В нашей галактике

Альбедо Земли, почти лишенной атмосферы, по аналогии с Луной и Меркурием можно принять за 0,1. И тогда мы получаем, что, если светимость Солнца была на 40 процентов ниже сегодняшней, температура поверхности Земли составляла 33 градуса ниже нуля по Цельсию.

Постепенно атмосфера становилась массивнее. По мере выделения летучих компонентов из магмы наружу пары воды, замерзая, окутывали планету мощным слоем сверкающего льда и снега. Альбедо росло, и поэтому температура поверхности снижалась. Но нет худа без добра, основным компонентом земной атмосферы становился углекислый газ. И он, создавая парниковый эффект, начал подогрев. С ростом концентрации CO₂ в атмосфере поверхность Земли потихоньку разогрелась и льды начали таять.

Можно подсчитать, сколько CO₂ должно было накопиться в атмосфере, чтобы подогреть поверхность до 0 градусов Цельсия. Расчет гипотетического парникового эффекта был сделан В. Морозом. Такой расчет не прост, точной цифры не получишь. Поэтому в конце концов были найдены верхний и нижний пределы критического давления углекислого газа, давления, при котором начинается таяние льдов.

Мороз предположил, что альбедо Земли из-за того, что ее окутало снежное одеяло, изменилось от начального 0,1 до 0,45. Конечно, и эта цифра условна, потому что из-за неровностей рельефа и меняющейся облачности истинную величину альбедо почти невозможно определить. Но нам важно понять общее направление процесса.

Итог таков. Наименьшее давление углекислоты, при котором наступит таяние льда и снега, равно 0,3 атмосферы.

Что же происходит дальше? При выделении из мантии 10¹³ граммов углекислоты в год (полагают, что именно так и было) давление 0,3 атмосферы будет достигнуто через 440 миллионов лет. Затем начинается таяние, и альбедо быстро уменьшается, потому что отражательная способность воды меньше, чем у льда и снега. Становится немного теплее. Но, увы, углекислый газ начинает покидать атмосферу, происходит его растворение в воде, выщелачивание базальтов, образование карбонатов…

Потеря газа не может длиться долго, потому что с уменьшением количества углекислоты в атмосфере поверхность Земли остывает до нуля. Планету снова окутывает снег и лед. Вот мы и пришли к великим циклическим оледенениям, не раз сковывавшим поверхность Земли.

Идет время, становится теплее, оледенения повторяются, уменьшая амплитуду и длительность, пока все ярче разгорающееся Солнце не подогреет Землю и не уменьшит количество углекислого газа в атмосфере до уровня, близкого к современному: углекислоту поглотит океан.

Правда, мы не учли весьма важного обстоятельства: жизнь, возникшая на Земле 3,5 миллиарда лет назад, могла внести свои поправки и в баланс углекислого газа в атмосфере, и в углеродные циклы оледенения.

Нижняя возможная граница атмосферного содержания CO₂ в цикле оценена нами в 1,5·10²¹ грамма. Самое неопределенное в уравнении этого баланса — время жизни молекулы CO₂ в океане (от момента попадания в воду до перехода в молекулу известняка). Но миллиона лет на это явно хватит. И свои расчеты мы строили на этом щедром допущении.

Отсюда и вывод: характерное время циклических оледенений на примитивной Земле было около миллиона лет.

На Марсе сценарий возникновения атмосферы был в общих чертах схож с земным. С одним лишь отличием. Колебания марсианского климата могли быть связаны не только с механизмом углекислотного маятника, но и с регулярным изменением (очень медленным, с периодом в 50 тысяч лет) наклона оси вращения планеты. Таким образом, нельзя исключить длительных периодов «долгой марсианской весны» — так назвали эти времена американцы. А В. Мороз и я в нашей работе об эволюции атмосфер и климата планет использовали более «религиозный» термин — «марсианский рай». О возможных доказательствах существования такого «рая» мы поговорим позже, когда будем беседовать о Марсе, а сейчас мне хочется рассказать еще об одной теории образования атмосфер.

Все те изящные построения, которые мы сейчас обсуждали, основаны, по сути дела, лишь на одном простом предположении: дегазация, темп роста атмосферы происходили с постоянной скоростью начиная с того момента, когда закончилось формирование планеты. Но так ли это?

Известный советский ученый академик О. Шмидт указывал на то, что атмосфера и гидросфера Земли должны были образоваться очень рано. Еще до завершения сборки планет. Эту же мысль развивал замечательный геолог, прекрасный человек, недавно скончавшийся, К. Флоренский. Я неоднократно обсуждал с ним самые различные вопросы, связанные с эволюцией планет, и всегда поражался его эрудиции и готовности обсуждать самый широкий круг научных задач.

Идея о быстром образовании атмосферы Земли находила подтверждение и в некоторых геохимических данных. Но вся беда в том, что нужно было найти и как следует обосновать физический механизм, который мог бы обеспечить достаточно быстрое, или, как еще говорят, катастрофическое, образование атмосферы Земли. Такой механизм детально рассмотрел и рассчитал аспирант Института космических исследований М. Герасимов.