примерно 800 км, их собственное тяготение стало таким сильным, что они приняли сферическую форму. Это превращение не было внезапным, а происходило постепенно по мере роста тела. Примерно в это же время планета достаточно увеличилась, чтобы своим тяготением начать собирать из окружающего пространства пыль и газ и от этого расти еще быстрее.

На расстоянии современной орбиты Юпитера температура протопланетного диска настолько низкая, что лед остается замерзшим. Это означает, что там было больше твердого вещества для образования планеты. Юпитер продолжал расти и достиг массы в 30 раз большей, чем у Земли. При этом он обрел новое качество: формирующаяся планета стала настолько массивной, что ее тяготение способно было удерживать даже самые летучие элементы — водород и гелий. С ростом массы гигантская планета сгребает все вещество из окрестностей своей орбиты. Пыль, лед, камни и газ — все это увеличивает ее массу, пока не очистится пространство вдоль ее орбиты. От начала слипания пылинок и до окончания роста планеты проходит около 30 млн лет. То же самое, но медленнее, происходило и при формировании трех других планет-гигантов — Сатурна, Урана и Нептуна. А за орбитой Нептуна еще сохранилось оставшееся от образования планет вещество: пыль, астероиды, кометы и объекты пояса Койпера («плутоиды») размером до 1000 км.

Пока планеты росли и формировались, температура в центре Протосолнца продолжала повышаться. Когда она достигла примерно 4 млн градусов, начались ядерные реакции, и родилось Солнце. Определить точную дату этого события трудно. Возможно, оно произошло через несколько миллионов лет после оседания пыли к плоскости аккреционного диска. Мощное излучение Солнца, особенно сильное в ультрафиолетовом диапазоне, как у всех звезд типа T Тельца, а также солнечный ветер, представляющий быстрый поток вылетающих из Солнца частиц, очистили от остатков газа Солнечную систему.

По мере роста Земли она все реже сталкивалась со своими конкурентами, но все же несколько раз испытала весьма сильные столкновения с телами крупного размера. Земля почти полностью сформировалась всего через 50 млн лет после того, как ее исходное вещество (пыль) осело к экваториальной плоскости протопланетного диска. На этой стадии она уже собрала 95 % своей массы, но редкие сильные столкновения еще происходили. В результате одного из таких столкновений, как мы полагаем, возникла Луна.

До полетов «Аполлонов» обсуждалось несколько теорий происхождения Луны. Еще в 1909 году американский астроном со сложной и неоднозначной биографией Томас Си (Thomas J. J. See) предположил, что Луна была захвачена Землей. Другую теорию выдвинул в 1878 году Джордж Дарвин, сын Чарлза Дарвина. Он считал, что Луна оторвалась от расплавленной Земли в результате ее быстрого вращения. В 1892 году священник Осмонд Фишер предположил, что следы этого события сохранились в виде Тихого и Атлантического океанов. Но позже тщательные расчеты Ф. Р. Мультона и X. Джефриса показали, что с точки зрения физики эта теория неверна (хотя она сохранялась в учебниках до 1960-х годов). Согласно третьей теории, оба тела — Земля и Луна — сформировались в протопланетном диске в одно и то же время практически в одном и том же месте. Эту теорию развил в 1943–1946 годах академик Отго Юльевич Шмидт, а затем разрабатывали Виктор Сергеевич Сафронов и Евгения Леонидовна Рускол, которая и сейчас продолжает эту работу в Институте физики Земли имени О. Ю. Шмидта.

Полеты «Аполлонов» в начале 1970-х годов изменили взгляды на происхождение Луны, поскольку астронавты доставили образцы ее вещества. К всеобщему удивлению, породы из темных лунных морей оказались похожи на земные базальты, а из более светлых материковых областей — на земные анортозиты. Напомним, что анортозиты — это горные породы, преимущественно состоящие из одного из подвидов полевого шпата — плагиоклаза, наиболее часто встречающегося в земной коре. Большинство других лунных минералов тоже оказались похожими на те, которые встречаются в земной коре. Средняя плотность Луны равна 3,3 г/см³, что совпадает с плотностью океанской коры Земли. Это указывает, что Луна не может иметь большое и плотное железо-никелевое ядро, какое есть у Земли. Это подтверждается и отсутствием у Луны магнитного поля. В лучшем случае, железное ядро может составлять четверть массы Луны, тогда как в железном ядре Земли заключена половина массы планеты. Это указывает, что формирование Луны не могло происходить независимо от формирования Земли.

