ЧАСТЬ II — ВОЗДУХ
Земля обрамляет нашу жизнь. Именно на Земле мы выращиваем культуры,
Строим дома, проживаем жизнь и хороним умерших.
Углерод в своих бесконечно разнообразных кристаллических формах, в богатстве своего минерального царства и в открытиях новых материалов представляет суть Земли.
Земля не существует в изоляции. Твердую Землю окружает, обволакивает мягкая, легкая, невесомая сфера, называемая Воздухом.
Воздух появляется как ребенок Земли. Газы из вулканических ран выходят в небо — прозрачный голубой защитный покров.
Воздух защищает нас от ужасающей пустоты космоса, сохраняя температуру нашей планеты и поддерживая жизнь.
Но вызванные человеком изменения, возможно, влияют на Воздух неизвестным пока образом.
Изумление и беспокойство — конфликтующие чувства, которые мы испытываем, размышляя о прошлом, настоящем и будущем нашей планеты.
ИНТРОДУКЦИЯ — До воздуха
Углерод циклично перемещается от одной сферы Земли к другой в бесконечном танце. Атмосфера, гидросфера, биосфера, литосфера — все содержат свою долю шестого элемента и все участвуют в глобальном цикле углерода. Так происходило на протяжении более чем 4,5 млрд лет, хотя природа и масштаб цикла за это «глубокое время» изменились и многие подробности перемещения углерода остаются скрытыми из вида.
Сегодняшняя Земля — знакомый нам «бело-голубой мраморный шарик»[25], живой мир, — мало напоминает планету в ее детстве. Юной Земле, ее разрушенному каменистому ландшафту не хватало обволакивающей колыбели воздуха. Наш дом был рожден из пыли — широко разлетевшейся и разреженной и едва ли являющейся тем материалом, из которого вы бы решили создать приличную каменистую планету{74}. Но космос располагает огромным количеством пыли, а пыль имеет тенденцию скапливаться (если вы время от времени убираете за шкафом или под кроватью, вам это хорошо известно). Так вот, по мере того как Протосолнце разгоралось, посылая внутрь Солнечной системы облагораживающие импульсы тепла, первичная пыль переплавлялась в крошечные капли, называемые хондрами, как уже говорилось выше. Когда эти липкие капли стали объединяться, родилось первое поколение космических каменных тел. Из пыльной туманной среды образовались галька размером с виноградину, булыжники размером с кулак и более крупные камни, соизмеримые с автобусами или даже зданиями. Вокруг слабого молодого Солнца вращались бесчисленные камни, сталкиваясь и группируясь в более крупные зарождающиеся миры.
Во всем этом солнечном царстве господствовала гравитация. Бо́льшие массы неумолимо притягивали меньшие, захватывая их в свои гравитационные колодцы и проглатывая целиком, слизывая подчистую свободные космические пончики. Вращаясь на расстоянии 145 млн км от все еще растущего Солнца, Протоземля оказалась самой крупной из этих соревнующихся планетезималей. Какое зрелище должна была представлять собой зарождающаяся Земля! Более 4,5 млрд лет назад на растущий мир, который станет нашим домом, падали дождем бесчисленные камни. Несясь быстрее пули, эти камни при каждом столкновении выделяли кинетическую энергию, которая преобразовывалась в обжигающее тепло и ослепительный свет, разбрызгивая огромные фонтаны раскаленной магмы высоко над огненно-красной расплавленной поверхностью. В растущую раскаленную сферу подбрасывались неровные куски железо-никелевого сплава, горы силикатов, огромные пушистые, насыщенные водой снежки и отдельные черные, обогащенные углеродом каменные глыбищи.
Грандиозные физические процессы с понятными лишь избранным названиями — аккреция и дифференциация, фракционирование и конденсация, кристаллизация и конвекция — преобразовали новорожденную Землю, представлявшую собой похлебку из всякой всячины, в более «целесообразный», химически упорядоченный земной шар. Дифференциация под управлением гравитации привела Землю в состояние слоеного структурированного мира, самые плотные компоненты которого — главным образом смесь расплавленных железа и никеля — погрузились в центр, чтобы сформировать ядро. Углерод, возможно, все еще играл некоторую роль в той глубокой и полностью недоступной области, сглаживая огромную разницу в плотности между ядром и мантией и изменяя физическое состояние того скрытого царства, но мы даже близко не представляем себе деталей этой истории. Однако можем быть уверены, что углерод ядра, если он на самом деле присутствует там, на глубине более 5000 км, не играет особой роли в воздухе, которым мы дышим.
Толстая каменная мантия Земли окружает железное ядро, как сочная мякоть персика — его твердую косточку. Минералы, насыщенные более легкими элементами — кремнием, магнием и кислородом, преобладают в верхних 3220 км Земли. При экстремальных условиях в самой глубине мантии, где давление превышает 1 млн атм, мантийные породы плотнее, нежели их близповерхностные эквиваленты. Тем не менее эти породы «плавают» по поверхности гораздо более плотного жидкого металлического внешнего ядра, подобно тому как галька легко плавает по лужице плотной жидкой ртути.
Прерывистое, частично отражаемое прохождение высокоскоростных звуковых, или сейсмических, волн сквозь твердую породу указывает на наличие большего количества скрытых слоев. В направлении от ядра к поверхности Земли мантия разделена на три широкие сферические зоны. Почти недоступная нижняя мантия простирается вниз с глубины примерно 670 км до границы ядра и мантии на глубине почти 2900 км и занимает более половины объема Земли. Переходная зона средней плотности — слой Голицына — образует сравнительно узкую оболочку на глубинах от 410 до 670 км, а верхняя мантия доходит почти до поверхности Земли.
Внешние оболочки Земли — кора, океаны и атмосфера — ее тончайшие зоны, вроде скорлупы на яйце. В совокупности они занимают менее 160 км при 6371-километровом радиусе Земли и содержат в себе только порядка 1% ее массы. Зато эти поверхностные слои отличаются наибольшим химическим разнообразием, так как концентрируют многие из тех редких элементов, которые не находят удобного кристаллического дома в более глубинных минералах. Эти внешние слои также самые разнообразные по толщине. Океаническая кора простирается местами всего лишь на 8–9 км вглубь, в то время как толщина континентальной коры под самыми высокими горными хребтами может составить более 80 км.
Исследовать недра на глубинах более нескольких километров напрямую оказывается не под силу ни одной из современных технологий, но ученые изобрели другие средства, чтобы понять Землю. Мы собираем камни, зачерпываем воду и берем образцы воздуха во время наших экспедиций — полевых работ — на всех континентах, от экватора до полюсов. И каждый уголок земного шара повествует об одном и том же: камни, вода, воздух и жизнь эволюционировали совместно в течение миллиардов лет истории Земли. И каждая из этих материальных сфер является важным местом привала, на который располагается углерод во время своего динамичного глубинного земного цикла.
АРИОЗО — Происхождение земной атмосферы
Атмосфера согревает Землю. Она защищает нас от жесткого солнечного излучения. Она поддерживает нас, обеспечивая кислородом, которым мы дышим, и водой, которую мы пьем. Воздух также хранит огромные запасы углерода, используемого растениями, которые мы едим. Но Земля при рождении и в младенчестве не имела атмосферы. Воздух должен был появиться, вырасти из ничего. Как?
Чтобы узнать это, давайте перенесемся на 4,5 млрд лет назад — в эпоху, когда планеты все еще формировались, Солнечная система пребывала в хаосе, а углеродный цикл Земли только начинал складываться.
Земля получает углерод из космоса
Итак, мы на 4,5 млрд лет в прошлом. Протоземля образовалась как единое целое. Начала формироваться ее многослойная структура, состоящая из ядра, мантии и коры. Вместе с каменным дождем на Землю попали десятки химических элементов, большинство из которых — редкие{75}. В смеси компонентов доминируют несколько минералообразующих элементов: железо, кремний, магний и самый распространенный из них, дающий 90% общей массы, — кислород. Кальций, алюминий, никель и натрий составляют 90% остального. Прочее богатство Периодической таблицы встречается в меньших количествах — несколько атомов на тысячу азота и фосфора, несколько атомов на миллион лития и фтора и несколько атомов на миллиард бериллия и золота.
Земля и другие планеты земной группы — Меркурий, Венера и Марс — сформировались ближе всех к Солнцу, безжалостный жар которого испарил большинство газов. Потому-то эти каменистые внутренние планеты предпочли элементы, из которых могли образовываться твердые минералы. Самые же распространенные элементы космоса — газообразные водород и гелий — были в основном отброшены мощными солнечными ветрами далеко (на расстояние более 0,5 млрд км) от Солнца: в область газовых планет-гигантов Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна.
В космическом масштабе водород и гелий всегда составляют самую большую долю — 99% всех атомов. Из оставшегося 1% атомного вещества, которое формирует каменистые планеты, ключевую роль играют атомы углерода. Из атомов, не являющихся водородом или гелием, каждый четвертый — атом углерода. Только железо и кислород более распространены среди планетообразующих остатков. Однако в отличие от железа и кислорода большинство атомов углерода на ранних этапах истории Вселенной оказались заперты в маленьких летучих молекулах — углекислого и угарного газов, а также метана. В результате получилось, что запасы земного углерода скудны, но не понятно насколько: наше наиболее вероятное предположение — не более одного атома на сотню.
Весь углерод Земли пришел из космоса, из трех главных источников. Некоторое его количество было привнесено солнечным ветром, обогащенным углеродсодержащими газами Солнца. Более заметная доля пришла на Землю в составе черных богатых углеродом метеоритов, которые до сих пор время от времени падают с неба{76}. Эти удивительные камни доставили сюда также все виды органических молекул: нефтеподобные углеводороды и спирты плюс основные биомолекулы, а именно аминокислоты, сахара, пурины и пиримидины, которые играют существенные роли в ДНК и РНК, — все в собранном виде, готовые к химическим преобразованиям. Но самый важный вклад в растущие запасы земного углерода внесли кометы, исключительно богатые небольшими молекулами газов, в частности угарного и углекислого. Нельзя не упомянуть также, что кометы принесли и огромное количество воды, из которой образовались земные океаны.
Значительная часть этих запасов углерода циркулировала в составе флюидов глубоко под поверхностью, подвергаясь там температурам, достаточным для разделения большого скопления разных атомов на их простейшие молекулярные компоненты — азот, воду и углекислый газ. Так начался круговорот земного углерода. Поскольку горные породы в твердом состоянии не могут долго удерживать горячие, находящиеся под давлением подвижные флюидные потоки, те начали пробиваться к поверхности всевозможными путями. Они продвигались, растворившись в расплавленной породе — раскаленной магме, которая прокладывала себе путь наверх, используя любую трещину или щель. Недалеко от поверхности — возможно, на глубине 1 км или меньше, где давление падает ниже критического значения, — горячие потоки преобразовывались во взрывообразно расширяющийся газ. Подобно шампанскому из откупоренной бутылки, газы и измельченные в порошок камни вырывались наружу, создавая горячие фонтаны золы и воздуха. В более холодных зонах эти легкие подвижные молекулы также должны были подниматься сквозь кору, находя любой путь и постепенно заполняя огромные пространства покорной Земли. Освобожденная при этом вода стала первыми океанами, а газы — первым воздухом.
Никто не знает состава первичной атмосферы Земли{77}. Химически нейтральный газ, который доминирует в нынешнем воздухе, — изначально азот в форме молекул N2 с небольшой примесью аргона — безусловно, присутствовал с самого начала. Атмосфера Земли должна была подождать более 2 млрд лет, пока не накопится благотворный для жизни химически активный кислород O2, другой ее главный современный компонент. В первоначальной смеси должны были содержаться и зловонные вулканические, содержащие серу газы, такие как сероводород (H2S) и сернистый газ (SO2). В раннюю атмосферу Земли вошли также газы, насыщенные углеродом.
Углерод атмосферы сконцентрирован в составе трех простых молекул. Углекислый газ CO2 в наши дни заслужил множество публикаций в прессе (в большей их части он плохой). Это простая молекула — атом углерода в ней встроен в середину аккуратного ряда между двумя атомами кислорода. При низких температурах внешнего космоса углекислый газ, замерзая, может образовывать чистые бесцветные кристаллы, известные как сухой лед. На Земле CO2 — доминирующий в атмосфере углеродсодержащий газ. Его концентрация составляет, согласно последним измерениям, 400 частей на миллион и продолжает повышаться с каждым годом.
Вдали от звезд и планет, в глубоком космосе, где изолированные атомы находят друг друга лишь изредка, единичный атом кислорода может соединиться с единичным атомом углерода в угарный газ CO — одну из самых распространенных молекул космического пространства. Угарный газ всегда был второстепенным компонентом атмосферы Земли — менее одной части на миллион в воздухе, которым мы дышим сегодня. В нашей повседневной жизни угарный газ представляет реальную опасность, потому что он легко образуется при неполном сгорании углеродных видов топлива. При сгорании такого топлива углерод всегда соединяется с кислородом, но если перекрыть поток воздуха к вашей печи или камину, то кислорода для образования углекислого газа окажется недостаточно и ваш дом наполнится угарным газом. Последствия станут катастрофическими.
