Планеты и жизнь

Сначала обратим внимание на тот примечательный факт, что при дегазации из недр Земли на поверхность прежде всего выделяются вода и углекислый газ. Об этом свидетельствует множество анализов состава вулканических газов и газов, содержащихся в магматических породах — базальтах. По оценкам разных авторов отношение массы воды к выделившемуся из мантии углекислому газу — от 4 : 1 до 10 : 1. То есть углекислоты поступает достаточно много. Именно углекислый газ, интенсивно поглощающий тепловые инфракрасные лучи, мог создать парниковый эффект, благодаря которому на планете появился океан, хотя Солнце грело плохо.

Чтобы не быть голословным в дальнейших рассуждениях, нужно рассчитать температуру поверхности Земли 4,5 миллиарда лет назад. Атмосфера тогда была разреженной, а ее давление в сто или тысячу раз меньше, чем нынче. Если это так, то среднюю температуру поверхности Земли нетрудно вычислить как функцию ее альбедо (отражательной способности).

Альбедо Земли, почти лишенной атмосферы, по аналогии с Луной или 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 своим парниковым эффектом 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 профессором В. Морозом. Такой расчет непрост, точной цифры не получишь. Потому в конце концов был найден 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? Вот что. При выделении из мантии 10¹³ граммов углекислоты в год (полагают, что именно так и было) такое значение давления 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: 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 количества углекислого газа в атмосфере до уровня, близкого к современному: углекислоту поглотит океан…

Правда, мы не учли весьма важное обстоятельство: 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.

Важным геохимическим следствием гипотезы должен быть резко отличный от нынешнего процесс образования карбонатов. При высоком содержании CO₂ в атмосфере и соответственно более низких значений pH воды главной формой карбонатных осадков должен быть доломит — карбонат магния, потому что он гораздо хуже кальцита растворяется в воде, насыщенной углекислым газом. Но все-таки растворимость карбонатов в таких условиях на порядок выше, чем при нынешнем pH и парциальном давлении двуокиси углерода. Возможно, именно этим объясняется скромное количество карбонатных осадков в докембрии.