На этих фактах развилась новая теория, предполагающая, что Луна образовалась при почти касательном столкновении Протоземли с телом в десять раз менее массивным, размером с Марс (рис. 29.5). Столкновение было таким сильным, что оба тела расплавились, их ядра в конце концов слились, а выброшенное при ударе вещество частично упало обратно на Землю, а частично оказалось на орбите вокруг Земли и, собравшись вместе, образовало Луну. Совершенно очевидно, что это столкновение испарило любую атмосферу, которая могла сформироваться до столкновения. Лунные образцы показывают, что столкновение могло произойти 4,527 ± 0,010 млрд лет назад, то есть через 40 млн лет после начала формирования Земли.

Происходили и другие мощные столкновения. Хотя древняя атмосфера, вероятно, сначала была довольно толстой, ее разрушали неоднократные удары и окончательно уничтожил «последний сорвавший атмосферу удар». При этом он, похоже, расплавил и часть Земли.

Время этого столкновения измеряется по отношению изотопов благородных газов, таких как ¹²⁹Хе и ¹³⁰Хе (изотоп ¹²⁹Хе образуется при распаде ¹²⁹I, а ¹³⁰Хе стабилен). Этот удар случился 4,45 млрд лет назад, через 120 млн лет после того, как из осевшей к экваториальной плоскости протопланетного диска пыли начала формироваться Земля, и через 80 млн лет после удара, приведшего к образованию Луны.

Рис. 29.5. Схема, иллюстрирующая гипотезу рождения Луны в результате гигантского столкновения. Эту идею впервые опубликовали в 1975 году Уильям Хартман и Дональд Дэвис, а также независимо от них разработали Аластер Камерон (1925–2005) и Уильям Уод.

Описанные выше столкновения должны были происходить с объектами, двигавшимися по орбитам, близким к орбите Земли. Но в следующие примерно 800 млн лет во внутреннюю область Солнечной системы стало попадать огромное количество комет и астероидов, многие из которых сталкивались с Землей и Луной. Эту интенсивную бомбардировку производили малые тела, которые случайно сближались с планетами-гигантами, и те своим притяжением изменяли орбиты малых тел, направляя примерно половину из них во внутреннюю область Солнечной системы, а вторую половину выбрасывая за ее пределы. Эта очистительная акция, в основном произведенная Юпитером, повысила интенсивность столкновений в древности, но зато снизила ее в последующие эпохи, обеспечив благоприятную эволюцию для Земли и жизни на ней.

Трудно представить, как выглядела молодая Земля. Главные причины в ее высокой геологической активности, мощной эрозии и циклической переработке земной коры. Описанные выше методы радиохронологии в последнее время были усовершенствованы, и теперь с поразительной точностью можно датировать самые ранние процессы в эволюции Земли. Сейчас точность датировки геологических эпох составляет 1 млн лет и даже лучше на протяжении всей истории Земли. В табл. 29.2 представлена геологическая шкала времени (заметим, что два или более периодов составляют эру, а две или более эры — зон).

Таблица 29.2. Геохронологическая шкала (в миллионах лет).

Вспомним наше описание радиохронологического метода, использующего очень прочные кристаллы циркона (врезка 29.1). Самый старый на Земле кристалл циркона, возраст которого 4,2 млрд лет, был найден в области Джек-Хиллс в Западной Австралии, но он был в породах, уже претерпевших метаморфозы. Циркон сформировался еще до того, как эти породы частично расплавились и подверглись переработке. Древнейшие коренные породы возрастом 3,9 млрд лет обнаружены в Западной Гренландии. А в Южной Африке и Западной Австралии есть коренные породы возрастом 3,5 млрд лет. Большая часть континентов значительно моложе миллиарда лет, а возраст глубоководного дна океанов нигде не превышает 250 млн лет. Все это означает, что если вы хотите исследовать Землю в эпоху ее молодости, то количество мест, откуда можно взять геологические образцы, весьма ограничено. Как уже говорилось, датирование важных событий прошлого, основанное на соотношениях изотопов, дает нам очень надежную систему измерения. Комбинируя данные по метеоритам, астрономическим туманностям, динамическим исследованиям Земли и изотопным исследованиям земных минералов, мы получаем приведенную ниже картину.

