Большая история. С чего все начиналось и что будет дальше

Астроном Карл Саган (один из великих первопроходцев в создании современной истории происхождения мира) отмечал, что ответ на этот вопрос жизненно важен, потому что он может разрешить другую загадку. Такие звезды, как наше Солнце, по мере старения испускают все больше энергии, и количество тепла, поступающего на Землю, постепенно увеличивается. Когда планета была молодой, Солнце излучало на 30 % меньше энергии, чем теперь. Так почему же в начале своего существования Земля не была ледяным шаром, слишком холодным, чтобы на нем могла возникнуть жизнь, таким как нынешний Марс? Карл Саган назвал это парадоксом слабого молодого Солнца.

Как оказалось, ответ состоит в количестве парниковых газов в древней атмосфере. Их было столько, что Земля смогла нагреться достаточно для появления жизни. Едва ли в первой ее атмосфере был свободный кислород, но парниковых газов было много, особенно водяного пара, метана и углекислого газа – их извергали из мантии вулканы или поставляли астероиды. Парниковая атмосфера была еще одним важным условием Златовласки для жизни на молодой Земле.

Но насколько эта древняя парниковая атмосфера была стабильна? Или, если обобщить, что позволило поверхности Земли остаться в магическом диапазоне температур между 0 и 100 °С, когда Солнце стало излучать больше энергии? В 70-е годы XX века Джеймс Лавлок и Линн Маргулис утверждали, что, по-видимому, Землю удерживали в диапазоне Златовласки мощные механизмы саморегуляции. Как мы видели, они назвали эти механизмы Геей. Гею образовывала совокупность взаимосвязей между геологией Земли и ее живыми организмами, благодаря которой планета оставалась благоприятной для жизни. Многие ученые по-прежнему скептически относятся к гипотезе Геи. Тем не менее очевидно, что механизмы обратной связи в биосфере существуют и многие из них действительно действуют как термостаты, частично регулируя температуру поверхности планеты. Часть этих механизмов геологические, но в других задействованы живые организмы.

Один из важнейших термостатов имеет чисто геологическую природу, так что он должен был начать работать еще до появления жизни на Земле. Он объединяет тектонику и другой двигатель изменений на планете – эрозию. Если благодаря тектонике горы образуются, то эрозия их разъедает. Ветер, вода и разнообразные потоки химических веществ разрушают горные породы и перемещают их в океаны в соответствии с гравитационным градиентом. Благодаря эрозии горы такие, какие они есть, а не гораздо выше; благодаря тектонике они все вообще не исчезли, превратившись в одну огромную мировую равнину. Конечно, сама по себе эрозия – это побочный продукт тектоники, потому что и ветер и дождь – это порождения недр Земли. А образование гор может ускорить эрозию, потому что гравитация превращает высокогорные реки в разрушительные потоки, которые пропахивают землю и стремительно уносят почвы к океану.

Геологический термостат действует следующим образом. Углекислый газ, один из самых мощных парниковых газов, растворяется в дождевой воде и попадает на Землю в виде углекислоты. Она разъедает горные породы, и побочные продукты этих реакций с высоким содержанием углерода смывает в океан. Здесь часть углерода остается в карбонатных породах. В местах, где в зоне субдукции тектонические плиты погружаются обратно в мантию, часть его (в основном в форме известняка) может оказаться погребена в ней на миллионы и даже миллиарды лет. Таким образом, тектоническая конвейерная лента уносит углерод из атмосферы, в результате чего содержание углекислого газа должно уменьшаться, вызывая похолодание климата. Теперь нам известно, что в мантии захоронено гораздо больше углерода, чем можно найти на поверхности Земли или в ее атмосфере.

При этом, конечно, если бы под землей оказалось слишком много двуокиси углерода, планета бы замерзла. Этому препятствовал (бóльшую часть времени) второй принцип геологического термостата. Под действием тектоники плит (на ледяном Марсе этот механизм, скорее всего, не работает) углекислый газ может вернуться в атмосферу в зонах дивергенции, где вещества мантии, в том числе захороненная двуокись углерода, поднимаются на поверхность через вулканы[79]

. Две части этого механизма находятся в равновесии, потому что повышение температур увеличивает количество дождей, это ускоряет эрозию, и в мантию уходит больше углерода. Но когда Земля остывает слишком сильно, дожди иссякают, под землю попадает меньше двуокиси углерода, содержание углекислого газа растет, потому что его накачивают в атмосферу вулканы, и все снова нагревается. Геологический термостат подстраивается под разогревающееся Солнце уже более 4 млрд лет[80].