Наука плоского мира IV: Судный день

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.

Дать однозначный ответ на этот вопрос сложно. У нас нет достоверных сведений об уровне углекислого газа в прошлом, поэтому современные показатели просто не с чем сравнивать. Впрочем, благодаря кернам, взятым во льдах Арктики и Антарктики, законсервировавшим образцы древней атмосферы, картина проясняется. Если даже глобальное потепление идет полным ходом, оно не обязательно выразится только в повышении температуры (а следовательно, само название эффекта несколько неудачно). Прежде всего речь идет о климатических нарушениях. Несмотря на то, что в Англии рекордно теплое лето за весь прошлый век восемь раз пришлось на 90-е годы, это не значит, что на планете становится жарче и глобальное потепление можно считать доказанным. В любом случае климат нашей планеты меняется самым непредсказуемым образом. И неизвестно, изменилось бы что-нибудь, если бы нас здесь не было?

Попытка разобраться с взаимодействием кислорода и углерода в глобальном масштабе путем создания замкнутой экосистемы, то есть системы, не получающей извне ничего, кроме солнечного света, и ничего не передающей наружу, была предпринята в ходе эксперимента, получившего название «Биосфера II». Это был гигантский футуристический сад с растениями, насекомыми, птицами, млекопитающими и людьми, живущими в нем. Идея заключалась в том, чтобы поддерживать экосистему, выбрав такую модель поведения, при которой все отходы перерабатывались бы.

Проблемы начались почти сразу, и для продолжения эксперимента пришлось начать добавлять кислород извне. Экспериментаторы пришли к выводу, что он каким-то образом терялся. В каком-то смысле так и происходило, только не в буквальном. Несмотря на то, что главной целью эксперимента было наблюдение за химическими и другими изменениями в замкнутой системе, ученые не рассчитали, сколько именно углерода они поместили в систему перед началом ее работы. Это неудивительно, учитывая невероятную сложность таких подсчетов, поскольку потребовалось бы рассчитать вес углерода исходя из веса живых растений во влажном состоянии. Из-за того, что было неизвестно, сколько именно углерода находилось под куполом в начале эксперимента, невозможно было отследить изменение в содержании угарного и углекислого газа. Впрочем, утечку кислорода можно было бы заметить по росту углекислоты, исследователи могли бы просто-напросто замерять ее уровень и следить, чтобы он не рос.

Короче говоря, «пропажа» нашлась: никакой утечки не было, кислород превращался в углекислый газ. Почему же никто не заметил его роста? Никто из экспериментаторов не знал, что углекислота накапливалась в бетоне, из которого были построены сооружения. Каждый архитектор в курсе, что этот феномен длится десять и более лет после закладки бетона, но для архитектуры это не существенно. Экологи же ничего об этом не знали, поскольку эзотерические особенности бетона не изучаются на курсах экологии, а между тем это знание оказалось для них очень важным.

В основе неверных предположений, сделанных по поводу «Биосферы II», лежало правдоподобное, но иррациональное суждение, что, раз для образования углекислоты требуется кислород, следовательно, эти газы – антагонисты. То есть в «приходно-расходной книге» кислорода сам он записывается в статью «доходов», а углекислый газ – в статью «расходов». Когда углекислота исчезает, это трактуют как погашение долга, то бишь – «доход». В действительности же, поскольку углекислый газ содержит кислород, то с исчезновением углекислого газа он тоже исчезнет. Однако если вы следите лишь за концентрацией углекислоты, небольшую потерю кислорода вы просто не заметите.

Между тем ошибка подобного рода может иметь куда более серьезное значение, чем судьба «Биосферы II». Таким глобальным примером важности соотношения между углеродом и кислородом являются тропические леса. Тропические леса Амазонки уничтожаются с угрожающей скоростью, они расчищаются и выжигаются. Против этого можно найти множество веских аргументов: разрушение ареала различных организмов, выброс углекислого газа при сжигании, гибель индейской культуры, и так далее, и тому подобное. Но вот рефреном звучащая в этом контексте фраза: «Тропические леса – это легкие планеты», здесь совершенно неуместна. Имеется в виду, что «цивилизованные», читай – индустриально развитые, страны производят большую часть углекислого газа, тогда как нетронутые тропические леса овевают нас легким, но стабильным кислородным бризом, поглощая излишки углекислоты, сварганенной всеми этими омерзительными людишками и их вонючими машинами. Ведь так и должно быть, верно? Леса – это растения, а растения вырабатывают кислород.

Нет, все не так. Баланс кислорода, произведенного лесами, равен нулю. Ночью, когда останавливается фотосинтез, деревья начинают «выдыхать» углекислый газ. Да, из кислорда и углерода они синтезируют сахар, но когда умирают, выделяется углекислый газ. Хотя леса могут опосредованно поглощать углекислоту, изымая из нее углерод и превращая его в каменный уголь или торф. В этом случае кислород действительно вернется в атмосферу. Но, по иронии судьбы, это именно те материалы, которые люди используют для производства большей части углекислоты. Мы добываем полезные ископаемые и заново сжигаем их, используя то же количество кислорода, которое было произведено деревьями.