Угарный газ коварен, потому что он бесцветный и не имеет запаха, вследствие чего наши тела принимают его за кислород O2. Но, в отличие от кислорода, который мы быстро усваиваем при вдохе, угарный газ блокирует человеческое дыхание. Нехватка кислорода вызывает медленную потерю сознания. Мозг умирает, а затем умираете вы.
Третья простая углеродсодержащая молекула в атмосфере Земли — это метан CH4, который вы оплачиваете как «природный газ», когда готовите еду или отапливаете свой дом. Это изящная маленькая молекула с центральным атомом углерода, окруженным пирамидой из четырех атомов водорода. Современная атмосфера Земли содержит лишь следы метана — всего две части на миллион, но, как мы увидим, этого достаточно, чтобы были последствия.
Воздух — пуск остановлен
В каком-то смысле все равно, смесь чего была в самой древней земной атмосфере, поскольку в одно шокирующее мгновение почти 4,5 млрд лет назад защитное воздушное покрывало нашей планеты оказалось стерто с лица Земли.
В самой глубокой древности история атмосферы Земли была наполнена драмой. Огромные вулканы выбрасывали из глубоких недр пар и воздух даже в те времена, когда из космоса дождем сыпались обогащенные летучими веществами кометы. По мере того как толщина окутывающего планету газового слоя увеличивалась, на атмосферу обрушивались удары гигантских камней из космоса, время от времени разрушая внешние границы Земли. Эти стремительные космические камни, диаметр которых иной раз доходил до сотни километров, возможно, крушили и перемешивали внешние слои Земли, но были не в состоянии остановить неуклонную дифференциацию тверди, воды и воздуха.
Но одно столкновение стало исключительным — гораздо большим по площади и намного более разрушительным, чем любое другое событие в истории Земли. В течение десятков миллионов лет, в те времена, когда планеты Солнечной системы образовывались и соревновались за орбитальное пространство, у Земли был достойный соперник планетарных масштабов — имя ему дали Тейя в честь древнегреческой богини, матери Луны. Будучи, возможно, крупнее Марса, но гораздо меньше все еще растущей Земли, Тейя боролась за то же орбитальное пространство, что и наша планета. Какое-то время — может быть, даже несколько десятков миллионов лет — Земля и Тейя исполняли свой опасный танец на расстоянии. Прохождение же поблизости друг от друга, вероятно, вызвало смещение их орбит-близнецов, что привело к неизбежной последней дуэли{78}.
Законы гравитации, диктующие эволюцию солнечных систем, гласят, что две планеты никогда не могут делить одно орбитальное пространство. В какой-то точке они подойдут слишком близко друг к другу, и, когда это произойдет, уверенно делайте ставку на более крупный объект.
В один трагический день — наша планета тогда была еще младенцем около 50 млн лет от роду — Тейя ударилась о Землю. Некоторые модели этого события предполагают прохождение по касательной. Но даже этот почти скользящий удар оказался фатальным для Тейи. Итогом стало ее полное уничтожение: будь у этого планетарного спектакля космический свидетель, наблюдающий с безопасного расстояния, его бы заворожило зрелище того, как Тейя развалилась на части и в основном испарилась, раскаленная добела в смертельных муках.
Вам вполне можно простить, если, наблюдая такую катастрофу, вы бы и не заметили, что еще одной жертвой столкновения стала разреженная атмосфера Земли. Все молекулы воздуха были вытеснены, главным образом выброшены глубоко в космос, чтобы никогда больше не вернуться к уже выигравшей поединок третьей от Солнца планете. Более заметным оказалось огромное светящееся облако испарившихся от удара горных пород — смесь раскаленных обломков мантий Тейи и Земли. Значительная доля этого месива упала обратно в омывающий Землю океан магмы в виде проливных дождей из раскаленных докрасна расплавленных капель. Оставшаяся часть улетела на орбиту, чтобы вскоре собраться в спутник Земли Луну[26].
Пришло время начинать все сначала. Гигантская кнопка перезагрузки, при нажатии которой образовалась Луна, также запустила заново и образование атмосферы Земли. И вот тогда-то глубинный углеродный цикл заработал всерьез.
Подсказки о самой древней атмосфере Земли
Процесс формирования атмосферы происходил более 4 млрд лет назад. Геологи недаром называют неустоявшиеся первые полмиллиарда лет Земли гадейским эоном[27]. Если бы вы отважились оказаться на той обновленной поверхности Земли, у вас бы создалось непреодолимое ощущение неумолимо жестокой и враждебной среды. Сложно сказать, чего стоило опасаться больше — непрекращающегося каменного дождя с неба или беспощадного взрывного вулканизма из глубины. Тем не менее два этих бедствия в совокупности доставили в воздух углерод и запустили углеродный цикл Земли. Новая атмосфера буквально пролилась с небес и изверглась из глубин.
Есть ли у нас возможность узнать природу той эфемерной атмосферы, которая окутывала Землю более 4 млрд лет назад? С тех далеких времен до сегодняшнего дня дожили лишь редкие бесценные микроскопические песчинки отдельных минералов, а также совсем небольшое количество горных пород возрастом более 3,5 млрд лет, сохранившихся в удаленных регионах Австралии, Канады, Гренландии и Южной Африки. Но эти разрозненные кусочки ничего не могут рассказать о природе древнего воздуха.
Тем не менее подсказки о древнем воздухе существуют. О том, что же там могло быть, нам намекают три линии свидетельств от трех разных научных областей — астрофизики, геохимии и планетологии.
Подсказка №1 — Слабое молодое Солнце{79}
Первая раскрывающая суть подсказка о гадейской атмосфере Земли пришла из источника, кажущегося не очень-то вероятным: от физиков, которые изучают эволюцию звезд. Специалисты по астрофизике звезд сообщают нам, что Солнце, как и многие другие звезды, находится сейчас в середине периода стабильности. В течение этого периода, продолжающегося миллиарды лет, звезды наслаждаются спокойствием, размеренно потребляя водород, который в реакциях ядерного синтеза преобразуется в гелий. Взгляните на ночное небо. Девять из каждых десяти звезд, которые вы видите, сжигают водород в реакциях ядерного синтеза, при этом лишь доля процента их водородной массы преобразуется в тепло и свет. Результат этих реакций — именно то, что мы видим и ощущаем как солнечный свет.
Но тут есть загвоздка. Сжигающие водород звезды меняются так медленно, что их сияние остается неизменным долгое время. Изменения невозможно заметить не то что за сотни — за миллионы лет. Тем не менее за миллиарды лет Солнце стало гораздо ярче. Более 4 млрд лет назад наша звезда излучала только 70% сегодняшней мощности. Это огромная разница; если бы такое уменьшение излучающей энергии Солнца произошло в наши дни, оно имело бы немедленные и катастрофические последствия. Земля бы замерзла, лед распространился от полюсов к экватору. Жизнь почти прекратила бы свое существование, остались бы только небольшие локальные колонии простых организмов, впившиеся в теплые влажные зоны рядом с горячими вулканическими жерлами.
В размышлениях о временах того слабого Солнца 4 млрд лет назад нам бы следовало удивляться, как это Земле удалось не покрыться льдом. Те несколько минералов и каменных обломков, которые дожили до нашего времени с первого полумиллиарда лет Земли, определенно не указывают на замерзший мир.
Самым правдоподобным объяснением представляются парниковые газы. Аналогично тому как теплица у садовника может оставаться теплой даже в холодные зимние дни, некоторые атмосферные газы обладают способностью поглощать и захватывать солнечную энергию, уменьшая количество тепла, излучающегося обратно в холодный космос. Водяной пар и облака всегда были частью парникового баланса; сегодня на Земле они отвечают почти за половину жизненно важного парникового эффекта, который сейчас не дает нашей планете замерзнуть. Но одних только молекул воды недостаточно, чтобы компенсировать слабость молодого Солнца. Чтобы захватить достаточно тепла, Земля нуждалась в других молекулах — углеродсодержащих.
Подсказка №2 — Геохимия
Если более 4 млрд лет назад Земле не давали стать замерзшей планетой большие запасы парниковых газов, то где они сейчас? Геохимики, проводящие глобальную инвентаризацию химических элементов Земли, указывают на распространенные сегодня на всех континентах огромные залежи карбонатных минералов, которые не образовались бы в таком изобилии 4 млрд лет назад. Между карбонатами и атмосферным CO2 долгое время существовало равновесие: каждая молекула карбоната в коре — это минус одна молекула углекислого газа в воздухе. Вывод таков: 4 млрд лет назад, когда карбонатных минералов было меньше, бо́льшая часть углерода сидела взаперти в молекулах CO2 атмосферы, а давление воздуха, возможно, в несколько раз превышало нынешние значения.
Некоторые геохимики подозревают в этом сценарии небольшую проблему: они считают, что насыщенная углекислым газом атмосфера была основательно дополнена метаном — газом, который мог быть гораздо более распространен в атмосфере до того, как 2,5 млрд лет назад в ней вдруг резко увеличилось содержание кислорода. Метан — это мощный парниковый газ, каждая молекула которого во много раз эффективнее молекулы CO2. Это изобилие метана могло бы купаться в космических лучах, инициируя различные органические химические реакции и образуя молекулярную дымку, которая, возможно, придавала юному небу Земли отчетливый оранжевый оттенок — такой, как наблюдается на спутнике Сатурна Титане сегодня.
Если бы такая плотная атмосферная смесь углекислого газа и метана внезапно окружила сегодняшнюю Землю, климат бы резко изменился, приблизившись к небывалым условиям оранжереи. Это вопрос равновесия. Парниковый эффект необходим для жизни — без него современная Земля замерзла бы от полюсов до экватора. Но слишком много парниковых газов означает, что удерживается слишком много тепла. Есть вероятность, что мы достигнем атмосферного переломного момента, когда потепление будет освобождать все больше и больше метана и углекислого газа из почвы и пород, что в свою очередь приведет ко все большему потеплению: возникшая положительная обратная связь может спровоцировать возникновение необратимого и неконтролируемого парникового эффекта.
Что бы произошло, если бы все карбонатные минералы в земной коре преобразовались в атмосферный углекислый газ? Что бы произошло, если бы этот огромный резервуар с более чем 200 млн млрд т углерода — в 100 000 с лишним раз больше его содержания в современной атмосфере — внезапно превратился в газовый? Ответ очевиден: Земля стала бы подобна Венере{80}. Венера во многих отношениях является планетарным близнецом Земли — тот же размер, та же плотность и тот же основной химический состав. Но сочетание двух факторов — ее орбиты, расположенной на 40 млн км ближе к ослепительному Солнцу, и плотной существенно углекислой атмосферы, давление которой в 90 раз больше, чем на поверхности Земли, — привело к бесконтрольному парниковому эффекту. Средняя температура поверхности Венеры составляет 480 °C — вполне достаточно, чтобы расплавить свинец.
Возможно, Земле просто повезло. (Поэтому мы и назвали свою зону обитаемости планетой Златовласки[28].) Если это так, то углерод был главной тому причиной.
Подсказка №3 — Метеориты с Земли{81}
Третья, гораздо более умозрительная, линия свидетельств — метеориты с древней Земли — может выявить тонкие детали ранней земной атмосферы. Эта идея не такая сумасшедшая, как выглядит со стороны. Более сотни метеоритов были идентифицированы как пришедшие с Марса, поскольку, когда столкновения с большими кометами или астероидами разрушают ландшафт Красной планеты, камни с ее поверхности разлетаются во все стороны. Неоспоримым свидетельством того, что эти довольно невзрачные булыжники образовались на Марсе, а не были частью астероида или другого объекта, является характерное сочетание молекул газов, сохранившихся в миниатюрных воздушных карманах. Эта смесь точно соответствует соотношению газов, измеренному зондами NASA в марсианской атмосфере.
Итак, представьте себе последствия одного из таких гигантских столкновений астероида с Землей более 4 млрд лет назад. Обломки выбитых с поверхности камней должно было выбросить в космос. Эти куски породы содержат крошечные пузырьки древней атмосферы Земли. А они должны все еще находиться внутри защищающих их минералов. Поэтому все, что нам нужно сделать, — это отправиться на Луну и найти там парочку из бесчисленных тысяч метеоритов с Земли, которые должны были упасть на поверхность нашего светящегося поблизости спутника. На самом деле многие из нас думают, что сбор земных метеоритов — одна из самых веских причин вернуться на Луну и снова пройтись по нашему ближайшему небесному соседу.
Собрать немножко древнего воздуха Земли — это было бы ого-го!
ИНТЕРМЕЦЦО — Глубинный углеродный цикл
Прогуливаясь по сельским холмам Кальдары ди Манциана в Центральной Италии, в окружении лесов, цветов и поющих птиц, вы явно не ожидаете наткнуться на предупредительные знаки, украшенные черепом со скрещенными костями и извещающие вас о смертельной опасности{82}. Что это может быть? Забор под напряжением? Стрельбище? Бродячие медведи?
