Наука Плоского мира

Почти наверняка она сильно отличалась от современной атмосферы, представляющей собой смесь газов: азота, кислорода, инертного газа аргона (простые газы), а также соединений вроде углекислого газа и водяного пара. Первичная атмосфера также не была похожа на облако межзвездного газа, из которого она возникла, то есть образовалось она не только за счет концентрации вещества, находящегося поблизости. На это есть несколько причин. Во-первых, твердая планета и газовое облако по-разному удерживают газообразные вещества. Во-вторых, твердая планета сама может быть источником газов, которые образуются в ходе химических или даже ядерных реакций, а также других физических процессов и затем из глубин планеты поднимаются в атмосферу.

Исходное облако в больших количествах содержало наиболее легкие элементы — водород и гелий. Более тяжелые молекулы движутся с меньшей скоростью — например, молекула, обладающая в 100 раз большей массой, движется примерно в 10 раз медленнее.

Все, что движется быстрее второй космической скорости, которая в случае Земли составляет около 7 миль/с (11 км/с), способно преодолеть притяжение планеты и улететь в космическое пространство. По этой причине вещества с молекулярной массой (она равна сумме атомных масс элементов, из которых состоит молекула) меньше 10 не могут удержаться в атмосфере. Водород имеет молекулярную массу 2, а гелий — 4, поэтому рядом с Землей этих газов почти нет, хотя в космосе они встречаются чаще всего. В первичном газовом облаке из веществ с молекулярной массой больше 10 наиболее распространены метан, аммиак, вода и неон. Эти вещества мы наблюдаем сегодня в составе газовых гигантов: Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна — правда, они более массивны, так что вторая космическая скорость там выше, и эти планеты способны удерживать и более легкие газы, включая водород и гелий. У нас нет уверенности в том, что 4 миллиарда лет назад атмосфера Земли состояла из метана и аммиака, поскольку процесс сжатия первичного облака неизвестен нам в подробностях. Однако даже если в древности Земля и обладала такой атмосферой, впоследствии она ее утратила. В современной атмосфере метана и аммиака очень мало, и оба газа имеют биологическое происхождение.

В ранней атмосфере Земли кислорода было очень мало. Однако примерно 2 миллиарда лет назад его доля возросла до 5 %. Наиболее вероятной (хотя, вероятно, не единственной) причиной этому послужила эволюция фотосинтеза. В какой-то момент, вероятно чуть меньше 4 миллиардов лет назад бактерии, обитавшие в океане, в результате эволюции научились использовать энергию солнечного света, чтобы получать сахар и кислород из воды и углекислого газа. Прошло 2 миллиарда лет, прежде чем вырабатываемый ими кислород достиг заметной концентрации в атмосфере — в первую очередь, он был потрачен на окисление других газов и минералов. В наше время растения используют тот же метод и даже то самое вещество, которым пользовались древние бактерии — хлорофилл. Животные поступают прямо противоположным образом: они поглощают кислород, получая энергию в результате окисления пищи; углекислый газ же они не используют, а, наоборот, вырабатывают. Первые бактерии со способностью к фотосинтезу получали энергию из сахара, что позволило им быстро размножиться, однако для них кислород был чем-то вроде ядовитых отходов, которые всплывали и улетучивались в атмосферу. После этого содержание кислорода практически не менялось, пока примерно 600 миллионов лет назад не произошел резкий скачок, увеличивший его долю до современного значения в 21 %.

Содержание кислорода в современной атмосфере настолько велико, что объяснить его можно только влиянием живых организмов, которые не только вырабатывают кислород в огромных количествах, но и снова используют его, в частности, образуя углекислый газ. Поразительно, насколько наша атмосфер не сбалансирована в сравнении со сценарием, где жизнь отсутствуют и на Земле могут протекать только неорганические химические реакции. Доля кислорода в атмосфере меняется динамически, то есть чрезвычайно быстро по геологическим меркам — в течение даже не миллионов, а всего лишь нескольких столетий. Например, если бы некое стихийное бедствие уничтожило все растения, но оставило невредимыми животных, то в течение 500 лет доля кислорода уменьшилась бы в два раза — в наше время примерно столько кислорода содержится в воздухе на горных вершинах Анд. К похожему результату приводит и сценарий «ядерной зимы», предложенный Карлом Саганом: облака пыли, поднятые в атмосферу в результате применения ядерного оружия закроют землю от солнечного света. В этом случае, правда, растения все еще смогут поддерживать свое существование, но процесс фотосинтеза будет остановлен: при этом они будут поглощать кислород, как и микроорганизмы, разлагающие останки мертвых растений.