Начиная с момента формирования протопланетного диска, примерно 4,5б7 млрд лет назад, тело Земли быстро растет. Вещество было уже горячим, его температура составляла 750 °C. Когда радиус Земли достиг 1000 км, вещество в ее недрах начало расслаиваться. Железо и более тяжелые элементы утонули и образовали ядро, а кремний и более легкие элементы устроились ближе к поверхности. Земля собирала и газы, часть из которых сформировала протоатмосферу, возможно, состоящую из Н₂, НO₂, СO₂, СО и N₂. Часть этой атмосферы тут же улетучивалась, а часть была сорвана во время сильных столкновений. Но значительная часть газов проникла внутрь Земли, например в виде воды, связанной в гидратированных минералах. Энергия, выделявшаяся в процессе формирования, задерживалась водяным паром — очень эффективным парниковым газом. Поэтому поверхность молодой Земли была горячей, около 1700 °C, и вся покрыта океаном магмы из расплавленных горных пород.

Земля остывала за счет инфракрасного теплового излучения. Примерно через 250 млн лет в некоторых местах поверхности, где температура опустилась до 550 °C, жидкий океан лавы начал твердеть. Сформировалась тонкая твердая кора, которую время от времени пробивали астероиды и кометы. Земля остывала. Когда температура упала примерно до 250 °C, начался долгий дождь. Образовался первый океан, покрывший всю поверхность. Поскольку вода из атмосферы переместилась в океан, парниковый эффект ослаб и давление атмосферы существенно уменьшилось. Условия на Земле сильно изменились. Давление воздуха снизилось раз в десять, и температура сильно упала. Оставшаяся у Земли атмосфера теперь в основном состояла из азота (N₂) и двуокиси углерода (СO₂). Таким мы видим процесс формирования Земли.

Земля продолжала остывать, начали рождаться вулканы, некоторые из них поднялись над поверхностью воды. Горячая базальтовая лава выливалась из вулканов, смешивалась с водой и образовывала минералы, содержащие связанную воду, такие как серпентин. Росли скальные образования. В некоторых местах они становились слишком высокими, тонкая кора не выдерживала их веса, и они проваливались в мантию. Там они частично плавились при относительно невысоких давлениях и температурах, в результате более легкие породы, чем базальтовое основание, отделялись от базальта. Эти породы низкой плотности начинали «плавать» по океану, постепенно превращаясь в континенты. Первые свидетельства об океанах и возможных континентах были получены по цирконам из Джек-Хиллс, и возраст их составляет 4,2 млрд лет, они возникли всего через 400 млн лет после формирования нашей планеты.

Скорость эрозии этих молодых континентов, вероятно, была очень высокой, может быть, в миллион раз выше современной из-за высоких температур и высокого парциального давления СO₂. Эрозия силикатных пород оказалась весьма эффективной для удаления двуокиси углерода из атмосферы и перемещения ее в мантию. Кальций выделялся из Са-силикатов земной коры в результате эрозии и переносился в море. Благодаря высокому парциальному давлению СO₂ в море карбонаты осаждались и, следовательно, содержание СO₂ в атмосфере уменьшалось. В зонах субдукции (похожих на современное тихоокеанское побережье Северной и Южной Америк) эти отложения опускались в мантию. Но позже двуокись углерода возвращалась в атмосферу при извержении вулканов. Континенты росли, и в какой-то момент начались тектонические движения. Пусковым механизмом для них мог стать подъем горячих конвективных ячеек из мантии или приливные силы близкой Луны и раскол земной коры.

В последние годы было надежно доказано и измерено движение тектонических плит, которое происходит с характерной скоростью «сантиметры в год». Например, Атлантический океан расширяется со скоростью от 2,2 см/год (Северная Атлантика) до 3,5 см/год (Южная Атлантика). На юго-востоке Тихого океана платформа Наска удаляется от Тихоокеанской платформы с рекордной скоростью 15 см/год, образуя новое океанское дно из базальта. Наряду с расширением океанского дна происходят и другие движения. В Калифорнии Тихоокеанская плита скользит вдоль края Североамериканской плиты со скоростью 5 см/год. В Индонезии Австралийская плита подныривает под Евразийскую плиту (около 6 см/год). Более легкие по составу, континенты, можно сказать, плавают в более плотных породах морского дна. Все это означает, что вещество морского дна гораздо моложе континентов.