А затем вы вступаете в небольшую долину — безжизненную низину, полосу оголенной почвы, ярко контрастирующую с зеленой возвышенностью. Что здесь происходит?
Источник этой опасности — углекислый газ. Он течет из земли, невидимый, бесцветный… Будучи тяжелее воздуха, CO2 прижимается к земле, заполняя низины. Когда дует ветер, он не страшен. Поток подземного газа быстро и без неприятных последствий рассеивается. Но в спокойный безветренный день этот более плотный углекислый газ в высокой концентрации вытесняет воздух, которым можно дышать, запуская смертельный сценарий. Жертвами становятся охотники. Их собаки, поскольку они ближе к земле, падают замертво первыми. Если охотник мчится на помощь своему верному спутнику и наклоняется к пораженному животному, его тоже может подстеречь смертельная опасность, о которой он и не ведает.
Углерод перемещается. Как компонент мигрирующей океанической земной коры, он погружается с освещенной солнцем поверхности в глубокие недра в процессе субдукции. А как важный компонент глубинных мантийных флюидов, он высачивается из породы или почвы и выбрасывается из извергающихся вулканов. Атомы углерода сначала осаждаются в виде твердых горных пород из океанов и воздуха, а потом выветриваются из этих твердых пород, чтобы вернуться в океаны и воздух. Однажды высвободившись, атомы углерода омывают Землю в неторопливых океанических течениях и дрейфуют по земному шару в составе изменчивой атмосферы. В то же время живые клетки — от микробов до растений и людей — снова и снова используют атомы углерода, причем со скоростью, которая намного превосходит циркулирование шестого элемента в любом известном неживом мире. Редко найдешь атом углерода, который хоть на недолгое время оставался бы выключенным из этого глобального круговорота длительностью 4,5 млрд лет.
Описанные выше итальянские насыщенные углекислым газом вулканические эманации — убивающие время от времени собак и их хозяев — выходят, когда из глубин поднимается раскаленная углеродсодержащая магма. Какие-то порции этой магмы взаимодействуют с погребенными толщами карбонатных минералов, которые распадаются под действием высокой температуры, при этом происходит смешение углекислого газа мантии и коры. И это тоже часть большого углеродного цикла Земли — цикла, который создал атмосферу и продолжает ее пополнять.
У всех химических элементов Земли есть циклы, и углерод не исключение. Цикл углерода — главная тема ознакомительных курсов и научно-популярных веб-сайтов — это совокупность различных резервуаров атомов углерода, а также перемещений этих атомов между резервуарами{83}. Поищите словосочетание «изображения углеродного цикла» на YouTube, и поиск выдаст вам океаны и атмосферу, известняк и ископаемое топливо, животных и растения — все с маленькими стрелочками, показывающими, как углерод движется от одного резервуара к другому. К некоторым из этих изображений также добавлен дымящийся вулкан, намекающий на более глубокие процессы, но глубинный углерод Земли — основной источник атмосферного — редко рассматривается подробно.
Причины такого пренебрежения легко понять. По сравнению с быстрым оборотом углерода возле поверхности Земли глубинный цикл этого элемента медленный. Пройдет много миллионов лет, прежде чем атом углерода погрузится глубоко в недра планеты и снова вернется на поверхность, а подробности этих процессов остаются во многом скрытыми и непонятными. Никто не знает, сколько углерода там, внизу, нет у нас и никакой определенности по поводу разнообразных форм, которые он принимает.
Что нам действительно известно — так это грандиозный глобальный механизм, посредством которого углерод циркулирует из воздуха глубоко в Землю и обратно. Черные базальты и другие породы, выстилающие дно земных океанов, — холодные и плотные, плотнее, чем горячая мягкая мантия под ними. Когда огромные плиты океанической земной коры опускаются в процессе субдукции на сотни километров, неся с собой слои осадочных отложений и базальта, насыщенные карбонатными минералами и разлагающимися органическими остатками, побеждает гравитация. Углерод неумолимо уносится с поверхности, погружаясь все глубже и глубже в недоступные недра Земли.
Если бы перемещение поверхностного углерода происходило только таким образом, без пополнения его резервуаров, земная кора могла бы полностью лишиться шестого элемента за несколько сотен миллионов лет. Понесшая такую утрату, зависимая от углерода биосфера разрушилась бы. К счастью для нее, то, что уходит вниз, потом поднимается наверх. Когда насыщенные углеродом субдуцирующие породы нагреваются, карбонатные минералы и органические вещества начинают распадаться на углекислый газ и другие небольшие молекулы. Некоторые из них освобождаются из своих каменных гробниц, образуя восходящие флюиды, которые меняют курс и поднимаются к поверхности Земли. Извергающиеся вулканы — самые очевидные места высвобождения этих глубинных газов, но еще больший их поток может быть связан с широко распространенным рассеянным просачиванием глубинного углерода из недр в воздух, пусть даже объем его сложно оценить — и поэтому он до сих пор не определен.
Понимание этого глобального углеродного цикла, который в основном сокрыт от глаз, было одной из основных целей Обсерватории глубинного углерода с самого ее основания{84}. Это насыщенная и разнообразная работа, в которой участвуют сотни ученых, решающих разноплановые и бросающие нам вызов проблемы на полевых станциях и в лабораториях по всему миру. Целью их исследования активного глубинного углеродного цикла являются ответы на три вопроса: что уходит вниз? Что происходит с углеродом там, внизу? Что возвращается обратно наверх?
Что уходит вниз?{85}
Подавляющее большинство атомов углерода на Земле — более 99,9% — погребено под поверхностью и заперто на миллионы лет в коре и мантии. Многие атомы углерода хранятся в огромных слоистых залежах известняка, иные — в похороненной биомассе угля, нефти или еще каких-то черных насыщенных углеродом отложениях. А подвижная доля этого скрытого углерода заключена в базальтах и осадочных отложениях дна океанов, погружающихся глубоко в мантию Земли в зонах субдукции.
Как же так получается, что атомы углерода с изменчивой, залитой солнцем поверхности Земли, некогда столь подвижные в воздухе, или в океанах, или в живых клетках, оказываются запертыми в твердом камне, неумолимо уходящем вглубь? Дело в химических реакциях — как абиотических, так и связанных с жизнью. Об абиотических идет речь, когда углекислый газ атмосферы и океанов с готовностью вступает в реакции с атомами кальция и магния в только что излившемся вулканическом базальте и других породах, образуя карбонатные минералы. Эти реакции обычно проходят невидимо для глаз глубоко в океане или под почвами, но там, где поверхностные воды богаты кальцием или магнием, время от времени можно наблюдать, как кристаллы карбонатов растут в реальном времени, по мере того как углекислый газ жадно забирается из воздуха.
Жизнь научилась этому приему — создавать карбонатные минералы — сотни миллионов лет назад. Какое-то время карбонатная биоминерализация происходила исключительно в мелких прибрежных водах, рядом с надежными источниками питательных веществ для минералов. Кишащие кораллами, моллюсками и другими несущими раковины животными массивные рифы, простиравшиеся на сотни километров, пленили огромное количество углерода. Когда клетки погибали и захоранивались на суше или в море, атомы углерода обосабливались в биомолекулах и продуктах их распада.
Жизнь за свою историю, хорошо задокументированную в окаменелостях и осадочных отложениях, где они упокоились, неоднократно наблюдала драматические изменения в природе и размахе углеродных захоронений. Расцвет фотосинтезирующих водорослей 2,5 млрд лет назад, вероятно, вызвал первый крупный всплеск накопления биомассы в отложениях, когда водорослевые маты, цветущие в мелких, пронизанных солнечным светом водах, умирали и погружались на дно океана. Появление карбонатных раковин более полумиллиарда лет назад внесло свою лепту в запасы углерода, захороненного на дне моря.
Новые повороты подповерхностного углеродного цикла связаны с жизнью, которая вышла на сушу более 400 млн лет назад. Деревья и другие растения содержат много углерода; когда они захораниваются, то образуют толстые залежи насыщенных углеродом торфа и угля. Корневые системы, будучи сами составной частью глубокой, скрытой биосферы, разрушают твердые горные породы, превращая их в глинистые минералы. Мельчайшие чешуйчатые частицы глины, настолько крохотные, что их трудно разглядеть даже в самый мощный оптический микроскоп, вырабатывают поверхностные электростатические заряды, которые притягивают и связывают биомолекулы. В силу этого поверхности глин покрываются насыщенной углеродом пленкой. Ставшие углеродсодержащими глинистые минералы вымываются из почвы, уносятся потоками и реками и в конечном счете прибывают в океаны, где формируют толстые осадочные дельты. Похоже, земная биосфера нашла множество способов захоронить углерод.
Двести миллионов лет назад, примерно в то время, когда на суше начиналось владычество динозавров, еще одну уловку для задержания углерода придумали микроскопические организмы{86}: свободно плавающие в земных океанах клетки развили способность создавать себе тончайшие защитные карбонатные пластинки, извлекая углекислый газ и кальций из окружающей их среды. Этот смышленый планктон с карбонатным покрытием, в огромных количествах населяющий воды океана и осаждающийся на его дно после смерти, заметно поменял правила игры. Впервые в истории Земли карбонаты начали образовываться в освещенном солнцем приповерхностном слое глубочайших океанов, а не только на рифах вдоль побережья. Эти мертвые клетки, погружающиеся на океаническое дно, стали источником погребенного углерода в тех отложениях, в которых до этого не было карбонатных минералов.
Последствия «среднемезозойской революции», как называет то событие геолог Энди Риджуэлл из Бристольского университета, весьма серьезные. До того как 200 млн лет назад началась эта революция, жизнь создавала карбонаты исключительно на мелких континентальных шельфах; протяженные известняковые рифы росли или уменьшались в зависимости от изменчивого уровня моря. В более теплые времена, когда глобальное оледенение было минимальным, а уровень моря — относительно высоким, на широких затопленных прибрежных равнинах могли формироваться очень крупные рифы. Такой усиленный рост карбонатных кораллов и раковин уменьшал концентрацию кальция в океанах — ключевой фактор, определяющий изменчивость кислотности морской воды.
В более холодные периоды — с широким распространением полярного льда и оледенения, когда уровень моря был необычно низким, а континентальные шельфы в основном находились на воздухе, — реализовывался противоположный сценарий. В это время не могло образовываться много рифов. Поскольку биологические способы производить известняк отсутствовали, кальций в морской воде накапливался до состояния пересыщения, заодно меняя и химию океанов. Риджуэлл делает вывод, что химический состав океана на протяжении последних 200 млн лет поддерживался карбонатообразующим планктоном, процветающим независимо от уровня моря.
Земной углерод в огромных количествах извлекается из воздуха и воды и постепенно захоранивается в земной коре. Вулканические породы вступают в реакцию с углекислым газом, образуя карбонатные минералы. Биогенные карбонаты слагают рифы на окраинах континентов и сыплются на дно в открытом океане. Биомасса захоранивается на суше и в море, а глинистые минералы поглощают фрагментированные биомолекулы и еще добавляют углерода накапливающимся осадочным залежам. Все эти углеродные потоки несложно увидеть и измерить.
Менее наглядна та доля погребенного углерода, которая продолжает свое путешествие вниз, погружаясь глубоко в мантию в процессе субдукции. Попытки измерить изменчивый вклад субдуцирующего углерода полностью захватили Терри Планк из Обсерватории Земли Ламонт — Доэрти Колумбийского университета{87}.
Стиль поведения Планк — спокойный и безмятежный, и вам ни за что не догадаться о ее полной ярких событий карьере или «гранте для гениев», полученном ею от фонда Макартуров. Вулканы интересуют исследовательницу как окна в мир глубинного углеродного цикла. Пытаясь понять, что же из них извергается, Планк решила каталогизировать углерод и другие химические элементы океанической коры — изучить тот материал, который затягивается в мантию при субдукции. Сравнивая элементы-примеси в опускающихся плитах с извергающейся магмой, она в поразительных подробностях смогла показать, что эта переработанная кора и есть главный компонент многих вулканических систем.
Количество уходящего в мантию углерода остается спорным вопросом. Планк считает, что ответ во многом зависит от того, куда именно вы смотрите. «Одни зоны субдукции получают много карбонатов, другие — нет, одни — много органического углерода, другие — мало», — замечает она. Также исследовательница делает вывод, что доставка углерода в глубины Земли может быть весьма сложным процессом. Карбонаты и биомасса не такие плотные, как базальт, и имеют тенденцию накапливаться в верхних слоях погружающейся плиты — в той части, которая вряд ли сильно опустится в глубокие темные недра. Планк делает вывод: «Субдукция углерода зависит от случая».
Короче говоря, то, «что уходит вниз», содержит много углерода, отложившегося в коре в виде биомассы и карбонатных минералов, причем значительная его часть, похоже, возвращается обратно наверх. Но самый завораживающий и загадочный этап углеродного цикла — это приключения той доли шестого элемента, которая предпринимает долгое глубокое путешествие в мантию Земли.
