Симфония № 6. Углерод и эволюция почти всего - Роберт Хейзен
Алмаз — это углерод, застывший в кристаллическом совершенстве. Как можно не любить этот драгоценный камень? Сплошные превосходные степени: самый твердый, обладающий самой высокой теплопроводностью, самый сверкающий и прочный на срез, самый ценный. Столетиями алмаз будоражил воображение как обычных потребителей, так и ученых — в равной степени. Крупные без примесей кристаллы — не просто редкие и красивые драгоценности, желанные символы любви и власти. Алмазы являются и научными сокровищами. Они позволяют заглянуть в загадочные недра планеты и хранят данные о ее интригующем прошлом. Алмазы буквально представляют собой временны́е капсулы скрытого сердца Земли, а если заглянуть вглубь времен, то окажется, что они были самыми первыми кристаллами в космосе{17}.
Вот как это произошло. При высоких температурах на поверхности звезды, насыщенной углеродом, колебания атомов были слишком сильны и неуправляемы, чтобы какая-либо пара атомов углерода смогла образовать прочную химическую связь. Условия меняются, когда такая звезда взрывается, высвобождая огромное расширяющееся облако атомов в газообразной форме. Когда температура внутри этой расширяющейся газовой оболочки падает ниже 4400 °C, жаждущие компаньонов атомы углерода замедляются в достаточной степени, чтобы соединиться с четырьмя другими в крошечные пирамидки, размером менее миллиардной доли сантиметра. Каждый атом этой пирамидки тоже нуждается в четырех соседях, так что ко всем вершинам добавляется еще по три недостающих атома углерода. Это повторяется снова и снова в правильной геометрической последовательности. Так растет кристалл алмаза.
Именно таким образом в течение миллиардов лет в космосе формировались бесчисленные микрокристаллы алмаза. Они образовались задолго до каменистых планет и продолжают возникать по сей день в окрестностях наиболее активных звезд во Вселенной, кристаллизируясь на нечеткой границе между раскаленной поверхностью звезды и холодным вакуумом космоса.
О замечательном разнообразии углеродных минералов Земли
Хотя микроскопическая алмазная пыль в космосе распространена повсеместно, алмаз не является здесь преобладающей формой углерода. При экстремальных температурах вблизи звезд (свыше 4400 °C) алмаз кристаллизировался первым, потому что этот минерал — единственная твердая субстанция, способная конденсироваться и расти в таких условиях. Все остальные кристаллы в окрестностях раскаленных добела объектов плавятся или испаряются. Но при более низких температурах и давлениях берет верх другая, более прозаическая кристаллическая форма углерода. В алмазе атомы слишком плотно упакованы, слишком скучены, и поэтому им «неудобно». Микроалмазы достаточно легко образуются из остывающего газа звезды, но, когда температура опускается ниже 4000 °C, вместо них возникает графит — знакомый всем мягкий черный минерал грифельных карандашей и сухих смазок.
Графит и алмаз — это пример противоположностей{18}. Алмаз твердый и «выносливый» благодаря трехмерному, напоминающему балочную ферму, атомному каркасу. В элегантной структуре графита каждый атом углерода соединяется с тремя, а не четырьмя соседями, образуя миниатюрный плоский треугольник. Такая менее плотная атомная упаковка представляет собой слоистую структуру с идеально плоскими углеродными пластинками, наложенными друг на друга, как листы бумаги в стопке. Эти неплотно связанные чешуйки атомов углерода легко переходят с вашего карандаша на бумагу и скользят друг по другу, смазывая ваши замки и подшипники. Мягкий черный графит не годится в драгоценные камни, но его значение для жизни общества ничуть не меньше, чем у алмаза.
Алмаз был первым, а графит, как мы подозреваем, вторым кристаллическим веществом в космосе. Несмотря на их контрастные свойства оба минерала представляют собой чистый углерод, и оба изначально образовались из того, что осталось после звездной бури. Но настоящий взрывной рост новых углеродсодержащих кристаллических форм начался лишь после появления каменистых планет — двигателей многообразия минералов углерода.
Образование планет — давний бурный процесс. Огромные туманности — колыбели звезд и планет — это разреженные облака космической пыли и газа размером в несколько световых лет. Потревоженная гравитационным следом проходящей шальной звезды или ударной волной сверхновой, небольшая область туманности может начать сжиматься. При этом гравитация будет затягивать вращающуюся массу внутрь, и та станет вращаться все быстрее, подобно кружащемуся фигуристу. Бо́льшая часть массы провалится в центр и образует звезду типа Солнца, остатки же сконцентрируются в несколько вращающихся планет. В нашей Солнечной системе молодое Солнце поддерживало сильный горячий солнечный ветер, который смел бо́льшую часть оставшейся пыли и газа в далекое царство газовых гигантов — до орбиты Юпитера и дальше. Каменные обломки образовали планеты земной группы: Меркурий, Венеру, Землю и Марс.
Планеты начинаются с малого — со сферических скоплений космической пыли, микроскопические частицы которой свободно удерживаются между собой статической связью. Выбросы солнечной энергии или вспышки молний в туманностях сплавляли эти комочки в маленькие капельки не больше дроби — их называют «хондры». Хондры слипались во все бо́льшие массы: размером с баскетбольный мяч, потом — аэростат, затем — небольшую гору{19}. Гравитация собирала бесчисленные летящие по орбите камни в еще более крупные планетезимали, которые сливались друг с другом благодаря участившимся мощным столкновениям. Осколки, представляющие эти ранние этапы сборки Солнечной системы, продолжают падать на Землю в виде метеоритов-хондритов. Это самые старые объекты, которые вам дано подержать в руках. Они не так уж редки, их можно купить на eBay за несколько долларов.
Когда планетезимали увеличились до 160 км в диаметре и более, их внутреннее тепло расплавило, очистило и разделило первичное вещество. Плотные металлы вроде железа и никеля погрузились в недра и образовали планетезимальные ядра. Менее плотные скопления блестящих кристаллов оливина и пироксена окутали растущие миры мантией. Горячая вода, циркулирующая по разломам и трещинам, изменила каменную смесь, а разрушительные удары огромных небесных тел привели к образованию новых плотных минералов — импактных. Ближе к концу этого процесса несколько больших протопланет — среди них и Земля — стали доминировать в зарождающейся Солнечной системе, захватывая бо́льшую часть оставшихся каменных обломков подобно огромным пылесосам. Последнее крупное столкновение между Землей и ее меньшей сестрой, протопланетой Тейя, привело к полному уничтожению Тейи и формированию Луны.
Создав в небе коалицию с Луной, разогретая поврежденная Земля быстро «залечила рану» и остыла, превратившись в тело из трех оболочек: тонкой хрупкой коры, мощной мантии и недосягаемого металлического ядра. Циркулирующие в глубинах перегретая вода и пар растворяли и концентрировали химические элементы и переносили их к более холодной поверхности молодой планеты, где те образовывали всё новые и новые минеральные формы, среди которых было и множество минералов углерода.
Первичная Земля,
