Джордж и ледяной спутник

Океаны Земли

Земля – наша с вами голубая планета – заметно отличается от всех остальных планет Солнечной системы: она почти на три четверти покрыта океанами. Откуда взялись эти океаны? Как ни удивительно – из космоса! Когда Земля формировалась, её поверхность была чересчур горячей, поэтому вода на ней не скапливалась, а испарялась. Как на вершинах высоких гор мы видим снежные шапки выше «снеговой линии» – чем выше, тем холоднее атмосфера, поэтому снег в горах не тает, – так и в Солнечной системе: чем дальше от раскалённого молодого Солнца, тем ближе к поясу вечных льдов.

В то время частицы льда могли появиться в Солнечной системе только там, где было достаточно холодно, – то есть намного дальше от Солнца, чем находится Земля: в поясе астероидов где-то между Марсом и Юпитером. Это значит, что океаны занесены на нашу Землю извне. Многие думают, что вода попала на нашу планету, когда молодую Землю бомбардировали ледяные метеориты или кометы из пояса астероидов.

С тех пор эти внеземные молекулы воды никуда не делись, а новых не появилось. В течение последних 3,8 миллиарда лет (древнейшие следы присутствия жидкой воды найдены на юго-западе Гренландии в отложениях именно такого возраста) наши океаны остаются на поверхности Земли, где они проходят два круговорота.

В первом круговороте тепло Солнца в тропиках превращает часть океана в пар (такой же, какой выходит из носика кипящего чайника или из парового двигателя) и в облака. Поднимаясь, облака остывают и проливаются дождём, дождевые струи собираются на земле в ручьи и реки и впадают обратно в океан.

Во втором круговороте вода просачивается в недра Земли через глубоководные разломы в океанической земной коре. Эта вода вскоре возвращается на поверхность через вулканы или гидротермальные источники.

То есть те же самые молекулы воды, которые льются у вас дома из крана, были свидетелями каждой секунды истории Земли! Они застали появление жизни и первых многоклеточных организмов. Весьма вероятно, что в какой-то момент эти молекулы воды прошли и сквозь тело динозавра. Возможно, вы делаете себе чай из воды, которую жадно хлебал тираннозавр!

У воды есть необыкновенная особенность, из-за которой океаны совершенно необходимы для жизни на Земле. Речь идёт о способности воды растворять в себе другие вещества. Положите в стакан воды ложечку соли или сахара – и их кристаллы исчезнут из виду, растворятся. Это происходит из-за «полярности» молекул воды, то есть их слабого электрического заряда. Полярность молекул воды привлекает в раствор многие вещества.

Вода становится более сильным растворителем, если её подкислить, соединив с чем-нибудь наподобие углекислого газа. В результате такой реакции появляется угольная кислота. Сделайте глоток газированной воды (пузырьки в ней – это углекислый газ) – почувствовали кислинку? Из-за этой кислинки мои сыновья, оба, морщат нос, когда пьют газировку. Так вот, когда вода проходит путь от океанов к облакам, потом к дождю и рекам, она подкисляется, оттого что вступает в реакцию с углекислым газом в нашей атмосфере. Подкисленная вода растворяет горные породы (это называется выветривание), уносит их в реки, и в итоге они попадают в океаны. Видели когда-нибудь красновато-бурые реки? В них полно железа, вымываемого из горных пород.

В океанах накапливаются все вещества, попавшие туда с суши (а также со дна океана из горячих источников, таких как удивительные «чёрные курильщики»). Но сами молекулы воды продолжают свой путь, возвращаясь в облака, – а растворённые вещества остаются. Некоторые из них концентрируются в океане до такой степени, что снова превращаются в минералы и выпадают в осадок. В итоге получаются осадочные породы, из которых самые важные – это известняки (карбонат кальция) и песчаники (силикаты). Поэтому растворённые вещества накапливаются в морской воде только до определённого предела.

А вот натрий и хлор, из которых состоит поваренная соль, в отличие от большинства химических элементов, выпадают в осадок из океана только изредка, при исключительных обстоятельствах. Например, около шести миллионов лет назад всё Средиземное море высохло до состояния лужи, оставив гигантские отложения соли. Из-за того, что натрий и хлор в естественных условиях не выпадают в осадок, море всегда солёное.