Что происходит с углеродом там, внизу?
По мере того как влажные плиты, погружаясь, уносят богатые углеродом минералы и черную биомассу все глубже и глубже, температура становится все выше. Биомолекулы распадаются на более мелкие фрагменты — в основном углекислый газ и метан. Карбонатные минералы также распадаются, отпуская углеродсодержащие молекулы в горячие водные флюиды. Глубинный углерод никогда не остается в одиночестве. Он всегда смешивается с кислородом и водородом; обычно в этой смеси присутствует также некоторое количество натрия, хлора, серы и других элементов.
Вот в чем, однако, загвоздка. Понимание того, что происходит с углеродом в мантии, зависит в первую очередь от понимания того, как ведет себя вода при высоких температурах и давлениях. Но десятилетие назад, когда Обсерватория глубинного углерода только начинала свою работу, вода в мантии была terra incognita. Никто не знал в точности свойств H2O в условиях экстремальных температуры и давления на глубине сотен километров.
Неизвестным параметром — причем единственным, блокирующим наш путь вперед, — была диэлектрическая постоянная воды, величина ее полярности. Молекулы воды принимают V-образную форму. Центральный атом кислорода соединяется с двумя атомами водорода, расположенными, как уши у Микки Мауса. Водородная сторона молекулы несет положительный электрический заряд, а кислородная заряжена отрицательно, в результате получается полярная молекула. Многие наиболее характерные свойства воды — в частности, ее способность растворять поваренную соль и целый ряд других химических веществ, легкость формирования дождевых капель, твердость льда, капиллярные процессы в стеблях растений — как раз результат этой полярности. Диэлектрическая постоянная — это величина силы разделения на положительный и отрицательный заряд, которая диктует поведение воды.
Мы знали, что диэлектрическая постоянная воды резко меняется в зависимости от температуры и давления, но в начале смелого проекта DCO мы не знали насколько. Без этих сведений было невозможно вычислить основные аспекты глубинных флюидов, например растворимость соли, электрические заряды растворенных молекул или кислотность растворов. Не было возможности также спрогнозировать поведение углерода или любого другого растворенного элемента в мантии Земли. В итоге на майском семинаре 2008 г., который положил начало DCO, было сделано публичное заявление о необходимости восполнить этот пробел в наших знаниях{88}. Автором заявления стал Димитри Сверженски, профессор геохимии в Университете Джонса Хопкинса.
Речь Сверженски продолжалась всего пять минут, но она произвела сильное впечатление. Вскоре состоялся ланч, и за стол рядом со Сверженски села Изабель Даниэль, профессор геохимии из Лионского университета — 1[29]. Ее думы тоже были захвачены свойствами мантийной воды, и она поделилась свежими данными о поведении карбонатных минералов в воде при экстремальных температурах и давлениях — сведениями, которые давали намек на диэлектрическую постоянную воды. Объединившись, Сверженски и Даниэль составили впечатляющий план исследований, который убедил DCO выделить часть ресурсов на изучение глубинной воды. Десятилетие спустя их инициатива привела к революции в нашем понимании глубинного углерода.
Глубинная вода
Определение диэлектрической постоянной воды при высоких давлениях и температурах мантии Земли — сложная задача, требующая усилий и на теоретическом, и на экспериментальном фронте. Исследования 2012 г., проведенные Джулией Галли и ее аспирантом Дином Пэном на базе Калифорнийского университета в Дэвисе, затрагивали теоретическую часть{89}. Используя квантово-механическую модель, ученые рассчитали, что диэлектрическая постоянная воды растет до давления в 100 000 атм — значение, при котором карбонатные минералы, стабильные в земной коре, начинают растворяться в мантии. Этот важный результат указывает на то, что именно растворенный в воде углерод и может оказаться основным фактором глубинного углеродного цикла.
Тем временем Изабель Даниэль и ее группа в Лионе решили экспериментально проверить расчетные данные Галли. Используя замысловатую нагретую ячейку с алмазными наковальнями, исследователи определили, как карбонатные минералы растворяются в мантийных условиях{90}. Эксперименты и расчеты дали весьма сходные результаты, и это указывало на непредвиденные ранее сложности в поведении глубинного углерода.
Модель глубинной воды Земли
Вычисление значения диэлектрической постоянной воды в условиях мантии стало лишь началом понимания скрытого глубинного углеродного цикла. Новые оценки диэлектрической постоянной нужно было ввести в общую модель флюидов при высоких температурах и давлениях. Создателем этой вдохновляющей модели, получившей название «Глубинная вода Земли» (англ. DEW, от Deep Earth Water), и стал Димитри Сверженски{91}.
Мало кто оказал столь же глубокое влияние на мою карьеру ученого. Мы со Сверженски впервые встретились более двух десятилетий назад в кампусе Университета Джонса Хопкинса, в его тихом офисе с окнами, выходящими на лесной ручей. Я обратился к нему за помощью, чтобы разобраться в сложном поведении биомолекул, взаимодействующих на поверхностях минералов, — непростой вопрос, который может оказаться чрезвычайно важным для понимания происхождения жизни. Он заинтересовался, но предусмотрительно оговорился, что разработанная им теория взаимодействий на поверхностях минералов хорошо подходит для отдельных, похожих на мячи, атомов металлов, а в решении гораздо более сложной проблемы молекул, с их сложными трехмерными формами, он еще не преуспел.
Перенесемся в 2006 г., когда уже сам Сверженски связался со мной. Он разобрался с проблемой молекулярной адсорбции, ему предстоял годичный творческий отпуск, и он хотел провести его в моей Геофизической лаборатории. Я был в восторге. Мы организовали лабораторию по изучению поверхностей минералов и следующее десятилетие радовались стабильному потоку прекрасных студентов, десяткам исследовательских работ и достаточному государственному финансированию. И по ходу дела мы оба оказались глубоко вовлеченными в проект DCO{92}.
Мы с Димитри Сверженски быстро подружились — эта симпатия объяснялась, в частности, взаимной любовью к музыке. Сын «великого Сверженски», самого обожаемого преподавателя фортепиано по всей Австралии, он родился и вырос в Сиднее. Димитри — необыкновенный ученый. Скромный в своей сути исследователь с тихим голосом, он при этом блестящий творец, дотошный и скрупулезный, а еще Димитри весьма сдержан и не склонен к преувеличениям. Однако не будет преувеличением сказать, что его модель DEW сияет в венце главных достижений DCO — это успех, который продолжит приносить плоды еще долгое время по окончании программы{93}.
Базирующиеся на модели DEW открытия, которые делаются во все возрастающем темпе, раскрывают поразительные факты о глубинном углеродном цикле Земли. Согласно предыдущим моделям, глубинные флюиды представляли собой просто смесь воды и углекислого газа, но Сверженски обнаружил, что атомы перестраиваются и формируют новые типы молекул, растворенных в сложном подземном супе. Многие из них — это ионные формы с положительными или отрицательными электрическими зарядами; следовательно, карбонатные минералы растворяются подобно соли, пуская в оборот углерод на глубине.
Также Сверженски убедительно продемонстрировал, что мантия Земли — это фабрика для синтеза органических молекул на основе углерода, тех молекул, что должны были сыграть свою роль в происхождении жизни{94}. При определенных условиях в глубинах Земли образуется уксусная кислота, но, если температура или кислотность поменяются, в смеси станут преобладать природный газ и другие углеводороды. Недавние эксперименты, которые провела Изабель Даниэль, дают понять, что образуются гораздо более крупные углеродсодержащие молекулы, в том числе и экономически значимые компоненты нефти. Все эти результаты указывают на богатую и сложную глубинную органическую химию, о которой мы только сейчас начинаем узнавать.
Самое поразительное открытие Димитри Сверженски связано с происхождением алмазов, которые, как все думали, образуются, когда атомы углерода подвергаются экстремальному давлению, а вода в этом процессе не играет особой роли{95}. Работая с аспирантом Фан Хуаном, Сверженски обнаружил, что алмазы столь же легко образуются в водных мантийных флюидах вообще без какого-либо изменения давления. В действительности к появлению кристаллов алмаза приводит простое повышение кислотности находящегося под давлением обогащенного водой раствора. На самом деле процессы, которые соответствуют ранее необъяснимым картинам роста природных драгоценных камней, — циклы роста и растворения алмаза — могли вызываться естественными колебаниями кислотности глубинной воды.
Эти и другие открытия указывают нам на активную область на глубине немногим более 100 км под нашими ногами — скрытое царство химических процессов, которое миллиарды лет играло важнейшую роль в глубинном углеродном цикле Земли. Но как мы можем убедиться в этом? Какими доказательствами на поверхности Земли могут подтвердиться смелые утверждения Сверженски?
Загадка глубинного метана{96}
Одно из самых дерзких и многообещающих открытий DEW — наглядная демонстрация того, что метан может в огромных количествах подниматься из мантии Земли, формируя гигантские резервуары в коре. Геологи в других частях света, особенно в России и Украине, долгое время настаивали на глубинном абиотическом происхождении большей части природного газа и других углеводородов. Однако многие геологи-нефтяники Соединенных Штатов и других нефтедобывающих регионов были категорически против этого представления: они указывали на большие резервуары, однозначно образовавшиеся из погибших растений, животных и микробов. Некоторые из нас долгое время подозревали, что этот спор, возможно усиленный враждой холодной войны и профессиональным соперничеством, является ложной дихотомией. Не исключено, что оба лагеря правы и метан может образовываться по-разному. DCO надеялась исследовать оба варианта.
Как нам проверить эти две соперничающие гипотезы происхождения метана — глубинное абиотическое против поверхностного биотического? Какая доля метана, если она вообще есть, образуется в результате химических процессов в горячей мантии в противоположность микробиологической активности гораздо более холодной коры? Как мы сможем распознать разницу? Разве все молекулы метана не одинаковы?
Все молекулы метана действительно имеют формулу CH4, но оказывается, что C и H образуют пары с разными «изюминками» — разными изотопами, которые делают исследование метана намного более интересным. Вспомните, что углерод, у которого всегда ровно шесть протонов (это уникальная характеристика углерода, которая отличает его от любого другого элемента), может иметь шесть или семь нейтронов, чтобы образовывать более распространенный углерод-12 (также пишут 12C) или несколько более тяжелый углерод-13 (13C). У водорода — первого элемента Периодической таблицы — всегда один протон, а нейтронов обычно нет. Однако примерно один из 6420 атомов водорода в океанической воде имеет-таки один нейтрон в более тяжелом изотопе водорода — дейтерии, который обозначается D.
Порядка 99 из каждых 100 молекул метана содержат один атом углерода-12, окруженный четырьмя обычными атомами водорода. Это самая естественная форма метана. Примерно одна молекула из 100 обладает более тяжелым углеродом-13, и только одна из 1500 содержит один атом дейтерия. Все становится еще увлекательнее, когда два тяжелых изотопа замещаются, образуя или 12CH2D2, или 13CH3D. Таких редких «дважды замещенных» молекул метана буквально одна на миллион. Так что, если вы тоже считали варианты, мы приходим к существованию пяти разновидностей метана, отличающихся изотопами.
Потрясающая новость для ученых DCO заключается в том, что прояснить происхождение метана могут как раз соотношения этих разных сочетаний изотопов. Важную роль в этих соотношениях играет температура, а также биологическая история образца. Теоретики предполагают, например, что метан, образовавшийся при более высокой температуре, будет содержать немного больше 12CH2D2, а в метане, образованном микробами, обычно относительно мало 13CH4{97}. Чтобы узнать побольше о происхождении метана, все, что нам нужно сделать, — это измерить соотношения пяти разных его видов в любом образце.
Ключ к тайнам метана — его молекулярная масса. У каждой из пяти разновидностей метана она своя, немного отличающаяся от других. В теории мы могли бы измерить массы миллионов отдельных молекул метана, чтобы определить их относительное количество и таким образом узнать их происхождение. На практике это не так-то просто.
Многие лаборатории обычно определяют распространенность 12CH4 и 13CH4, которые различаются по массе примерно на 6%. Это относительно легкое лабораторное исследование. Но, когда мы в 2008 г. основали Обсерваторию глубинного углерода, еще не было методов измерения крошечного количества 12CH2D2 или 13CH3D в образце; это представляло огромную техническую проблему, поскольку две редкие разновидности метана отличаются друг от друга по массе менее чем на 0,01%. Никакой существующий на тот момент инструмент не обладал достаточной чувствительностью для проведения подобных измерений, так что еще в самом начале программы мы решили создать новый прибор.
Руководство взял на себя Эдвард Янг из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, а работал он с инженерами британской компании Nu Instruments из Рексема в Северном Уэльсе{98}. Разработчики использовали традиционный подход на базе масс-спектрометрии, которая основана на разделении разных видов молекул метана с помощью магнитов. Метод заключается в том, чтобы ионизировать метан — поместить электрический заряд на каждую молекулу для ее ускорения в электрическом поле, а затем изменить траектории этих ускорившихся молекул с помощью мощного магнита. Более тяжелые молекулы метана перемещаются медленнее и отклоняются слабее, нежели их менее массивные компаньоны.
