Йен Стюарт - Наука Плоского мира
– По-моему, ничего не получилось, – сказал он.
– Ты должен увидеть ландшафт, – шепнул Думминг ему на ухо.
– Вокруг только краснота.
Послышался приглушенный шепот, а затем голос произнес: «Извини, профессор. Плохо прицелились. Подожди-ка, сейчас мы вытащим тебя из кратера вулкана».
В лаборатории факультета Высокоэнергетической Магии Думминг Тупс отодвинул слуховую трубку от уха. Остальные волшебники слышали лишь жужжание, словно там застряло какое-то рассерженное насекомое.
– Какой странный язык, – с легким удивлением сказал Думминг. – Ну что ж, давайте вытащим Ринсвинда и немного подкрутим время…
Он снова приставил трубку к уху, прислушался и объявил:
– Говорит, там дождь накрапывает.
Глава 18
Воздух и вода
ВСЕ ЖЕ УДИВИТЕЛЬНО, как жестокие физические законы позволяют существовать такому изменчивому явлению, как жизнь. Нельзя осуждать наших волшебников за то, что они не смогли предугадать появление на голых камнях Круглого мира живых существ. Однако Здесь Внизу не слишком отличается от Там Наверху, как может показаться с первого взгляда. Прежде чем рассуждать о жизни, нужно обсудить еще две особенности нашей планеты, а именно – атмосферу и океаны, без которых жизнь, наверное, не могла бы возникнуть. Впрочем, если бы не сама жизнь, атмосфера и океаны были бы совсем другими.
Существование атмосферы Земли неразрывно связано с ее океанами на всем протяжении ее истории. Действительно, океаны при желании можно рассматривать как наиболее плотный слой атмосферы. Океаны и атмосфера развивались вместе, оказывая друг на друга взаимное влияние, и даже сегодня такое чисто атмосферное явление, как погода, во многом зависит от происходящего в океанах. Одним из новейших веяний в прогнозе погоды стал учет возможности океанов поглощать, переносить и отдавать тепло и влагу. В каком-то смысле то же самое можно сказать и о материках, которые эволюционировали и существуют в тесном взаимодействии с воздухом и морями. Но связь между океанами и атмосферой сильнее.
Земля и ее атмосфера совместно конденсировались из того же первичного газопылевого облака, что и Солнце со всей остальной планетарной системой. Грубо говоря, наиболее плотные материалы погрузились в центр сжимающегося сгустка материи, став нашим нынешним приютом, а более легкие – остались сверху. Конечно, было и есть много всего иного, так что Земля – это не просто серия концентрических оболочек, расположенных в порядке от тяжелой к легкой, тем не менее в принципе общее представление о закономерном распределении твердых, жидких и газообразных веществ имеет смысл. По мере того как остывали расплавленные земные породы, зарождающаяся планета оказывалась окутанной первичной атмосферой.
Почти наверняка она сильно отличалась от нынешней, представляющей собой смесь газов (главными из которых явлются азот, кислород и инертный аргон), а также их соединений (углекислый газ и водяной пар). Изначальная атмосфера отличалась от облака, из которого она сконденсировалась, это не было всего лишь типичным образцом окружающей планету среды. Тому нашлось несколько причин. Во‑первых, твердая планета и газовое облако удерживают различные газы. Во‑вторых, планета может с помощью химических или ядерных реакций, а также других физических процессов самостоятельно генерировать газы, которые также накапливаются в атмосфере.
