жизнь и смерть планеты Земля с прологом и эпилогом
В предыдущей статье «Глобальная Эволюция» говорилось, что понятие «эволюция» придает смысл, логику и стройность всему гигантскому массиву накопленных человечеством знаний. Развивая далее тему достижений современной науки и продолжая нанизывать жемчужины фактов на нить причинно-следственных связей, предлагаем вниманию читателей следующую статью из этого цикла об эволюции планеты Земля.
Пролог
Однажды, 5 млрд. лет назад, в одном из спиральных рукавов галактики Млечный Путь взорвалась и погибла Сверхновая звезда. Из молекулярного облака, образовавшегося на месте гибели Сверхновой, стала формироваться новая планетарная система. Под действием ударных волн, гравитационных и центробежных сил она стала вращаться и приняла форму диска. В центре диска за счет гравитационного коллапса образовалась новая маленькая звезда - желтый карлик под названием Солнце, а вокруг звезды из неоднородностей газопылевых поясов стали формироваться протопланеты...
Здесь хочется уточнить, что все природные эволюционные процессы, а особенно геологические идут крайне медленно, поэтому для их проявления требуются миллионы, или даже миллиарды лет. По сравнению с библейскими сроками такие огромные промежутки времени трудно себе представить и осознать. Не удивительно, что у многих возникает естественный скептицизм и вопросы: «Как измеряют такое время? Насколько можно этим измерениям доверять?» И, вообще, измерение времени в эволюционных процессах имеет принципиальное значение. Успехи современных наук в немалой степени связаны с успешным измерением, как малых, так и огромных промежутков времени. Хочется заверить скептиков, что успехи физики и физических методов измерений сами по себе, а также проникновение этих методов во все смежные с физикой науки позволили добиться ошеломляющих результатов в определении дат в истории Земли. Существует множество разных прямых и косвенных методов, которые взаимно дополняют и контролируют друг друга. Например, термолюминисцентный, палеомагнитный, бурение дна в океане и льда в Антарктиде, или определение возраста осадочных пород по стратиграфической шкале. Но главным методом, безусловно, является метод радиоизотопного датирования. Тут физики преподнесли геологам поистине царский подарок. Метод стал настолько популярным, что его используют не только геологи, но и археологи и даже лингвисты. Он основан на том, что превращение всех радиоактивных изотопов элементов в стабильные зависит только от времени и происходит по одному экспоненциальному закону. Если измерить концентрации двух изотопов одного элемента в каком-нибудь куске горной породы, то закону радиоактивного распада можно найти время образования этой породы. Наверняка, многие слышали о радиоуглеродном методе, использующем радиоактивные изотопы углерода C14 . Но изотопы углерода относительно короткоживущие, поэтому с их помощью археологи измеряют времена не более 50 – 60 тыс. лет. А вот с помощью изотопов свинца Pb205 c периодом полураспада 30 млн. лет, или калия К40 с периодом полураспада 1,2 млрд. лет можно измерять промежутки в сотни миллионов и в миллиарды лет.
Кроме того, дополнительные сведения о прошлом Земли дают фотографии поверхности земли с искусственных спутников, зондирование атмосферы, изучение дна Мирового океана, регистрация землетрясений, наблюдения солнечной активности и солнечных затмений, исследования Венеры и Марса, образцы лунного грунта, анализ снимков с орбитальных телескопов «Хаббл» и «Кеплер» и многие другие исследования, интенсивно проводимые в последние десятилетия. Наряду с геологией, они касаются эволюционной биологии, палеонтологии, климатологии, и вносят свой вклад в новую единую теорию эволюции Земли. Эта теория пока только формируется, и должна с единых позиций объяснить происхождение всех процессов в истории Земли, в том числе биологических и климатических. Конечно, в истории Земли еще хватает белых пятен и черных дыр, но общая схема развития планеты за время ее существования уже известна с достаточной степенью надежности. На ее основе, используя компьютеры и методы математического моделирования, можно заглянуть и в будущее. К этому мы еще вернемся.