Янг с коллегами довели эту технологию разделения по массе до предела возможностей. Чтобы достичь требуемых разделения и чувствительности, они разместили пару больших изогнутых металлических пластин и трехтонный магнит в тандеме, породив этим чертовски сложную проблему для ионной оптики. Магниты, электромагнитные линзы и фильтры нужно было выстроить таким образом, чтобы ионизированные молекулы 12CH2D2 и 13CH3D пролетели через вакуум по изогнутой траектории и поразили различные цели. Получившаяся в итоге машина размером с комнату, названная «Панорама», оказалась очень рискованным предприятием, стоившим Эду Янгу и его коллегам нескольких лет работы и более 2 млн долларов. Но это сработало{99}.
Шестого ноября 2014 г. ученые DCO провели в уэльском центре разработки первый успешный эксперимент, в котором одновременно определили молекулы 12CH2D2 и 13CH3D. «Панорама» прекрасно выделила два крошечных изотопных пика из образца промышленного уэльского угольного газа. Вскоре прибор перевезли в Калифорнию; первые исследования природных образцов и первые публикации появились в 2015 г. Некоторые из нас немного нервничали по поводу больших вложений, но Эд Янг оставался невозмутимым. «Я знал, что это сработает», — вспоминает он. Эд относится к «Панораме» философски: «Люди любят говорить, что хорошая наука не должна зависеть от приборов, но время от времени прорывы в инструментарии продвигают нас вперед в нашей науке. Я думаю, разработка этого инструмента как раз такой случай».
Лазеры
Несмотря на то что DCO поддерживала разработку «Панорамы», мы подстраховались. Сюхей Оно, только что назначенный ассистент-профессором в Массачусетском технологическом институте и специалист по работе на традиционных масс-спектрометрах, в течение нескольких лет пытался разработать радикально новый вид измеряющей изотопы техники, основанный на лазерной спектроскопии{100}.
Сюхей научился объяснять принцип квантово-каскадной лазерной спектроскопии лаконично, всего в нескольких элегантных слайдах в PowerPoint. Молекулы газа вроде метана поглощают узкополосный свет сотен различных длин волн. Это является следствием точно настроенных колебаний электронов. На определенных гармонических частотах будут резонировать как струны скрипки, так и электроны атомов. Эти длины волн чрезвычайно чувствительны к изотопному составу молекулы. Замените 13C на 12C или D на H, и резонансы сильно изменятся.
Используя мощный настраиваемый лазер, Оно полагал, что сможет вычислить отношение нормального метана к 13CH3D. Если бы ему удалось измерить интенсивность поглощенного света достаточно чувствительным спектрометром, который разделял бы характеристические длины волн разных видов метана, то у нас появилась бы альтернатива в выборе инструментария. Более того, лазерная установка гораздо дешевле и ее можно в конечном счете уменьшить до сравнительно портативной версии, возможно даже такой, которая могла бы слетать когда-нибудь на Марс.
На бумаге идея была отличной, но разработка новых приборов требует денег, а традиционные спонсирующие организации как-то неохотно инвестировали в неопробованное спектроскопическое устройство. В 2012 г. DCO выделила Сюхею скромный грант в 100 000 долларов. Этого было недостаточно, чтобы создать новый инструмент, но оказалось достаточным стимулом, чтобы привлечь других людей. За год Сюхей создал свой прибор и получил первые результаты.
Устройство работало даже лучше, чем он себе это представлял. Острые пики позволяли разделить изотопные разновидности метана, а интенсивность этих пиков соответствовала относительным количествам. Теперь в нашем распоряжении имеются две взаимодополняющие техники и исследования изотопов в небольших молекулах газа идут полным ходом. Новые результаты по кислороду и углекислому газу уже опубликованы, а перспективы постижения Земли и ее углеродного цикла никогда еще не казались такими ясными.
По мере того как поступает все больше данных, приходит понимание, что история метана сложна и полна нюансов{101}. Некоторые образцы — преимущественно биотические и холодные, другие — глубинные и горячие. Но многие пробы метана, в том числе полученные из столь разных источников, как нефтяные скважины, глубоководные микробы и коровы, показывают распределение пяти разновидностей метана, предполагающее неравновесное смешение газа из разных источников. Это уже не вызывает у нас недоумения, поскольку мы в DCO сейчас понимаем, что изотопные варианты метана и многих других небольших молекул могут раскрыть такое богатство сведений о глубинном углероде, которое раньше и вообразить не могли.
Что возвращается обратно наверх?
Значительная доля углерода, уходящего вниз, в мантию Земли, в конечном счете возвращается обратно наверх. Некоторая его часть — в виде активных молекул углекислого газа — рассредоточенно просачивается наружу сквозь большие пространства суши над глубинными зонами, в которых тепло или флюиды медленно высвобождают углерод из горных пород. Земная кора выдыхает метан. Скрытые и зачастую не отмеченные на карте залежи богатого метаном льда, частично погребенные в арктической многолетней мерзлоте, а частично (этих еще больше) залегающие среди осадочных отложений континентальных шельфов, высвобождают метан, когда тают при нагревании. Также небольшое количество метана вырабатывают микробы, термиты и коровы. Углекислый газ как побочный продукт метаболизма выдают на-гора все животные, которые дышат воздухом. Но перечисленные источники едва заметные и скромные даже на местном уровне, их сложно измерить и учесть в глобальном масштабе. Зато вулканы, в свою очередь, извергают очень много насыщенных углеродом газов.
Гора Этна на восточном побережье Сицилии — самый большой в мире точечный источник углекислого газа, выпускающий в среднем около 5000 т CO2 в день, с отдельными выбросами, приближающимися к 20 000 т в день во время крупных извержений{102}. Такое интенсивное выделение газов — следствие разложения плотных толщ известняка, сквозь которые проходит лава Этны.
Однако и многие другие вулканы — даже те, которые находятся далеко от карбонатных пород, — выпускают в воздух сотни тонн CO2 в день, причем бо́льшая часть этого углекислого газа образовалась в глубокой мантии. Все вулканы в совокупности, скорее всего, являются самым большим природным источником углекислого газа в атмосфере. Но насколько большим?
Вулканический углерод
Все вулканы вырабатывают углекислый газ, когда бурлят и выпускают пар, — одни меньше, другие больше. Но сколько всего CO2 выбрасывается в небо? А скорость выхода постоянна или это что-то вроде обогащенной углеродом вулканической икоты? И когда образуется больше углерода — при медленном и стабильном фоновом высвобождении или при случайном взрывном событии? Учитывая значение, придаваемое углекислому газу в воздухе, особенно той роли, которую играет человеческая деятельность в изменении состава атмосферы, не лучше ли нам узнать, чем же являются вулканы — преобладающим источником или просто всплесками на фоновом уровне?
С самого своего основания Обсерватория глубинного углерода предпринимала согласованные на глобальном уровне попытки регистрации выбросов вулканических газов. Ученые DCO поддерживали разработку новых приборов — легких портативных газовых сенсоров с круглосуточным радиослежением, лабораторных инструментов для химического и изотопного анализа газа и даже чувствительных к углероду дронов для доступа к опасным и удаленным местам. Скоординировав экспертов со всего мира, они учредили проект DECADE (Deep Earth Carbon Degassing){103}. DECADE объединил усилия с международным научным проектом NOVAC (Network for Observation of Volcanic and Atmospheric Change) — объединением местных организаций, которые оснастили исследовательской техникой более 40 вулканов на пяти континентах[30]{104}. Увязать цели и интересы правительств на пяти континентах нелегко, но ставки в игре по мониторингу вулканов очевидны и высоки.
Достоверно измерить количество CO2, выбрасываемого вулканом, чрезвычайно сложно. Прежде всего потому, что атмосфера уже содержит около 400 молекул CO2 на миллион, так что вклад вулканов заключается в лучшем случае в скромном локальном увеличении повсеместно высокого фона. Более того, вулканические газы весьма изменчивы. Они выбрасываются толчками снизу, кружат и носятся туда-сюда вместе с ветрами. В таких условиях прямые измерения общего CO2, поступающего из действующего вулкана, почти невозможны.
Гораздо более надежную оценку общего выбрасываемого углекислого газа можно получить, измерив соотношение CO2 и еще одного газа — сернистого (SO2), который в значительном количестве (и очень зловонно) выделяется из многих вулканов{105}. В общем и целом в земной атмосфере немного SO2, так что здесь нет соревнования с фоновым содержанием. Более того, SO2 создает сильный сигнал поглощения, поэтому гораздо легче измерить общую эмиссию этого газа да к тому же измерения можно делать даже со спутников. Иными словами, если вы сможете определить соотношение молекул CO2 и SO2 рядом с вулканом плюс общее количество SO2, вам будет несложно вычислить количество углекислого газа, выбрасываемого этим вулканом.
Установить на действующий вулкан приборы отслеживания газа может быть непросто и опасно. Ядовитые выбросы горячего газа, обжигающие потоки лавы, кипящие озера и летящие во все стороны вулканические бомбы — обычные для такого вулкана явления. Чтобы зафиксировать аппаратуру, вулканологам приходится надевать защитные шлемы и газовые маски. Они тащат тяжелое оборудование и взбираются на самые кромки кратеров, расположенных на вершинах опасных активных вулканических построек. Ученых с их оборудованием испытывают на прочность ветер, другие погодные условия и едкие вулканические газы. Экспериментальная станция DCO на Вильяррике в Чили была уничтожена во время извержения вулкана в марте 2015 г. Через год были также уничтожены приборы на краю кратера вулкана Поас в Коста-Рике, но они успели послать данные о стократном увеличении выбросов CO2 за несколько дней до извержения.
Вулканы непредсказуемы: они могут спать спокойно долгое время — годы, десятилетия, а затем начать извергаться с внезапной яростью. Вулканологи стекаются в эти опасные зоны, особенно во времена повышенной активности. Неудивительно, что вулканология — одна из самых смертельно опасных областей науки. Небольшое сообщество вулканологов, состоящее всего из нескольких сотен исследователей, понесло более 20 утрат в период между 1980 и 2000 гг.
Спросите вулканолога, и он расскажет вам истории о погибших друзьях. Дэвид Джонстон из Геологической службы США погиб в возрасте 30 лет утром 18 мая 1980 г., когда его наблюдательный пост в 9 км от кратера вулкана Сент-Хеленс[31] накрыло огромное извержение{106}. Его последними словами, переданными по радиосвязи, были: «Ванкувер! Ванкувер! Вот оно!». В тот роковой день Джонстон сменил на дежурстве своего коллегу Генри Гликена, 11 лет спустя тоже погибшего — при извержении вулкана Ундзэн в Японии. Его убил взрыв раскаленных газа и пепла, также унесший жизни французских вулканологов Кати и Мориса Крафт{107}. Извержение вулкана Галерас в колумбийских Андах 14 января 1993 г. оказалось еще более смертоносным{108}. В полевой экспедиции, которая должна была стать основной темой конференции по вулканологии, шестеро ученых и их спутники погибли под валом раскаленных булыжников, лавы и пепла, образованным внезапным извержением. Руководителя экспедиции, сорокалетнего Стэнли Уильямса из Университета штата Аризона, также чуть не убило. Один из летящих булыжников сломал ему обе ноги и почти оторвал правую ступню. Второй камень — размером с бейсбольный мяч — разбил ему череп, да так, что фрагменты кости застряли глубоко в мозге.
Почему же вулканологи отваживаются ступать на эти смертоносные территории, хорошо зная, что каждый их шаг в тени действующего вулкана может стать последним? Они вам это объяснят не колеблясь. Вулканы представляют собой одно из самых поразительных природных зрелищ, позволяющих заглянуть в глубокие активные недра Земли. Вулканологам доводится лицезреть самые отдаленные и красивые места на Земле; эти декорации, от которых захватывает дух, для некоторых становятся поистине духовным опытом, способным изменить их жизнь. Но вот что самое здесь важное: умение понимать поведение этих беспокойных гор, прогнозировать их извержения необходимо для более полумиллиарда людей, которые живут в шаговой доступности от действующих вулканов. И в этих поисках ключом является углерод.
Кора против мантии
Вулканолог Мари Эдмондс годами изучает действующие вулканы — а началось ее увлечение в 1980 г. с телевизионной передачи BBC об извержении вулкана Сент-Хеленс{109}. «Мне было всего пять лет, — рассказывает она, — но у меня остались яркие воспоминания о рядах поваленных деревьев, вырванных с корнем боковой ударной волной». Подбадриваемая своей семьей и преподавателями, Мари серьезно занималась наукой и музыкой (как концертирующая пианистка). Наука взяла верх, но тогда Эдмондс стала разрываться между изучением Земли и астрономией (Мари хотела стать астронавтом), пока геология не победила в предвыпускной год.