В некоторых местах плиты сталкиваются. Эти области сейсмически активны. Если сталкиваются два континента, то они образуют высокие горы (Гималаи, Альпы). Там не наблюдается высокой вулканической активности. Горы появятся и в областях субдукции, где морское дно погружается под континентальную плиту. В этом случае прежнее морское дно частично плавится в мантии и обретает положительную плавучесть; так постепенно образуются вулканические цепи, такие как Малые Антильские острова в Карибском море или Огненное кольцо, окружающее Тихий океан и включающее Анды, Сьерра-Неваду и Каскадные горы.

Мы не можем «увидеть» недра Земли, но, к счастью, существует естественный инструмент для изучения ее строения, сейсмические волны. Они возникают при землетрясениях и регистрируются сейсмическими станциями, расположенными во многих местах Земли. На рис. 29.6 показана Земля в разрезе: ее три основных составляющих — кора, мантия и ядро.

Кора (0-40 км) — самая внешняя часть твердой Земли. Над корой расположены гидросфера, биосфера и атмосфера. В основном кора состоит из силикатов и обогащена элементами Si, Al, K и Na. Она очень тонкая, всего 10 км под океанами, но под континентами ее толщина может достигать 40–50 км. Океанская кора немного плотнее, чем континентальная, из-за того, что она обогащена Fe и Mg-силикатами.

Рис. 29.6. Внутреннее строение Земли.

Мантия (40-2890 км) делится на верхнюю и нижнюю мантию. В мантии происходит конвективное движение горных пород и минералов: холодные части тонут, а горячие всплывают.

Что касается тектоники, то верхняя часть мантии лишь частично расплавлена: ее верхние примерно 100 км почти твердые. Эту ее часть вместе с корой называют литосферой. Толщина литосферы может доходить до 200 км под старыми континентами, а под океанами она тянется в глубину всего на несколько десятков километров. Литосфера «плавает» на более «пластичном», но не жидком слое — астеносфере.

Ядро (2890–6370 км) в основном состоит из железа и никеля. Внешнее ядро на глубинах 2890–5150 км жидкое, а внутреннее радиусом примерно 1220 км твердое из-за очень высокого давления. Интересное совпадение: температура в центре Земли такая же, как в фотосфере, то есть на видимой поверхности Солнца, — около 5500 К.

Конвекция во внешнем жидком ядре довольно сильная, быть может, в миллион раз сильнее, чем в мантии. Поскольку вещество внешнего ядра имеет высокую проводимость, получается интересная среда, где быстро движущиеся и вращающиеся электрические поля взаимодействуют друг с другом. Это приводит к генерации магнитного поля. Источником энергии для конвекции служит тепло радиоактивного распада во внутреннем ядре.

Земля уникальна среди планет ее типа в том смысле, что у нее довольно сильное магнитное поле. У Меркурия, Венеры, Марса и Луны такого поля нет. Меркурий, Марс и Луна настолько малы, что у них нет твердого внутреннего ядра. В отношении Венеры полного понимания пока не достигнуто. По массе она близка к Земли, поэтому должна иметь похожее внутреннее строение. У нее должно быть магнитное поле, как у Земли, но его нет. Венера вращается очень медленно, совершая один оборот вокруг оси за 243 земных суток, и это может подавлять процесс генерации поля в ядре; либо Венера лишена твердого ядра, поскольку поток тепла из ее ядра, по-видимому, меньше, чем из ядра Земли.

Климат планеты определяется ее радиационным балансом и парниковым эффектом, обусловленным ее атмосферой (впервые об этом эффекте заговорил Жозеф Фурье в 1820-х годах). Температуру Земли можно вычислить, сложив энергию, полученную от Солнца и от источников в земных недрах, и вычтя из этой суммы энергию излучения, покидающего поверхность Земли. Предположим для начала, что у нашей планеты нет атмосферы. Тогда для современной Земли мы получим температуру -20 °C. Оказывается, наша планета и в самом деле должна быть ледяным миром! Так было бы, если бы не существовало атмосферы или если бы она состояла из чистого азота (с кислородом или без). Вычисленная нами температура на 35 °C ниже, чем реальная средняя температура Земли +15 °C.