Сотворение Земли и Луны
Долгое время датой сотворения мира считался 4004 г. до н.э., вычисленный христианскими богословами по данным из Библии. Получалось, что Земля и жизнь на ней была создана 6 тыс. лет назад. Однако данные современной геологии несколько отодвинули этот возраст. Старейшие из найденных на данный момент земных пород имеют возраст 4,4 млрд. лет, а самые старые из известных метеоритов, сформированные в пределах Солнечной системы, имеют возраст 4,567 млрд. лет. Ну, а Земля образовывалась в промежутке этих дат приблизительно 4,55 млрд. лет назад, и реальная картина рождения планеты отличается от библейской идилии о сотворении мира за шесть дней.
Новорожденная планета представляла собой холодный конгломерат слипшихся частиц пыли и льда, сгустков газов, кусков железа, кремния, углерода, их окислов и гидроокислов. Такой холодной, рыхлой, бомбардируемой метеоритами, кометами и астероидами наша планета была на протяжении первых 500 млн. лет. Над безжизненной Землей молодое и тусклое Солнце всходило и садилось каждые 5 – 6 часов. Сверху падали огромные метеориты и вздымали фонтаны пыли, оставляя гигантские кратеры, которые быстро затягивались приливными волнами, прокатывающимися по Земле. На черном небе не мигая светили звезды и нависала огромная раскаленная красная Луна…
В последние годы стало понятно, что большую роль в эволюции Земли играла Луна. Приобретение такого большого спутника оказало огромное влияние на состояние Земли, особенно на начальном этапе. Есть разные версии ее происхождения. По самой последней - через 30 млн. лет после возникновения Земли произошло ее касательное столкновение с протопланетой Тея. В результат Земля стала вращаться быстрее (оборот за 5 ч) и получила наклон оси вращения относительно плоскости орбиты, а из обломков Земли и Теи образовалась Луна. Кроме ответственности за приливы, Луна ускорила тектонические процессы в земной коре и стабилизировала ось вращения планеты. Причем после своего образования она была на более близком расстоянии от Земли (~60 тыс. км). Вращение планеты и спутника в одном направлении, но с разными скоростями и взаимодействие приливных волн стало приводить к замедлению вращения Земли и удалению Луны. В результате сейчас Земля делает оборот за 24 часа, а расстояние до Луны - 363 тыс. км. Это расстояние продолжает увеличиваться со скоростью 4 см в год. Ну а в будущем земные сутки и время оборота Луны сравняются.
Литосфера, атмосфера, гидросфера
Холодное и однородное протовещество планеты 4 млрд. лет назад начало нагреваться. Происходившие процессы гравитационного сжатия, столкновения протопланет, сильного приливного трения из-за взаимодействия с Луной, а затем и распад радиоактивных изотопов происходили с выделением тепла. В конце концов, это тепло расплавило протовещество планеты. В этом полужидком однородном расплаве под сильным действием Луны прокатывались огромные приливные волны высотой несколько сотен метров. Такое сильное взаимодействие тормозило вращение Земли и увеличивало радиус обращения Луны. По мере удаления Луны и уменьшения приливных сил, началось остывание земной коры. Под остывающей и твердеющей внешней корой продолжал бурлить полужидкий вязкий расплав при температуре около 1400 С°, получивший название - мантия. Постепенно в мантии под действием силы тяжести началась гравитационная дифференциация - тяжелые элементы – металлы опускались вниз, и, собираясь в центре, формировали ядро. На поверхность всплывали легкие вещества – силикаты, которые остывая, образовали твердую земную кору - литосферу. Таким образом, в мантии возникли (и до сих пор происходят) сильные конвективные потоки. Тяжелые вещества опускаются, а легкие – всплывают. Но из-за высокой вязкости мантийного вещества эти процессы происходят очень медленно – в течение сотен миллионов лет. Возникновение слоистой структуры Земли и начало конвекции в мантии запустило тектонические процессы вулканизма, землетрясений, движения литосферных плит. А по мнению одного из ведущих специалистов по эволюции Земли, российского геофизика и гидрогеолога О.Г. Сорохтина, именно гравитационная дифференциация земного вещества, приводящая к химико-плотностной конвекции в мантии, является главным планетарным процессом, управляющим эволюцией Земли.