Изначальное облако было представлено в основном водородом и гелием, то есть самыми легкими химическими элементами. Скорость, с которой движутся молекулы, зависит от ее массы: увеличивая массу в 100 раз, молекула начинает двигаться примерно в десять раз медленнее. Все, что движется со скоростью, превышающей вторую космическую скорость (для Земли это составляет свыше 7 миль в секунду, или 11 км/с), может преодолеть притяжение планеты и унестись в космическое пространство. Следовательно, молекулы, чья молекулярная масса (сумма атомных весов всех атомов, составляющих молекулу) меньше 10, должны были исчезнуть из атмосферы Земли. Молекулярная масса водорода – 2, гелия – 4, поэтому сложно рассчитывать, что эти элементы обнаружатся где-то неподалеку, хотя в космосе они распространены повсеместно. Другими наиболее широко представленными типами молекул в первичном газовом облаке являлись метан, аммиак, вода и неон, чьи молекулярные массы превышают 10. Похожую картину мы можем наблюдать в окрестностях таких газовых гигантов, как Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Разница в том, что они куда массивнее Земли, поэтому вторая космическая скорость там выше, а следовательно, в их атмосфере задерживаются и такие легкие газы, как водород и гелий. Правда, у нас нет полной уверенности, что четыре миллиарда лет назад атмосфера Земли состояла из метана и аммиака, поскольку точно неизвестно, как именно конденсировалось первичное облако, однако нам совершенно очевидно, что если даже древняя Земля и обладала подобной атмосферой, почти вся она была утеряна. Сегодня в ее атмосфере почти нет ни метана, ни аммиака, да и те биологического происхождения. Кислорода в атмосфере новорожденной Земли было очень мало. Однако около 2 миллиардов лет назад его доля внезапно возросла до 5 %. Наиболее вероятной, хотя вряд ли единственной причиной этого стало развитие фотосинтеза. В какой-то момент, примерно 2 миллиарда лет назад, океанские бактерии освоили фокус использования энергии солнечного света для превращения воды и углекислого газа в сахар и кислород. Так же поступают и современные нам растения, использующие те же молекулы, что и древние бактерии, а именно – хлорофилл. Животные пошли по противоположному пути получения энергии: они используют кислород для окисления пищи и вырабатывают углекислый газ. Те древние фотосинтезирующие бактерии, питавшиеся сахаром, быстро размножились, но кислород для них являлся лишь ядовитым отходом, испускавшимся в атмосферу. Затем уровень кислорода долго оставался практически неизменным, но около 600 миллионов лет назад он резко вырос примерно до современного значения и достиг 21 %.
Такой высокий процент кислорода в современной атмосфере вряд ли возможен без наличия живых организмов, которые не только производят его в огромных количествах, но и поглощают, в том числе преобразуя в углекислый газ. Просто поразительно, насколько не сбалансирована наша атмосфера в сравнении с той, которая существовала бы при исчезновении жизни и наличии лишь неорганических химических процессов. По геологическим стандартам количество кислорода в атмосфере изменяется чрезвычайно быстро, всего лишь в течение сотен, а не миллионов лет. Например, если какая-нибудь катастрофа убьет все растения, но пощадит животных, то всего лишь через пятьсот лет доля кислорода снизится наполовину, достигнув уровня вершин современных Анд. Такое же развитие событий, по мнению Карла Сагана, ожидает нас в случае «ядерной зимы»: облака пыли, поднявшиеся в атмосферу после применения ядерного оружия, сделают ее непроницаемой для солнечного света. В таком случае некоторые растения смогут влачить свое существование, однако им не удастся поддерживать фотосинтез, они будут поглощать кислород, подобно различным микроорганизмам, питающимся мертвыми растениями.
Подобный эффект может возникнуть и в случае извержения небывало большого количества вулканов сразу, а также в результате падения на Землю большого метеорита или кометы. Когда комета Шумейкеров – Леви столкнулась в 1994 году с Юпитером, удар был эквивалентен взрыву полумиллиона водородных бомб.
«Приходно-расходная книга» для кислорода, как и связанного с ним, но обладающего собственным «бюджетом» углерода, до сих пор неясна. Между тем этот вопрос – один из наиважнейших, поскольку именно он является краеугольным камнем дискуссии о глобальном потеплении. Человеческая деятельность, такая, как электростанции, промышленность, использование автомобилей или даже такое простое действие, как дыхание, – все это производит двуокись углерода. Углекислый газ – это так называемый парниковый газ, задерживающий солнечные лучи подобно стеклу теплицы, и если мы произведем его слишком много, планета чрезмерно нагреется. Это приведет к некоторым нежелательным последствиям, начиная с наводнений в прибрежных низменных регионах вроде Бангладеш и заканчивая глобальным изменением ареалов обитания насекомых, способных нанести серьезный вред посевам. Вопрос заключается в следующем: действительно ли человеческая деятельность увеличивает уровень углекислого газа или же наша планета может его каким-то образом регулировать? От ответа на него зависит, нужно ли накладывать строгие ограничения на образ жизни людей в развитых и развивающихся странах или можно оставить все как есть. В настоящее время все согласны, что имеются четкие, хотя и косвенные доказательства того, что в результате человеческой деятельности уровень углекислого газа в атмосфере повышается. Именно поэтому были подписаны важные международные протоколы о снижении выбросов углекислого газа. Впрочем, одно дело пообещать, и совсем другое – выполнять на практике.
