Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

Атмосфера Земли находится в зоне Златовласки и по количеству воздуха, которым мы располагаем. Плотность атмосферы Венеры в 100 раз выше, а из-за неконтролируемого парникового эффекта (см. ниже) температура ее поверхности составляет почти 480 °C. Марс имеет только 1 % земной атмосферы, и поскольку он к тому же располагается дальше от Солнца, температура его поверхности составляет –60 °C. Наш воздух, простирающийся над поверхностью лишь на 1 % радиуса Земли и содержащий лишь 1 миллионную долю массы планеты, как раз подходит для создания оптимальных условий для формирования и развития сложных молекул. Так было не всегда, и более того, само существование жизни сильно изменило состав нашей атмосферы и продолжает делать это по сей день.

Первозданная атмосфера

Как отмечалось в последней главе, Солнечная система состоит преимущественно из Водорода и Гелия. Как следствие, в атмосфере каждой планеты изначально преобладали именно эти два элемента, а также простые молекулы, которые Водород может образовывать со следующими по распространенности элементами: Кислородом, Углеродом и Азотом: вода (H₂O), метан (CH₄) и аммиак (NH₃). Обратите внимание, что изобильно встречающийся Водород присоединяется к каждому атому с достаточным количеством друзей, чтобы заполнить пустоту на внешней электронной оболочке своих более тяжелых «спутников» – два его атома вступают в связь с Кислородом, три – с Азотом и четыре – с Углеродом, как показано в главе 3. Сегодня в земном воздухе содержится 77,9 % N₂, 20,9 % O₂ и 0,9 % Аргона. Пять изначальных атомов и молекул в совокупности составляют менее 0,25 % современной атмосферы Земли, и большая часть этой массы – это итог испарения H₂O из океанов, покрывающих 71 % планеты. Содержание Гелия составляет всего 5 миллионных долей (ppm); метана – 1,9 ppm; H₂–0,5 ppm; а на долю аммиака, впервые обнаруженного в воздухе только в 2016 году, приходится 0,000033 ppm. Что привело к таким радикальным изменениям?

Как говорилось в главе 3, все атомы находятся в движении, а температура – это всего лишь мера кинетической энергии атомов и молекул, составляющих вещество. Атмосферные частицы на любой планете движутся со скоростью, соответствующей ее температуре, – на Земле при средней температуре поверхности 16 °C их средняя скорость составляет примерно 450 м/с (1600 км/ч) для молекул N₂. На Земле эти стремительные частицы удерживает гравитация, сила которой на поверхности определяется массой и диаметром планеты. Как показывает тот факт, что мы отправили ракеты на Луну, на другие планеты и даже за пределы Солнечной системы¹, можно достичь достаточно большой скорости, чтобы навсегда освободиться от пут земного притяжения и оторваться от поверхности Земли, – такая скорость должна составить 11,2 км/с (40 320 км/ч). Любой атом или молекула, достигшая ее, покинет планету и никогда не вернется.

Средняя скорость даже самой легкой молекулы Водорода составляет всего 1,8 км/с (около 6275 км/ч), поэтому может показаться, что ни атомы, ни молекулы не в силах ускользнуть (по крайней мере, без помощи NASA). Но вспомните из главы 3, что, хотя многие молекулы группируются со средней скоростью, некоторые движутся гораздо быстрее (именно благодаря этому высыхает ваша посуда, оставленная на ночь на полке). Поэтому часть первозданного легкого H₂ улетучивалась уже изначально. Кроме того, не только столкновения с соседями позволяют частицам достигать высоких скоростей, есть и другие способы. Если атомы или молекулы получают энергию за счет поглощения высокоэнергетических фотонов ультрафиолетового излучения, поступающего от Солнца, или за счет столкновений с высокоскоростными частицами, выбрасываемыми нашей звездой, то может возникнуть планетарный ветер, который унесет в космос много атмосферного вещества. При этом самые легкие частицы увлекут за собой и ряд более массивных частиц, точно так же, как ветер может сметать более тяжелые пылинки.