Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

Современный состав нашей атмосферы относительно стабилен. Очевидные исключения вызваны антропогенным воздействием, связанным с редкими, но важными газами – это углекислый газ (CO₂), закись Азота (N₂O), метан (CH₄) и хлорфторуглероды, которые усиливают парниковый эффект и нагреют планету на несколько градусов еще до конца века, если мы незамедлительно не примем меры по смягчению этих перемен. Легчайшие газы, которые могут достигать второй космической скорости, – Водород и Гелий – все равно улетучиваются, едва возникнув: Водород – в процессе диссоциации воды в стратосфере под воздействием ультрафиолетового излучения (см. ниже), а Гелий – в ходе альфа-распада радиоактивных элементов в земной коре и океанах (напомним, что альфа-частицы – это всего лишь ядра Гелия). Скорость потерь Водорода составляет около 93 000 тонн в год, а утечка Гелия – 1600 тонн в год. Цифры могут показаться большими, но если учесть, что в океанах содержится 150 миллиардов триллионов тонн Водорода, это незначительный эффект… по крайней мере на данный момент¹².

В конце концов – через 7 миллиардов лет – Солнце расширится и станет красным гигантом, поглотив Меркурий и Венеру и опалив Землю. Однако нам не придется ждать так долго, чтобы увидеть еще одну масштабную трансформацию нашей планеты. Термоядерные реакции, происходящие в ядре, и сопутствующие изменения во внутренней структуре (глава 16) постепенно делают Солнце все ярче. Примерно через миллиард лет яркость нашей звезды повысится примерно на 10 %. Величина кажется скромной, но в десять раз превышает нагрев, вызванный парниковыми газами, которые мы добавили в атмосферу за двести лет. Более теплая поверхность Земли приведет к большему испарению H₂O из океанов. Но важнее всего то, как это отразится на высоте от 10 до 20 км над поверхностью Земли.

Тропосфера – это слой воздуха, который поднимается от земли примерно на 20 километров на экваторе и на 10 километров в средних широтах. Это слой, внутри которого рождается погода. На всем его протяжении температура неуклонно падает, составляя в среднем от 16 °C на поверхности до холодных –50 °C наверху. (На этих высотах в тропосфере летают самолеты, поэтому в следующий раз проверьте на мониторе полета температуру наружного воздуха.) Выше располагается стратосфера, простирающаяся вверх на 50–60 км. В ней температура снова повышается, достигая наверху примерно 0 °C. Именно в нижней стратосфере находится слой молекул озона (O₃), который не позволяет большей части ультрафиолетового излучения Солнца попасть в нижние слои атмосферы и на поверхность планеты¹³.

Минимальная температура на границе тропосферы и стратосферы означает, что воздух там очень сухой. Во-первых, холодный воздух может содержать меньше водяного пара, чем теплый, а во‐вторых, большая часть водяного пара конденсируется в жидкость по мере того, как он поднимается и охлаждается в верхних слоях тропосферы, выпадая в виде дождя или снега, даже не достигнув границы. Поэтому в среднюю стратосферу поднимается очень мало воды. Это очень важно, потому что только там, над защитным озоновым слоем, ультрафиолетовое излучение Солнца может разрушить молекулы H₂O и позволить H₂ улетучиться.

Однако по мере того, как Солнце становится ярче, а пограничный слой нагревается, утечка Водорода из нынешней струйки спустя миллиард лет превратится в поток. В течение еще одного миллиарда лет большая часть океанов испарится, и Земля станет горячей, сухой и свободной ото льда. Еще через миллиард или два миллиарда лет вся вода исчезнет, и Земля станет напоминать Венеру, на которой этот процесс завершился в течение первого миллиарда лет существования Солнечной системы, после чего в атмосфере планеты начал преобладать CO₂, а температура ее поверхности достигла 460 °C. Жизнь, известная нам, исчезнет. Хорошая новость в том, что у нас еще много времени (в 10 000 раз больше, чем властвуют Homo sapiens), чтобы понять, что нам делать.

Глава 15 День рождения Солнца: формирование Солнечной системы

Моя бабушка по отцовской линии была белоруской и понятия не имела, когда у нее день рождения. Причиной тому была не утрата ума – она умерла в девяносто девять лет и сохранила ясность мышления до самых последних дней. Просто в конце XIX века в царской России крестьян не особо волновало, когда у них день рождения. Полагаю, то же самое можно сказать и о Солнечной системе: выяснение точной даты ее появления на свет – это не столь серьезная проблема. Впрочем, это удовлетворило бы праздное любопытство и помогло бы объяснить, почему планеты устроены так, как устроены, а также расширило бы сферу применения наших историков-атомов за пределами существования самой Земли. В сущности, благодаря им мы даже можем получить некоторое представление о том, что происходило в окрестностях нашей планеты до того, как возникло Солнце.

Сценарий формирования