Именно благодаря выветриванию на Земле смогла появиться и сохраниться жизнь: оно действует как термостат для планеты. Скорость выветривания зависит от температуры Земли. Если по какой-то причине температура поднимается – например, из-за усиления яркости солнечного света на протяжении истории Земли или из-за повышения уровня углекислого газа (парникового газа, согревающего Землю) в атмосфере нашей планеты, – то горные породы на Земле размываются быстрее. Это приводит к притоку разных элементов (в том числе углерода) в океаны, что, в свою очередь, ускоряет осадконакопление. От этого в известняках собирается всё больше углекислого газа, что возвращает планету к её изначальным условиям и предохраняет мир от перегревания. Однако выветриванию удаётся уберечь Землю не только от перегрева, но и от полного замерзания. Подумайте, каким образом это происходит. Хотя выветривание поддерживает температуру, благоприятную для возникновения жизни, мы не знаем и, возможно, никогда не узнаем, где именно на нашей Земле зародилась жизнь (вот вам и задачка на будущее!). В «маленькой тёплой лужице», как предположил великий исследователь природы Чарльз Дарвин, – или в глубинах океана? Но как бы то ни было, одно мы знаем наверняка: появление и развитие жизни зависели от воды. Вещества в горных породах земной коры накрепко связаны, океан же – жидкий коктейль, в котором все эти вещества (и органические молекулы) в высшей степени доступны, свободно могут распространяться и вступать в реакции друг с другом. Это – необходимое условие для появления жизни.

Принято думать, что прибежищем для первых проявлений жизни, скорее всего, стали океанские глубины – на поверхности ранней Земли условия были куда менее благоприятными. И океаны же служили преградой для вредного излучения и экстремальной температуры, развитие жизни в них было защищено от бомбардировки метеоритами и от извержения вулканов.

Учёные считают, что первые два миллиарда лет история жизни (возникшей из неизвестных источников предположительно около 2,7 миллиарда лет назад) почти наверняка ограничивалась океанами. Но неизбежный эффект обратной связи вёл жизнь к усложнению. Бурное развитие микроорганизмов привело к накоплению химических побочных продуктов (особенно кислорода в атмосфере), большинство которых были токсичны. Поэтому, чтобы лучше контролировать свой внутренний химический состав, простые клетки обзавелись сложной внутренней структурой (такой вид клеток называется эукариоты) и в итоге дали начало разным типам живых существ.

Развитие многоклеточности совпало с самым ярким новшеством в эволюции жизни – появлением скелета. В ходе «кембрийского взрыва», 0,54 миллиарда лет назад, в летописи окаменелостей виден переход от слабых неясных отпечатков к разнообразию окаменелых раковин, бесспорно свидетельствующих о сложности организмов (Дарвин ошибочно считал этот «взрыв» началом жизни на Земле).

Раствор минералов, сконцентрированных в океанах – как уже объяснялось выше, – облегчал формирование твёрдых частей тела, таких как раковины. Подобно тому как впоследствии, параллельно с эволюцией хищных тираннозавров, у рогатых динозавров на голове развивались сложные причудливые структуры, так и эти первые «биоминералы» позволяли обзавестись бронёй, защищавшей их обладателей от действия природных факторов, ядов и, что немаловажно, от хищников.

Скелеты – раковины и кости – придавали твёрдость, необходимую животным для того, чтобы сделать первые шаги на сушу!

На протяжении истории Земли выветривание поддерживало кислотно-щелочной баланс – равновесие между кислотой (углекислым газом) и щёлочью (растворёнными в океане ионами). Можно представить себе континенты как «антацид», то есть средство от несварения, для океана. С тех пор как океаны существуют, они всегда были слегка щелочными – что идеально для создания скелета.

Однако перед нами – и перед будущими поколениями землян – стоит серьёзная задача, которая всё усложняется.

Бурный рост человечества и наша потребность в ископаемом топливе приводят к тому, что углекислота поступает в океаны с огромной скоростью, повышая их кислотность. Через миллион лет или около того растворение наших континентов ускорится настолько, что начнётся нейтрализация этого мощного выброса углекислоты в океанские воды. Но выветривание идёт медленно, а пока что океаны со временем становятся немножко менее щелочными и немножко менее насыщенными. Этот процесс часто называют «закислением» океанов. Более точным термином было бы «снижение темпов ощелачивания океанов», но это гораздо хуже смотрелось бы в заголовках статей.

Хрупким организмам, таким как коралловые рифы, всё труднее выращивать скелеты для новых поколений. И это могло бы иметь колоссальные последствия для всей морской экосистемы, если бы не тот факт, что организмы умеют адаптироваться, причём быстро!

Некоторые учёные считают, что мы должны вмешаться и исправить глобальное потепление и окисление, удаляя углекислоту с помощью геоинженерии. Такой мерой могло бы стать и управление выветриванием, чтобы в моря поступало больше щелочных элементов.

Но имеем ли мы право брать на себя ещё один эксперимент в масштабах всей планеты?

А вы как думаете?

Рос