Формирующаяся тонкая земная кора, под действием сил конвекции в мантии, центробежных сил вращения планеты, приливных сил Луны трескалась и распадалась на отдельные плиты. Эти литосферные плиты стали плавать по поверхности мантии, как бревна в воде. Сталкиваясь друг с другом, то слипаясь, то разъединяясь, они перемещались по поверхности Земли. Столкновения и слипания отдельных литосферных плит привели к образованию современных континентов. Теперь уже перемещаются континенты, как целое. В геологии это называется «дрейфом континентов». В местах столкновений континенты могли наползать друг на друга, что приводило к смятию и поднятию коры и образованию горных систем. Например, при столкновении Азии с Индийской плитой образовался Азиатский горный пояс. В местах разрыва континента образуются разломы и рифтовые долины. Например, по линии Восточноафриканской рифтовой долины восточная Африка отрывается от остального континента.
Дрейф континентов периодически приводил к их соединению в один «суперматерик». За свою историю Земля пережила существование четырех "суперматериков": Моногея, Мегагея, Мезогея (Родиния) и Пангея. Последний суперматерик Пангея образовался 200 миллионов лет назад, а затем распался на две части. Южную часть назвали «Гондвана», а северную - «Лавразия». Лишь 65 миллионов лет назад и Гондвана, и Лавразия, в свою очередь, раскололись, а некоторые их части, наоборот, соединились. В месте современных Гималаев Индийская плита грубо наползла на Азиатскую, Южная Америка аккуратно соединилась с Северной, Антарктида откочевала на юг, и очертания материков приняли современный вид. Дрейф континентов продолжается и в наше время, но с меньшей скоростью 2 – 8 см в год. По прогнозам геологов через 200 - 300 млн. лет континенты снова соединятся в новый суперматерик Амазия, который возникнет из слияния Северной Америки и Евразии при столкновении Аляски с Чукоткой в районе Берингова моря.
Синхронно с началом тектонических процессов 4 млрд. лет назад начался процесс дегазации Земли, приведший к образованию атмосферы и гидросферы. Возникновение гидросферы и атмосферы было эпохальным событием в истории Земли. С тех пор они сосуществуют совместно и находятся в сложном взаимодействии. В древние эпохи катархея и архея толщина земной коры была настолько тонкой, что расплавленное вещество мантии постоянно прорывало кору и через трещины и жерла вулканов выбрасывало на поверхность газы, пепел, магму, водяные пары. Раскаленная земля покрылась вулканами, из которых вырывалось огромное количество газов во время грандиозных извержений. Масса планеты была уже такова, что выделяемые газы не улетали в космическое пространство, а накапливались у поверхности. Так, возникла первичная атмосфера, состоявшая из смеси водяного пара, азота, метана, аммиака, сероводорода и углекислого газа. Постепенно, по мере общего остывания Земли, выделяемые пары воды, охлаждаясь, собирались в облака. Облака превращались в тучи, и те в виде дождя низвергали потоки воды, которые, собираясь во впадинах, образовывали первичные моря. При этом ежегодно из недр земли поступало около 1,3 км 3 воды. Как только около 2,2 млрд. лет назад уровень морей превысил высоту срединных океанических хребтов, моря слились в один Мировой океан - Моноталасса. Так началась океанизация Земли, которая продолжается и сейчас. При наблюдаемых современных темпах поступления эндогенной воды – 0,25 км 3 в год, через 10 тыс. лет уровень океана поднимется на 6 м. Это неизбежно будет сопровождаться ускорением таяния полярных ледников Гренландии и Антарктиды. Через 100 тыс. лет уровень поднимется на 120-130 м. Под водой окажутся все равнины Земли. Максимум океанизации будет достигнут в ближайшие сотни тысяч лет, но затем начнется падение уровня океана.
Кислородная революция
Долгое время в первичной атмосфере кислорода не было. А без него не могло существовать озона и озонового экрана. Поэтому космические лучи легко проникали на Землю, и под их действием в порах земного грунта и водах первичных морей разлагались одни соединения и возникали другие, в том числе сложные органические макромолекулы. Макромолекулы соединялись в нуклеотиды, нуклеотиды – в РНК и ДНК. Таким образом, химические процессы переросли в биологические около 3,7 млрд. лет назад с возникновения прокариот – простейших одноклеточных организмов. Это стало началом жизни. Современные исследования биологов показывают, что филогенетический последний универсальный общий предок жил около 3,5 млрд. лет назад, или раньше. Эта клетка является предком всех современных живых существ на Земле.