Работая ныне в Кембриджском университете, где в свое время она окончила бакалавриат, а потом получила и степень PhD, Эдмондс ведет жизнь, полную приключений. После защиты диссертации Мари работала в вулканических обсерваториях на Карибах и Гавайях и участвовала в экспедициях на многие действующие вулканы: пробудившийся в 2004–2005 гг. Сент-Хеленс, извергавшуюся в 2006 г. Августину на Аляске и исключительно опасный Суфриер-Хиллс на карибском острове Монтсеррат. Полевая работа Эдмондс была временами весьма рискованной. Непредсказуемые взрывные извержения Суфриер-Хиллс были достаточно серьезными, но самую большую опасность представляли неисправные вертолеты. «Как-то дверь вертолета, которая была прямо рядом со мной, отвалилась и пролетела в десятке сантиметров от хвостового винта, чуть не задев его. В другой раз один из двигателей заглох. Мы делали много такого, чего я определенно не стала бы делать сейчас, когда у меня есть дети, которые во мне нуждаются!»
В своих изысканиях Эдмондс фокусирует внимание на том, что возвращается обратно наверх. В одном важном исследовании, опубликованном в журнале Science в 2017 г., Эдмондс работала с другой выпускницей Кембриджа — Эмили Мейсон (которая сейчас готовится к получению степени PhD), изучая углерод, выбрасываемый отдельным семейством островодужных вулканов — цепочки вулканических островов, которые формируются там, где сталкиваются две океанические литосферные плиты{110}. Когда в зоне субдукции одна плита ныряет под другую, влажные погребенные породы нагреваются, частично плавятся и образуют магму, которая поднимается, выстраивая изогнутую линию вулканов; примером этого служат Алеутские острова на Аляске. Эта цепочка длиной в 1770 км включает в себя десятки вулканов, иные из которых извергаются чуть ли не каждый год. Все эти величественные пики испускают углекислый газ. Эдмондс и Мейсон захотели узнать его источник.
Исследовательницы сосредоточили свое внимание на изотопах. Я о них уже много говорил выше. Тяжелый углерод, в котором содержание углерода-13 выше среднего, происходит из карбонатных минералов, которые разложились до CO2 под действием тепла. Более легкий углерод образовался, вероятно, биологическим путем — посредством разложения некогда живых клеток. Но сами по себе изотопы углерода не дают полной картины, поскольку все тяжелые карбонаты выглядят одинаково, будь то подвергшиеся субдукции, а затем вновь поднявшиеся из глубин, или гораздо более поверхностные, которые случайно оказались на пути горячей магмы.
Эдмондс и Мейсон решили проблему глубины происхождения карбонатов, вглядевшись в изотопы гелия: более легкий гелий-3 приходит из мантии Земли, тогда как гелий-4 сконцентрирован скорее в коре. Во многих вулканических зонах, включая Италию, Индонезию и Новую Гвинею, исследовательницы обнаружили характерные признаки тяжелого гелия, указывающие на известняк земной коры — т.е. не участвовавшие в субдукции карбонаты — как главный источник извергаемого углекислого газа.
Это очень важный вывод. Если солидная доля углекислого газа, выбрасываемого из вулканов, имеет поверхностное происхождение, тогда получается, что большое количество переработанного на глубине углерода не выходит обратно наверх через вулканы. А значит, в зонах субдукции погружается и изымается из оборота намного больше углерода, чем мы ранее думали. «Мы поймали немного углерода, которого не было в исходном уравнении, — объясняет Эдмондс. — Так что вывод такой: в мантию может возвращаться больше углерода, чем считалось раньше».
Предсказание извержений с помощью углерода{111}
Сегодня Земля может похвастаться более чем 2000 вулканов, львиная доля которых классифицируется как спящие: это значит, что они время от времени выбрасывали лаву и пепел в течение минувших нескольких тысячелетий, но маловероятно, что снова взорвутся в ближайшее время. Нас больше заботят те 500 или около того действующих вулканов, которые извергаются регулярно: в некоторых случаях это ежедневные залпы пепла и пара, в других — страшные взрывные события раз в сотню-две лет. Они действительно опасны, но человеческая память коротка. Иначе зачем десяткам тысяч людей жить неподалеку от Неаполя в домах, выстроенных по склонам Везувия, — вулкана, который похоронил Помпеи под своим смертоносным пеплом 2000 лет назад? Зачем возводить жилые кварталы прямо по бокам вулкана Килауэа на крупнейшем острове Гавайев, где неумолимые потоки лавы регулярно ровняют с землей шикарные дома — последний раз это произошло весной и летом 2018 г.?
Еще страшнее взрывные извержения ядовитых газов и пепла — пирокластические потоки, которые могут хлынуть вниз по вулканическим склонам со скоростью, близкой к сверхзвуковой. Множество населенных пунктов и мест скопления людей — от жилых домов на Карибских островах и Филиппинах до международного аэропорта Сиэтл/Такома в штате Вашингтон — лежат прямо на пути хорошо описанных пирокластических потоков. Сотни миллионов людей по всему миру живут в смертельно опасных зонах действующих вулканов. Еще несколько сотен миллионов подвергаются более удаленной опасности в виде вулканических газов и пепла, которые влияют на качество воздуха и периодически прерывают авиасообщение.
С учетом столь угрожающих катастроф кажется вполне разумным присматривать за теми вулканами, которые имеют наибольший разрушительный потенциал. Поскольку очень многие из них подают признаки того, что вот-вот извергнутся, за самыми опасными постоянно наблюдают государственные службы и специализированные лаборатории. В набор типичных измерительных устройств входят сейсмологические приборы, распознающие подповерхностные движения магмы, которые предшествуют любому извержению; инклинометры, которые улавливают подъем кровли приповерхностных магматических камер в момент заполнения их расплавом; наконец, температурные датчики, которые регистрируют увеличение теплового потока, когда лава поднимается из глубин.
Вулканы изменяют окружающую среду и другими способами — обеспечивая нас при этом сигналами, которые, возможно, возвещают об извержениях. Одной из таких ключевых подсказок могут быть вулканические газы. Ученые из проекта DECADE обнаружили, что перед многими извержениями в этих газах резко возрастает отношение вулканического CO2 к сере. Это открытие еще раз подчеркивает взаимосвязанность научных исследований: ученые хотели отследить выделение углекислого газа из вулканов, чтобы понять нечто фундаментальное об углеродном цикле Земли — процессе, который сформировал изначальную земную атмосферу и продолжает формировать ее сегодня, — а в итоге в ходе своих исследований нашли простой и действенный подход к предсказанию вулканических извержений.
Алмазные подсказки{112}
Алмазы, как редкие большие, так и маленькие, представляют наименьшую долю того углерода, который поднимается из глубин в процессе вулканических извержений. Однако, поскольку они такие упрямые и непроницаемые, растут в скрытой мантии Земли, а затем выносят признаки условий своего роста на поверхность, истории алмазов о глубинном углеродном цикле уникальны — и им придется рассказать нам эти истории.
Алмазы хранят в себе два убедительных признака циркулирования шестого элемента: газово-жидкие включения и изотопы. Мы уже говорили о включениях крошечных зеленых, красных и черных минералов в алмазах, но не все включения кристаллические. Мельчайшие запечатанные капли богатых водой и углеродом жидкостей раскрывают природу флюидов, струящихся вниз с поверхности Земли и претерпевающих сложные реакции на глубине. Недавно обнаруженные такие включения подтверждают удивительные теоретические и практические открытия, свидетельствующие о том, что на мантийных глубинах образуются богатые углеродом флюиды новых типов. Причем подобно тому, как не смешиваются между собой нефть и вода, в одном включении могут сосуществовать два очень разных флюида. В алмазах присутствует недвусмысленное доказательство того, что некоторые похожие на нефть углеводороды образуются на глубинах в сотни километров, за пределами царства живых клеток.
Изотопы углерода, из которого состоят алмазы, также содержат указания на удаленные древние источники их атомов. Подавляющее большинство алмазов, возможно 90% проанализированных камней, имеют изотопный состав, типичный для мантийного углерода. Примечательно, что небольшая выборка относительно молодых алмазов (под «молодыми» я имею в виду те, возраст которых не превышает нескольких сотен миллионов лет) образовалась из легкого углерода, который не содержит тяжелый изотоп углерод-13{113}. Для любого образца, найденного вблизи поверхности Земли, такой признак будет считаться безошибочным свидетельством того, что эти атомы углерода по крайней мере единожды прошли через живые клетки. Но что насчет алмазов, обогащенных легкими изотопами? Они рассказывают ту же историю? Обитали ли когда-нибудь их атомы углерода в живых клетках, некогда погибших и захороненных, а затем погрузившихся в глубокие недра Земли и там преобразовавшихся в драгоценные камни? Вопрос все еще открыт, но «живой» источник углерода во многих алмазах не удивил бы тех из нас, кто начинает видеть отблески необыкновенного глубинного цикла углерода Земли.
Углерод в равновесии
Способ, которым жизнь изменяет глобальный углеродный цикл, по-прежнему в центре внимания. За миллиарды лет Земля, похоже, нашла баланс между тем углеродом, что погрузился глубоко в недра, и тем, что выделяется из вулканов, — это процессы, которые помогают стабилизировать климат и окружающую среду. Но насколько устойчиво это непрекращающееся циркулирование? Нет такого закона природы, который требовал бы, чтобы количество углерода, уходящего вниз, — запертого в горных породах, погребенного в осадочных отложениях и погрузившегося в процессе субдукции в мантию, — было бы точно равно тому количеству, которое возвращается на поверхность при вулканических извержениях или другими, более спокойными способами. Но нет и вопроса более насущного для Обсерватории глубинного углерода, чем этот баланс между тем, что уходит вниз, и тем, что возвращается обратно наверх.
Так в равновесии ли углеродный цикл Земли? Исследования Мари Эдмондс позволяют предположить, что многие зоны субдукции захоранивают большое количество своего углерода в глубоких недрах. Терри Планк же делает противоположный вывод — обособить углерод посредством субдукции чрезвычайно сложно, это скорее исключение, чем правило. И кто прав?
В 2015 г. двое из наиболее широко мыслящих руководителей DCO — Питер Келемен из Колумбийского университета и Крэг Мэннинг из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе — попытались свести все данные в одну изящную диаграмму глубинного углеродного цикла, своего рода музыкальную фразу глубин Земли, составленную с использованием хрестоматийных численных значений углеродного цикла{114}. Эта стильная диаграмма снабжена полудюжиной красных стрелок, каждая из которых представляет собой важнейшие потоки углерода между поверхностью и глубинами, каждая сопровождается одним или несколькими прямоугольничками с величинами этих углеродных потоков в мегатоннах углерода в год. Иллюстрация эта, которая сейчас используется на сотнях семинаров и лекций DCO, стала иконографическим изображением того, сколько нам еще нужно узнать об углероде Земли.
Среди этих стрелок или прямоугольничков нет таких, которые были бы определены точно и однозначно. Келемен и Мэннинг оценивают общий углерод, выделяемый из срединно-океанических хребтов и океанических островных вулканов в диапазоне от 8 до 42 Мт в год; поток из вулканов островных дуг — между 18 и 43 Мт в год. Минимальная оценка количества погруженного при субдукции углерода, который быстро возвращается в кору и воздух, составляет 14 Мт в год, максимальная — почти в пять раз больше. И самое отрезвляющее: подсчитанный результирующий поток углерода с поверхности Земли в глубокие недра варьирует где-то между поразительно высокими 52 Мт в год и практически нулем — ничем!
Мы видим признаки того, что баланс земного углерода может смещаться. За 4 млрд лет наша планета остыла, поэтому карбонатные минералы, которые, вероятно, однажды разрушились под действием близповерхностного тепла, сейчас могут переживать субдукционное погружение при более прохладных современных условиях. Жизнь также меняет это равенство, она продолжает осваивать новые трюки, изолируя углерод в черных сланцах, ракушечнике, угле и планктонном иле. Меняется климат, меняется химия океанов, соответственно, меняются механизмы и скорости движения углерода.
Это просто удачное стечение обстоятельств, что в течение большей части истории Земли общий углерод, уходящий глубоко вниз при субдукции, более или менее уравновешивался тем углеродом, что выходил на поверхность из вулканов и других источников. Следовательно, жизнь никогда не оставалась внакладе, когда ей требовалось найти достаточное количество углерода для толстых водорослевых матов и густых тропических лесов.
Хотя вопрос еще находится в стадии обсуждения и требуется провести намного больше исследований, некоторые ученые приходят к взвешенному заключению, что сейчас этот баланс, возможно, сместился. Благодаря карбонатному планктону в осадочных отложениях океанов накапливается больше углерода, чем в большинстве предыдущих эонов. Некоторая часть этого углерода, возможно, уже начала долгое путешествие в скрытые глубины мантии. Плюс к этому из-за произошедшего за последние более чем 4 млрд лет охлаждения Земли погруженный при субдукции карбонат не так легко разрушается, чтобы произвести тот углекислый газ, который возвращается на поверхность через вулканы. Не все, что уходит вниз, обязательно возвращается наверх. Цифры неизвестны, но бо́льшая часть вычислений указывает на то, что поверхностный углерод, возможно, захоранивается все быстрее и быстрее — со скоростью, которая может истощить территорию жизни всего за несколько сотен миллионов лет. Не теряйте сон из-за этой угрозы, это очень постепенные геологические изменения. Но урок ясен. Углеродный цикл Земли продолжает меняться и удивлять.
