Что скрывает атмосфера, или Как возник воздух…

Таким образом, чтобы понять, что такое воздух, нужно понять суть вулканического извержения. И для рассказа нам не найти лучшего примера, чем самое изученное в истории извержение вулкана, и лучшего героя, способствовавшего известности этого извержения.

История горы Сент-Хеленс, хотя она не такая уж старая, все же связана с тем периодом времени, когда Земля еще только формировалась. Примерно 4,5 млрд лет назад в нашем уголке Вселенной взорвалась сверхновая звезда, распространив в космосе ударную волну. Эта ударная волна врезалась в море газообразного водорода и взбаламутила его недра, заставив закрутиться воронкой. Под действием гравитационных сил из 99,9 % этого газа образовалась новая звезда – наше Солнце. Основная часть оставшегося газа была вытолкнута на задворки зарождавшейся Солнечной системы, где из него сформировались гигантские газовые планеты, такие как Юпитер и Сатурн.

Совсем небольшая часть газового облака осталась между Солнцем и газовыми гигантами, и химические элементы из этого облака – кислород, углерод, кремний, железо и другие – стали соединяться друг с другом сначала с образованием микроскопических частиц, потом – камней и астероидов, а затем – твердых тел размером с континенты. Гравитация – эффективный дворник, быстро собравший маленькие фрагменты в большие планеты – по некоторым оценкам, это произошло всего за миллион лет. Когда соединилось достаточное количество частиц, возникли каменистые планеты, в том числе Земля. Таким образом, все, что нас окружает, – пол под ногами, книга в руках и даже наше собственное тело, – каким бы твердым ни казалось, произошло из газа. Каждый из нас – бывший газ.

Кажется странным говорить о твердых телах, таких как планета Земля, как о бывшем газе, но это совершенно оправданно, если разобраться в том, что такое газ и твердое вещество на молекулярном уровне. Молекулы твердого вещества имеют постоянную «прописку» и не могут сильно от нее отклоняться. Вот почему твердые вещества хорошо сохраняют форму. Молекулы жидкостей тоже касаются друг друга, но у них больше энергии и свободы для движения, что объясняет их текучесть и способность принимать форму емкости, в которую их помещают. Молекулы газа не соприкасаются друг с другом; они «асоциальны» и держатся на расстоянии от соседних молекул. А если они сталкиваются, то отскакивают в новых направлениях, как шарики в 3D-бильярде. В среднем при 22 °C молекула воздуха перемещается со скоростью около 1000 км/ч.

Таким образом, на определенном уровне газы, жидкости и твердые вещества сильно различаются, и поначалу ученые классифицировали такие вещества, как вода, лед и пар, как разные субстанции. Сегодня мы знаем, что это не совсем верно. Нагрейте кусок льда, и его молекулы разорвут сковывающие их цепи и начнут двигаться, как в жидкости. Добавьте еще тепла, и молекулы жидкости присоединятся к воздуху, превратившись в пар. Эти три субстанции – одно и то же вещество, только в разных обличьях. И другие соединения тоже могут претерпевать подобные превращения. Мы не привыкли думать, скажем, о железе, кремнии или уране из горных пород как о потенциальных газах, однако любое вещество из периодической таблицы можно превратить в газ, если соответствующим образом нагреть. И обратный процесс тоже имеет место. Охладите газ, и он превратится в жидкость. Охладите еще сильнее – и получите твердое вещество. Сдавливая газ, его тоже можно перевести в менее свободное состояние.

Вещества постоянно переходили из одного состояния в другое на первозданной Земле – бурлящем и расплавленном космическом теле, даже отдаленно не напоминавшем гладкую и уютную планету, на которой мы сегодня живем. Когда космические камни только начали сбиваться в общую массу, гигантские гравитационные силы расплавили большинство из них. Более плотные жидкости (такие как расплавленное железо) оказались внутри, а более легкие остались на поверхности и вновь затвердели при соприкосновении с космическим холодом. Такая Земля походила на яйцо: железный желток, вокруг вязкая мантия и тонкая оболочка камней. Однако внешняя оболочка оказалась расколота на миллионы фрагментов, и через трещины на поверхность просачивалась раскаленная лава. Тогда на Земле ночью было видно оранжевое свечение лавы, которая нередко пенилась и взлетала вверх, как фонтаны в аду.