В процессе образования Мирового океана под действием ультрафиолетового солнечного излучения происходила фотодиссоциация воды и водяных паров с образованием кислорода. Но этот кислород расходовался на окисление веществ, растворенных в воде. Затем в океане появились цианобактерии. Цианобактерии, или сине-зеленные водоросли стали «творцами» современной кислородсодержащей атмосферы на Земле. Они «изобрели» кислородный фотосинтез, при котором под действием солнечного света поглощали углекислый газ и воду, а выделяли кислород. Они и по сей день сохранили за собой эксклюзивные права на осуществление этого жизненно важного для всей биосферы процесса. Появление кислородного фотосинтеза 2,5–2,4 млрд лет назад стало важнейшим поворотным пунктом эволюции благодаря которому в атмосфере стал накапливаться «эликсир жизни», и стало возможным существование высших организмов.
По мере накопления кислорода, в верхних слоях атмосферы под воздействием ультрафиолетового излучения молекулы кислорода О2 превращались в молекулы озона О3. Возникнув 2 млрд. лет назад, озоновый слой стал поглощать значительную часть ультрафиолетового излучения, которое когда-то свободно проходило через атмосферу. Без озона постоянное облучение органических соединений жестким ультрафиолетом вызывало бы неустойчивый уровень мутаций в клетках и не давало бы развиваться сложным организмам. Защита озонового слоя уменьшила процесс фотодиссоциации и позволила клеткам развиваться и создавать многоклеточные организмы. Таким образом, озоновый слой стал второй «подушкой безопасности» для развивающейся жизни.
Появление свободного кислорода привело к «кислородной революции». Земная атмосфера стала азотно-кислородной, ее давление стабилизировалось на значении 1 атм. Кислородная атмосфера привела к окислению большинства химических элементов и перестройке жизненных циклов микроорганизмов. Окисление кислородом продуктов жизнедеятельности - оказалось самым энергетически выгодным процессом. Поэтому при достижении концентрации кислорода в атмосфере 1% от современного уровня все микроорганизмы перешли на кислородное питание. Дальнейшее накопление кислорода и увеличение его парциального давления до 10% сделало возможным около 400 млн лет назад выход на сушу высокоорганизованной жизни. Затем тропические леса быстро за 100 млн. лет довели концентрацию кислорода до современного уровня.
Голубая бусинка на солнечном луче
Вот так наша Земля из раскаленной, покрытой вулканами, огнедышащей планеты превратилась в прекрасный мир голубых океанов, зеленых материков и синего неба. При взгляде из космоса Земля кажется голубой бусинкой, подвешенной на солнечном луче… Возвращаясь же к языку науки, это единственная из планет солнечной системы, имеющая гидросферу, азото-кислородную атмосферу и оптимальную среднюю температуру15 С°. А красоту, своеобразие и неповторимый сине- голубой цвет ей придают Мировой океан и озоновый слой.
После того как 40 млн. лет назад Земля приняла современный «жилой» вид на ней стали бурно развиваться млекопитающие, появились приматы, а затем и Homo Sapiens. Но здесь мы не будем «разливаться мыслями по древу» об эволюции жизни и человечества. Наша тема – эволюция Земли, как планеты солнечной системы. Для науки Солнце не является уникальным объектом - это желтая звезда спектрального класса G2, аналогов которой очень много в нашей Галактике и ее окрестностях. Эволюция звезд такого типа очень хорошо изучена. Их жизненный цикл от рождения до смерти - 9 - 10 млрд. лет. Чуть меньше времени отпущено ближним планетам солнечной системы, в том числе и Земле. Ну а срок существования жизни на Земле еще меньше, в простейших формах - около 6 млрд. лет, а для млекопитающих - не более миллиарда. Таким образом, мы знаем, что рано или поздно Солнце сильно расширится и перейдет в стадию красного гиганта. И тогда безжалостный солнечный луч сожжет голубую бусинку…
Конец Света, или в чем наука солидарна с религией
Религиозная концепция Бога предполагает, рано или поздно, наступление Конца Света и Судного дня. Но, ни в Библии, ни в Коране даты конца света прямо не указываются. Только буддизм считает, что жизнь вечна и претерпевает лишь череду реинкарнаций. Деятели остальных религий и руководители разных религиозных сект, начиная с 400–го года, периодически извещали о приближающемся Конце Света. Известно около 70 таких дат. Наиболее известные: 666, 999, 1000, 1492, 2000, 2012. Ни одна из апокалипсических дат не сбылась, что сильно подрывает веру в силу религиозных предсказаний. Но кроме Апокалипсиса, для разумной жизни на Земле существует множество более реальных угроз: Третья Мировая война, вирусная пандемия, столкновение с астероидом, извержение супервулкана, глобальное потепление (или оледенение), и т.п. Но все эти угрозы или маловероятны, или могут быть преодолены человечеством. А вот эволюция Солнца и процессы внутри Земли вряд ли подвластны человеческой воле, и будут происходить независимо. Конец Света, или смерть планеты Земля неизбежна, и это единственное в чем современная наука солидарна с религией. Поэтому перейдем сразу к последнему акту.