Это не значит, что мы можем игнорировать проблемы, связанные с углеродом. Если вы все-таки собираетесь потерять сон из-за изменяющегося углеродного цикла — смотрите не на Землю, а на себя.
АРИОЗО, ДА КАПО — Атмосферные изменения
Когда вы сжигаете что-то — Александрийскую библиотеку, кустарник в Калифорнии, здание в Дрездене, старые газеты, скрипку Страдивари, — неизбежным побочным продуктом будет углекислый газ. Тысячи лет с тех пор, как люди эпохи палеолита научились добывать огонь, наш вид сжигал топливо, чтобы согревать жилище, готовить еду и освещать путь сквозь ночную тьму. Долгое время углеродный «отпечаток» людей — вклад антропогенного углерода в атмосферу — был нейтральным. Мы сжигали дерево и производили углекислый газ, новые деревья поглощали этот углекислый газ и вырастало больше деревьев.
Равновесие начало рушиться с открытием находящегося на глубине богатого углеродом топлива. Некоторые количества торфа, битуминозного каменного угля и нефти использовались тысячелетиями, хотя и не в таких объемах, чтобы существенным образом изменить атмосферный баланс. Промышленная революция, за которой последовали революции в производстве электричества и механизированной транспортировке, — вот что изменило правила игры. Резко возросший спрос на энергию в совокупности с открытием нефти и антрацита наделил бурно развивающееся технологическое общество могуществом, сопровождавшимся процветанием и материальным комфортом.
За последние 200 лет мы добыли сотни миллиардов тонн богатых углеродом угля и нефти{115}. При сжигании этих угля и нефти в атмосферу ежегодно высвобождается около 40 млрд т углекислого газа — в 1000 раз больше, чем дают выбросы всех вулканов мира. Человечество радикально изменило ту часть уравнения, в которой отображается углерод, возвращающийся обратно наверх.
Правда
Нам не следует закрывать глаза на информацию об углероде и его роли в изменении климата. Вот четыре неоспоримых факта{116}.
Факт первый. Углекислый газ и метан — сильнодействующие парниковые газы. Их молекулы поглощают солнечную радиацию, уменьшая количество энергии, излучаемой в космос. Чем выше концентрации углекислого газа и метана в атмосфере, тем больше солнечной энергии поглощается.
Факт второй. Количество углекислого газа и метана в атмосфере Земли быстро увеличивается. Убедительные доказательства этого поступают из разных источников, но пузырьки газа, вмерзшие в полярный лед, — километровые образцы ледяных кернов, содержащие миллионы ежегодных слоев льда, — обеспечивают прямое и неопровержимое свидетельство того, что изменения в воздухе произошли недавно. В течение почти всех прошедших миллионов лет концентрация углекислого газа колебалась между 200 и 280 ppm, самые низкие значения приходились на эпизодические ледниковые периоды. В середине XX столетия содержание превысило 300 ppm, возможно впервые за десятки миллионов лет. В 2015 г. уровень CO2 достиг 400 ppm. Каждый новый анализ показывает все ускоряющийся рост этого критического параметра — он происходит быстрее, чем когда-либо за многие миллионы лет.
Рост содержания атмосферного метана еще более резкий. Миллион лет концентрация метана колебалась между 400 и 700 частями на миллиард (ppb) — опять же в зависимости от периодов наступления и отхода ледников. За последние 200 лет это значение утроилось, взлетев почти до 2000 ppb. Как и в случае с CO2, содержание метана сейчас выше и поднимается быстрее, чем когда-либо ранее за прошедшие миллионы лет.
Факт третий. Человеческая деятельность — в первую очередь сжигание миллиардов тонн углеродного топлива ежегодно — является причиной почти всех изменений в составе атмосферы.
Факт четвертый. Земля начала нагреваться более столетия назад. Записи, которые ведутся с 1880 г., показывают, что 12 самых жарких лет за весь период наблюдений приходятся на последние два десятилетия. 2014 г. был жарче, чем любой из предшествующих ему, 2015-й стал жарче 2014-го почти на четверть градуса, 2016-й установил новый рекорд, а 2017-й оказался почти таким же жарким, что и 2016-й. В среднем за первые десятилетия XXI в. стало более чем на 1 °C теплее по сравнению с предыдущим столетием.
Почти все ученые, изучавшие эти убедительные и неопровержимые факты, приходят к одному и тому же однозначному выводу: человеческая деятельность вызывает нагревание Земли. Заключение это — не чье-то личное мнение или домысел. Оно не обусловлено политикой или экономикой. Это не уловка исследователей, желающих получить больше спонсорской поддержки, или специалистов по окружающей среде, стремящихся завоевать внимание прессы.
Мы не всё знаем о Земле, но эта информация — чистая правда.
Последствия
Удвоение содержания углерода в воздухе и следующее за ним нагревание земного шара за такое короткое время беспрецедентны. Человечество проводит не имеющий аналогов геоинженерный эксперимент безо всякой страховки, а нежелательные последствия уже начали проявляться.
С ростом концентрации атмосферного CO2 предсказуемо и соответственно повысились уровень углекислого газа в океане и — пусть немного, но губительно — его кислотность, изменение которой ослабляет карбонатные раковины и убивает кораллы. Некоторые морские биологи опасаются повсеместного разрушения мелководных морских экосистем.
Рост температуры воздуха и морской воды приводит также к небывалой потере ледникового льда — как высокогорных ледников средних широт, так и льдов полярных регионов. Нам не избежать повышения уровня моря, уже заметного вдоль многих побережий, — возможно, на десятки сантиметров, а возможно, и гораздо, гораздо больше. Подобные изменения глубин не новы. За последний миллион лет уровень моря опускался на 30 и более метров во время по крайней мере десяти эпизодов оледенения, когда чуть ли не 5% воды Земли оказалось заморожено в ледовых шапках и горных ледниках. И порядка десяти раз, когда менее 2% воды Земли было заперто во льду, уровень моря приближался к современному или был даже выше.
Сегодняшняя проблема заключается в небывалой скорости, с которой исчезают горные ледники и раскалываются шельфы Антарктического ледяного щита. Чем больше льда тает, тем глубже становятся океаны. Повышение уровня моря на 30 м в истории Земли тоже уже было. Но если текущая тенденция сохранится, сотням миллионов человек, живущих в прибрежных регионах, через несколько столетий, возможно, придется переехать. Целые штаты (например, Флорида и Делавэр) и страны (Нидерланды, Бангладеш и некоторые островные государства Тихого океана) могут практически исчезнуть.
Повышение температуры воздуха и океанов влияет еще и на климат. Частота атмосферных осадков меняется, и увеличивается интенсивность суровых штормов. Океанические течения, которые в некоторые части земного шара несут тепло, а другие охлаждают, также могут меняться. В исследовании 2017 г. Дэниел Скотт из Университета Уотерлу (Онтарио, Канада) смоделировал парадоксальный эффект последствий климатических изменений в 21 месте проведения уже минувших зимних Олимпийских игр{117}. В XX столетии все эти территории были холодными достаточно, чтобы гарантировать с 90%-ной вероятностью, что во время проведения Игр температура будет ниже нуля. Модели Скотта прогнозируют, что к 2040 г. девять из этих олимпийских столиц, среди них Ванкувер в Канаде, Осло в Норвегии и Инсбрук в Австрии, окажутся не столь надежными — температура более четверти их зимних дней будет выше нуля. Еще критичнее ситуация в Сочи, столице зимних Олимпийских игр 2014 г., — здесь к 2040 г. температура большей части зимних дней станет положительной.
От разрушительного влияния климатических изменений страдают экосистемы по всему земному шару. Но нет худа без добра. Жители арктических регионов Гренландии, которые в течение тысячелетия холодными и темными зимними месяцами кормились подледной рыбалкой, теперь наслаждаются водами, открытыми круглогодично. Фермеры Центральной Канады извлекают выгоду из более длинного вегетационного периода. Свободный ото льда Северо-Западный проход между Атлантическим и Тихим океанами способствует ускорению морских перевозок по всему миру. А горнорудные компании с наслаждением разведывают запасы полезных ископаемых там, где впервые за всю человеческую историю на поверхности показались породы, покрытые ранее льдом.
Но есть и иные последствия климатических изменений, которые только тревожат и никому не приносят пользы. Быстрое наступление Сахары в Африке угрожает стабильным некогда поселениям. Арктические биосообщества, условия в которых в течение бесчисленных столетий были слишком холодными для насекомых-вредителей, сейчас — впервые за всю известную нам историю — страдают в июле и августе от роев москитов и черных мух. Экозоны ежегодно смещаются на север на несколько километров — быстрее, чем могут приспособиться леса, поля и мигрирующие птицы.
Ученые способны предсказать, а возможно, даже и уменьшить влияние целого ряда из постоянно увеличивающегося списка изменений, вызванных нагреванием планеты. Чего мы не можем прогнозировать и где нам угрожает наибольшая опасность — это критические точки, положительные обратные связи, которые внезапно и фундаментально меняют скорость и последствия изменений{118}. Не исключено, что самый большой риск в этом плане представляет метан — парниковый газ, действующий намного сильнее, чем углекислый. Почти весь метан Земли заперт в ее коре и хранится в виде огромных слоев насыщенного им льда под замерзшей тундрой и континентальными шельфами. Точное его количество сложно оценить, но эксперты приходят к единому мнению, что запасы метана, заключенного во льдах по всему миру, в сотни раз больше, чем во всех других источниках, а объемы связанного с ним углерода, возможно, превышают общее содержание углерода во всех других видах ископаемого топлива. Тысячи лет этот метан был спящей, погребенной, пассивной составляющей углеродного цикла Земли.
Предельный катастрофический сценарий — критическая точка, мысль о которой заставляет некоторых из нас просыпаться ночью в холодном поту, — глобальная положительная обратная связь метана. Потепление вызывает таяние льда и высвобождение этого газа, что приводит к еще большему потеплению и еще большему таянию. Концентрация метана в атмосфере может повыситься, подняв вместе с собой и температуру. Мы не знаем, наступит ли эта обратная связь, но если да, то ее, скорее всего, уже будет слишком поздно пытаться остановить.
Можете не сомневаться. Что бы мы ни сотворили с планетой, какие бы изменения ни предстояли, жизнь продолжит свое существование, а углерод — свой цикл. Но готовы ли к грядущим изменениям мы?
Решения
Человечество без остановки вываливает огромные количества углекислого газа в небо — его нерегулируемый, невидимый поток представляет собой изменение, равного которому не было за миллионы лет истории до появления человека, т.е. в прямом смысле слова глобальное. Это не ложная тревога. Увеличивающееся количество CO2 реально, и оно имеет последствия. Те, кто отрицает это, — люди невежественные либо алчные или одновременно и те и те.
Что же делать отдельно взятому человеку? Вести углеродно-нейтральный образ жизни в наше время довольно сложно, поскольку выбросы углерода пронизывают все наше общество и препятствуют многим нашим лучшим намерениям. Вы бы хотели построить гигантскую ветряную турбину для получения экологически чистой энергии? Но весьма вероятно, что в процессе строительства вам придется вырубить гектары зеленых массивов и вылить тонны испускающего CO2 бетона для фундамента. Предпочли бы водить электромобиль? Но электричество, скорее всего, вырабатывается на электростанции, которая использует ископаемое топливо. Общественный транспорт, органическое земледелие, переработка алюминия, использование многоразовых подгузников вполне достойные способы уменьшить потребление энергии, но они все еще зависят некоторым образом от топлива, основанного на углероде. Независимо от того, где вы живете — в городе, на ферме да практически где угодно между ними, — в любом случае вы, по всей вероятности, производите парниковые газы.
Ученым свойственно быть оптимистами. Невзирая на глобальные изменения, которые могут привести к непреднамеренной катастрофе, мы ищем решения и видим возможности. Один такой оптимист — знакомый нам Питер Келемен. Он работает в уже упоминавшейся заслуженно уважаемой Обсерватории Земли Ламонт — Доэрти, принадлежащей Колумбийскому университету. Расположенная на знаменитых базальтовых утесах в районе Палисейдс-парк неподалеку от реки Гудзон, на противоположном берегу от главного манхэттенского кампуса Колумбийского университета и к северу от него, эта обсерватория — настоящий оазис исследований горных пород, океанов и атмосферы.