Когда Земля была моложе, скажем, 2,5 млрд лет назад, Солнце светило не так ярко: от него поступало на 10 % меньше энергии. Это означает, что температура могла быть еще ниже, примерно -28 °C. Но из геологических данных известно, что Земля большую часть своей истории была свободна от льда. Планете требовалось какое-то «одеяло», чтобы поднять температуру хотя бы чуть выше точки замерзания. Разумеется, это было газовое одеяло толщиной несколько километров, состоящее из парниковых газов — воды, двуокиси углерода и метана. Содержание каждого из этих газов менялось со временем.

Теплосберегающее воздействие парниковых газов было очень важно для жизни на Земле как в древние времена, так и сейчас. Парниковый эффект возникает следующим образом. Солнечное из-лучение нагревает Землю. Нагретая Земля сама начинает излучать, но в основном в длинноволновой инфракрасном диапазоне (а еще и некоторая доля солнечного инфракрасного излучения отражается от поверхности Земли). Часть испущенной в инфракрасном диапазоне энергии поглощается парниковыми газами, которые затем переизлучают ее во всех направлениях. Часть этого излучения уходит в космос, а другая часть нагревает нижние слои атмосферы. Этот нагрев и есть парниковый эффект. Сейчас он составляет около 35 °C, что совсем не мало. Половина эффекта возникает из-за водяного пара (но не облаков!), примерно одна пятая из-за двуокиси углерода, а остальное в основном обязано метану и озону, а также и некоторыми другими малым компонентам парникового газа. Нужно отметить, что молекулярный кислород, молекулярный азот и водород не являются парниковыми газами, так как не поглощают инфракрасное излучение.

Наша планета сейчас пребывает в состоянии равновесия. В эпохи, когда количество парниковых газов уменьшалось, Земля сползала в состояние оледенения, из которого ее выводила вулканическая активность. Но сложись все по-другому, мы бы могли оказаться перед лицом серьезной угрозы: парниковый эффект нагревания мог бы пойти вразнос.

Изменение температуры на пару градусов в любую сторону при наличии парникового эффекта может иметь серьезные последствия. Например, существенное уменьшение содержания водяного пара в атмосфере может привести к быстрому понижению температуры. А внезапное таяние метановых клатратов в глубинах морей вызовет рост содержания метана в атмосфере, что усилит парниковый эффект. Сейчас наибольшее внимание уделяется прогнозам глобального потепления из-за роста концентрации СO₂. Среднее содержание СO₂ увеличилось за 20 лет примерно на 30 ppm (parts per million = миллионных частей) и сейчас достигло уровня около 390 ppm. Такой рост С0₂ считается очень серьезным. Простой расчет поможет нам оценить его влияние на среднюю температуру. Предполагая, что пятая часть парникового эффекта обусловлена СO₂, мы можем оценить его вклад примерно в 35 °C/5 — 7 °C. Через 20 лет относительное увеличение СO₂ составит около 8 %. Перемножив эти числа, получим, что рост содержания двуокиси углерода в ближайшие 20 лет увеличит парниковый эффект на 0,6°! Это дает представление о серьезности проблемы. Увеличение температуры на 3° привело бы к драматическим последствиям для всей природы, включая род человеческий, поскольку изменились бы источники чистой воды, повысился бы уровень океана и начались бы проблемы с урожайностью.

Наш расчет упрощен и не учитывает многие явления, существующие в реальной природе и обеспечивающие механизмы обратной связи, такие как изменение облачности, величины капель воды, аэрозольных составляющих, а также взаимодействие рассеянной ветром морской воды с атмосферой и взаимные связи разных составляющих атмосферы, возникающие на разных временных интервалах. Не говоря уже о некоторых особых связях, таких как взаимодействие между атмосферой, Антарктическим и Гренландским ледяными щитами и приповерхностными и глубоководными океанскими течениями. Нужно также учитывать и медленное изменение светимости Солнца. Многие эти факторы уже включены в программы моделирования климата в пределах возможностей компьютеров, но даже наша грубая оценка дает значение, довольно близкое к наблюдаемому. Модели прогноза климата очень сложны и в настоящее время могут, в лучшем случае, давать более или менее правдоподобные оценки, но в целом все они сходятся в том, что температура возрастет на 1,5–4,5 °C за ближайшее столетие.