Хорошо известно, что в ядре Солнца действует термоядерная бомба, т.е. происходит реакция синтеза водорода в гелий. Но Солнце не взрывается, а является стабильной звездой, находящейся в состоянии динамического равновесия. Его масса такова, что огромные силы давления термоядерной реакции компенсируются огромными силами гравитационного сжатия. Покидать зону реакции могут только фотоны (излучение; ну, иногда солнечные протуберанцы). Вот это излучение и несет энергию на поверхность Земли. Постепенно водород в ядре выгорает и превращается в нейтральный гелий, а зона реакции расширяется, приближаясь к поверхности. В результате светимость Солнца возрастает на 1% каждые 100 млн. лет. Хотя благодаря Солнцу возникла и продолжается жизнь, парадокс в том, что увеличение светимости приведет к необратимым последствиям для жизни на Земле. Как говорится: "чем я тебя породил - тем я тебя и убью". Через миллиард лет светимость Солнца возрастет на 10%. Но еще до этого на самой Земле, после окончания процессов окисления железа в мантии, в атмосферу начнет выделяться свободный кислород. Ее давление возрастет свыше 7 атм., вызвав тем самым на Земле сильнейший парниковый эффект: средние температуры могут превысить 100 С! Удаляющаяся Луна перестанет стабилизировать ось вращения Земли, и она начнет хаотически прецессировать, как у волчка перед остановкой. Все эти условия окажутся несовместимы с жизнью.
Жизнь на планете будет исчезать точно также, как и появлялась, только в обратной последовательности. Сначала через 0,6 - 0,8 млрд. лет исчезнут условия жизни для всех млекопитающих, потом рыб, следом - для всех беспозвоночных и растений. Через 1,1 млрд. лет начнут испаряться океаны. После вскипания океанов давление поднимется ещё – до 270 атм, а температура – выше 600 С. Естественно, в таких условиях нечего и говорить о возможности сохранения не только высокоорганизованной, но и самой примитивной жизни. В конце концов, через 1,8 млрд. лет вода исчезнет полностью, и жить смогут только бактерии глубоко в земной коре. Они смогут существовать еще около миллиарда лет. Через 2,8 млрд. лет уже нелинейное увеличение светимости Солнца в 2000 раз сожжет все живое на поверхности Земли и расплавит бетонные и стальные остатки цивилизации.
Эпилог
Расширение зоны термоядерной реакции в глубинах Солнца, в конце концов, приведет к понижению температуры и прекращению реакции сжигания водорода. Но при этом начнет гравитационно сжиматься и нагреваться уже ничем не сдерживаемое гелиевое ядро, и при достижении 100 млн. градусов начнется термояд между ядрами гелия. Это гораздо более мощная реакция, и массы Солнца уже будет недостаточно для компенсации давления. Превышение давления приведет к расширению солнечной оболочки. Солнце расширится почти в 200 раз, и его размеры достигнут размеров земной орбиты. Расширение приведет к падению температуры поверхности, и Солнце из желтого карлика превратится в красного гиганта. Испускаемый им сильный солнечный ветер сдует атмосферу Земли в космос. А еще через млрд. лет выжженая Земля будет поглощена увеличившимся Солнцем и сгорит в его недрах.
По другому сценарию, усиление солнечного ветра и интенсивных пульсаций излучения будет сопровождаться нарастающей потерей массы. Солнце может потерять до 30% массы. В таком случае у Земли должен увеличиться радиус орбиты, и она не будет поглощена. Но на черной и безжизненной планете уже ничто не будет напоминать о прошлой жизни. Лишь над поверхностью Земли будет светить гигантский красный солнечный шар размером в полнеба.
* После публикации статьи в "Свободе Слова" автору стало известно о существовании повести братьев Стругацких с одноименным названием. Поэтому приношу извинения за невольный плагиат.
Мурат Уали