Отринув непосредственное соседство с прекрасными каменными образованиями, Келемен направил свой взор на тысячу километров вдаль, в сторону величественной гористой местности Султаната Оман на Аравийском полуострове. Там, на выжженной солнцем территории, которая нагревается до 60 °C бо́льшую часть года, он изучает одни из самых странных горных пород Земли под названием офиолиты — это огромные куски земной мантии, которые должны находиться на глубине десятков километров, но каким-то образом оказались на высоте 3000-метровых пиков.
На первый взгляд Питер Келемен кажется беззаботным человеком. У него мягкая борода с проседью. Старому другу или новому знакомому он непринужденно улыбается, пожимая руку, тон его речи успокаивающий и уравновешенный. Он производит впечатление обычного парня, с которым вы хотели бы вместе прогуляться. Но это первое впечатление может оказаться обманчивым.
Проводить геологические исследования в Омане — занятие не для рядового специалиста. Культура Омана до определенной степени гостеприимна, но полевую геологию местные жители могут воспринять как экспансию. Когда иностранцы копают их земли, это уже вызывает недовольство. А Келемен хочет не просто отбить молотком несколько камней из придорожных обнажений. Он желает пробурить глубокие скважины и поднять километровую колонку породы — это уже критический геологический акт проникновения. Поэтому понятно, что возникают задержки и трудности. Разрешения министров по управлению земельными ресурсами, водными ресурсами и горными работами должны быть требуемым образом представлены и одобрены. Нужно пользоваться услугами местных буровых компаний Омана и платить соответствующие налоги. И поскольку никто никогда не пытался бурить в этих офиолитовых массивах, могут применяться новые правила и законы; по-видимому, никто из властей до конца не знает точно, какие.
Задержки означают, что исследования студентов находятся в подвешенном состоянии, экспедиции откладываются, а поездки планируются, однако потом отменяются. Принимая во внимание подобные бюрократические препятствия, многие ученые сдались бы. Но Питер Келемен настойчив, решителен, и у него есть то, что внешнему миру кажется бесконечным запасом терпения и спокойствия. В итоге после нескольких лет отсрочек Проект бурения в Омане[32] был запущен и приносит результаты исторического значения{119}.
Исследование Келемена подтвердило кое-что из того, что мы уже знали. Офиолиты гор Омана представляют собой «неожиданный» блок земной мантии, который выдвинуло на лежащую выше базальтовую океаническую кору силами сходящихся литосферных плит. Этим мантийным породам, богатым магнием и кальцием, но практически лишенным кремния, химически некомфортно находиться в прямом контакте с атмосферой Земли. Особенно быстро они «реагируют» на углекислый газ, образуя изящные взаимопересекающиеся белые жилы карбонатов магния и кальция.
Келемен с коллегами обнаружил поистине необыкновенную скорость образования этих карбонатных минералов. Офиолит буквально высасывает углекислый газ из воздуха, создавая новые карбонаты с поразительной проворностью. Вы можете чуть ли не воочию наблюдать, как образуются и растут кристаллы в поверхностных водоемах, когда насыщенные минеральными компонентами подземные воды просачиваются из обнажений. В отличие от многих минералообразующих процессов, которые протекают быстро только при высоких температурах глубоких недр Земли, эти происходят при комнатной температуре (которая, впрочем, в среднем по Оману намного выше, чем в вашей гостиной). Кроме того, новые минералы занимают значительно больший объем, чем старые. Возможно, расширением толщ можно объяснить, почему горы Омана все еще растут вверх на несколько миллиметров в год, несмотря на то что там почти нет местной сейсмической активности.
Келемен тут же делает вывод: углекислый газ потребляется горными породами в режиме реального времени. А в Омане объемы офиолитов огромны — их достаточно, чтобы поглотить весь углекислый газ, выработанный человечеством за сотни лет. В наши дни правительство Омана не хочет заниматься всякими там схемами связывания углекислого газа. Основа экономики страны — нефть, а не связывание углерода. Но камни никуда не денутся, и эта перспектива решения углеродного кризиса Земли ждет своего часа. Питер Келемен — терпеливый оптимист.
КОДА — Известное, неизвестное и непознаваемое
Из всей гаммы разнообразных проблем в многогранной науке об углероде нет вопроса более насущного для нашего будущего, нежели роль углерода как элемента циклов. Мы в состоянии измерить углерод в атмосфере с точностью, недостижимой для других резервуаров. С той же степенью достоверности нам удается регистрировать колебания содержания шестого элемента и его недавно начавшийся тревожный рост. Ведущие роли углекислого газа и метана как парниковых газов и неизбежное потепление в планетарном масштабе, которое должно последовать за увеличением их содержания, — неоспоримы. Хорошо, если призывы отдельных людей и международные соглашения, направленные на снижение последствий и замедление этих изменений, найдут отклик в каждом гражданине мира. Ощущение срочности уже должно поистине пропитывать нашу жизнь.
И все же, несмотря на постоянно пополняющуюся таблицу угрожающих данных по углероду, несмотря на рост доказательств быстрых изменений и их потенциальных последствий, мы еще многого не знаем{120}. Джесси Аусубел, руководивший созданием и развитием Обсерватории глубинного углерода со стороны фонда Слоуна, подчеркивает предрасположенность ученых погружаться в безопасную науку. «Мы склонны заполнять конференции, журналы и радиоволны тем, что нам известно, — сетует он. — Мы гораздо реже исследуем и расширяем границы наших знаний».
Легко понять, почему научные работники, чья карьера зависит от получения грантов и публикации статей, стремятся исследовать проблемы и проводить эксперименты на безопасных и надежных окраинах известного, а не изучать природу и степень нашего незнания. Но уже от одной только четкой формулировки того, чего мы не знаем, — по ходу прочерчивания границ на карте знаний и планирования экспедиций для изучения этих «великих незнакомцев» — у любого истинного ученого должен участиться пульс.
Каковы границы познания? На какие вопросы легко ответить, на какие — тяжело и почему? Отходя от темы изменения климата и обозревая весь маховик глубинного углеродного цикла Земли за миллиарды лет, Аусубел перечисляет три присущие природе характеристики, которые вычленяют известное, неизвестное и непознаваемое.
«Глубокое время» — первое препятствие к знанию, оно очень хорошо знакомо ученым, изучающим планеты. История блекнет, буквально выветривается у нас из-под ног. Благодаря бесчисленным полевым экспедициям, которые принесли образцы со всего земного шара, и расширяющимся аналитическим возможностям исследовать эти образцы до отдельных составляющих их атомов и молекул, мы можем быть уверены в наших знаниях о том, как менялись близповерхностные условия Земли по крайней мере за последние десятки или даже сотни миллионов лет. Большинство минералов, образовавшихся за этот скромный с геологической точки зрения промежуток времени, сохранились до наших дней. Они содержат крошечные включения воздуха и воды, которые рассказывают многое о недавней эволюции внешних слоев Земли — атмосферы и океанов.
Но свидетельства более глубокого прошлого — 4 млрд лет назад и больше — практически потеряны для нас. А ведь это крайне важный этап для понимания образования Земли и происхождения жизни. Все минеральные запасы тех изначальных гадейских времен сводятся, как уже говорилось выше, к нескольким зернам размером с песчинку. Не сохранилось ни дуновения древней атмосферы Земли, ни капли океанов. Чтобы сделать необходимые математические вычисления, нам придется довольствоваться умозаключениями и геохимической теорией. И все равно условия на Земле в начале ее существования остаются практически неизвестными, а возможно, так и останутся вовсе непознаваемыми.
Вторым препятствием к получению знаний является глубина. Глубочайшие шахты Земли проникают в недра не более чем на 3 км, самые глубокие скважины едва ли доходят до 13 км. Заглянуть в зоны, лежащие ниже, нам удается только благодаря вулканам, которые извергают на поверхность глыбы мантийных пород и минералы, в частности алмазы, ряд которых образовался на глубине более 800 км. Эти глубинные породы указывают на природу и интенсивность циркулирования углерода между мантией, земной корой, океанами и воздухом. Но нижняя часть земного радиуса, составляющего почти 6400 км, навсегда останется недоступной — за пределами возможностей любой мыслимой технологии отбора образцов.
Мы можем, конечно, собирать подсказки о глубоких недрах по крохам. Сейсмические волны дают информацию о плотности и составе глубинных пород, а также о зонах плавления и движении. Магниторазведка отражает динамику расплавленного внешнего ядра Земли, в то время как эксперименты с синтетическими породами и минералами воспроизводят диапазон экстремальных температур и давлений вплоть до тех, что в самом центре Земли.
Мы также в состоянии представить себе технологии будущего, которые позволят немного раздвинуть удручающие границы того, что сейчас, по сути, непознаваемо. Мой любимый футуристический инструмент — «абсорбционная нейтринная спектроскопия», основанная на астрономических количествах субатомных частиц, которые разлетаются от Солнца. Большинство солнечных нейтрино проходят Землю насквозь, но теоретики утверждают, что нейтрино определенных энергий должны избирательно поглощаться разными химическими элементами. Если бы мы смогли измерить энергию нейтрино (чего, по крайней мере пока, мы сделать не силах), тогда нам удалось бы смоделировать подробное трехмерное, как в компьютерной томографии, изображение глубоких недр.
К физическим преградам «глубокого времени» и пространства Аусубел добавляет третье препятствие исследованию неизвестного: проблему понимания и интегрирования отдельных драматических событий в истории Земли. Развивающиеся системы подвергаются внезапным разрушительным процессам, которые необратимо отделяют прошлое от будущего. Такими сингулярностями стали катастрофическое столкновение с Тейей, в результате которого образовалась Луна, когда Земле было всего 50 млн лет, появление жизни несколько сотен миллионов лет спустя и недавнее развитие технологий. Другие, пока не распознанные, менее драматичные критические моменты могли в прошлом и также смогут в будущем привести Землю к дальнейшему развитию по одному из двух еще неизвестных расходящихся путей. Подобные точки бифуркации в силу их природы сложно предсказывать хоть с какой-нибудь определенностью; между тем они способны представлять собой неотвратимую угрозу для человеческого вида.
Из того ряда признаков, которые, как предполагает Джесси Аусубел, препятствуют открытию неизведанной Земли, три вышеописанных — «глубокое время», глубина недр и случайные единичные катастрофические события — свойственны физической природе нашего планетарного дома. Другие, не менее пугающие, препятствия касаются социального аспекта науки, а также человеческой природы. Наука ограничена тем, что́ мы можем узнать, поскольку мы, люди, ограничены своими способами постижения мира.
Наша ограниченность возникает из-за того, что мы недальновидны, наши умы полны предрассудков и «зашорены». Возможно, вы уже заметили, что я минералог. Я рассматриваю почти все грани истории Земли — вулканы, глубокие недра, происхождение жизни, даже Большой взрыв — с искаженной, минералогической точки зрения.
Это относится ко всем нам как в науке, так и в любой другой человеческой деятельности. Пытаясь осмыслить сложность и хаос, мы видим мир в обманчивых, но обнадеживающе простых метафорах. Континенты на дрейфующих плитах на самом деле не сталкиваются. Разнообразие жизни в кембрийский период не было взрывным. И развитие биосферы включает в себя не только выживание сильнейших. Все это упрощения во времени и пространстве, низводящие сложные физические, химические и биологические процессы до обманчивых фраз, которые удобны в повседневной жизни.
Для нас существует вызов даже больший, чем борьба с нашими индивидуальными предрассудками, — это проблема интеграции знаний. Земля, космос, жизнь — любая научная область требует широко интегрированного взгляда. Каждая значимая для человечества тема включает в себя и физический, и химический, и геологический, и биологический аспекты. Подумайте о самых животрепещущих наших опасениях: ухудшение окружающей среды, сокращение минеральных ресурсов, распространение инфекционных заболеваний, изменение климата, увеличение спроса на энергию, опасные ядерные отходы; вспомните о страдающих от нехватки воды, о голодающих. Подход ко всем этим проблемам требует комплексного междисциплинарного планирования, а решения должны подкрепляться полным набором научных свидетельств, свободных от множества политических, экономических, этических и религиозных ограничений.
Углеродоведение ничуть не лучше — это такая же смесь концепций и догм ото всех ветвей исследований. Вызов для нас состоит в интегрировании многих частей углеродной истории в единое целое. Так что, возможно, когда мы стремимся понять границы знания — природу непознаваемого, нам следует поместить наши собственные человеческие ограничения в самое начало списка препятствий.
ТЕЛЕГРАМКанал с обзорами, анонсами новинок и книжными подборками
Книжный Вестник
Бот для удобного поиска книг (если не нашлось на сайте)
Поиск книг
Свежие любовные романы в удобных форматах
Любовные романы
О психологии, саморазвитии и личностном росте
Саморазвитие
Детективы и триллеры, все новинки
Детективы
Фантастика и фэнтези, все новинки
Фантастика
Отборные классические книги
Классика
ВКОНТАКТЕБиблиотека с любовными романами, которая наверняка придётся по вкусу женской части аудитории
Любовные романы
Библиотека с фантастикой и фэнтези, а также смежных жанров
Фантастика
Самые популярные книги в формате фб2
Топ фб2
книги