К подобному эффекту экранирования может также привести необычный рост числа действующих вулканов, столкновение Земли с кометой или удар метеорита. Когда в 1994 году комета Шумейкеров-Леви 9 столкнулась с Юпитером, сила удара была эквивалентна взрыву полумиллиона водородных бомб.

Мы до сих пор не вполне понимаем, какие статьи прихода и расхода составляют «бюджет» кислорода и связанный с ним, но в целом независимый бюджет углерода. Этот вопрос чрезвычайно важен, так как именно от него отталкиваются споры по поводу глобального потепления. В процессе человеческой деятельности, особенно работы электростанций, промышленных предприятий, автомобилей и даже просто нашего существования происходит выделение углекислого газа. Углекислый газ — это один из «парниковых газов», которые удерживают падающий на землю солнечный свет подобно тепличной пленке. Если мы вырабатываем слишком много углекислого газа, температура на планете будет повышаться. Это приведет к неприятным последствиям, начиная с затопления низинных регионов, таких как Бангладеш, и заканчивая изменением ареала насекомых, которые могут нанести серьезный ущерб урожаю зерновых. Вопрос состоит в том, действительно ли деятельность человека увеличивает содержание углекислого газа в атмосфере или же планета каким-то образом компенсирует этот рост? В зависимости от ответа может потребоваться наложить строгие ограничения на образ жизни людей в развитых странах (и развивающихся тоже), или оставить все как есть. Пока что общепринятая точка зрения состоит в том, что увеличение доли углекислого газа в результате человеческой деятельности подтверждается вполне ясными, хотя и трудноуловимыми фактами. По этой причине ряд международных соглашений ограничивает выработку углекислого газа (Правда дать обещание мало — нужно его еще выполнить, но это уже другая история).

Попытка дать более-менее уверенный ответ сталкивается с множеством трудностей. Мы не располагаем достаточно надежными данными об изменении уровня углекислого газа в прошлом, поэтому лишены подходящей «точки отсчета», с которой можно было бы сравнить современный уровень. Правда, мы стали лучше понимать общую картину, благодаря образцам древней атмосферы, заключенной в ледяных кернах, добытых в Арктике и Антарктике. Даже если «глобальное потепление» действительно имеем место, оно не обязательно должно проявляться в повышении температуры (так что название звучит немного легкомысленно). Настоящим проявлением являются климатические возмущения. В Великобритании самое теплое лето за XX век восемь раз приходится на 1990-е, но это не означает, что «становится теплее», а глобальное потепление — доказанный факт. Как бы то ни было, в глобальных масштабах климат меняется бесконтрольно — что бы изменилось, если бы нас здесь не было?

В проекте под названием «Biosphere 2» была предпринята попытка выяснить основные пути обмена кислорода/углерода в глобальной экосистеме путем построения «замкнутой» экологии — системы, не получающей извне ничего, кроме солнечного света, и ничего не передающей наружу. Внутри она была похожа на гигантский садоводческий магазин будущего с растениями, насекомыми, птицами, млекопитающими и людьми. Основная идея состояла в том, чтобы поддерживать экосистему за счет проектирования ее таким образом, что все материалы подвергались вторичной переработке.

Вскоре проект столкнулся с проблемой: для того, чтобы система функционировала, необходимо было постоянно добавлять кислород извне. Исследователи решили, что кислород каким-то образом теряется. Оказалось, что это действительно так, но настоящая причина была весьма неочевидной. Несмотря на то, что основной целью было наблюдение за процессами (включая химические реакции) в замкнутой системе, исследователи не рассчитали массу углерода, привнесенного в экосистему перед ее запуском. Причины были вполне разумными — в первую очередь, это чрезвычайно трудно осуществить, так как потребовалось бы оценить количество углерода, исходя из полной массы живых растений. Так как изначальное количество углерода было неизвестно, отследить объемы углекислого и угарного газов тоже не представлялось возможным. Тем не менее, «пропавший» кислород можно было бы заметить по увеличению объема углекислого газа, так что они могли бы просто следить за его уровнем.

В конечном счете выяснилось, что «пропавший» кислород не покидал здания «Биосферы 2», а переходил в углекислый газ. Почему же ученые не заметили увеличение его концентрации? Как оказалось, никто не знал, что углекислый газ впитывался в бетон, из которого было построено здание, по мере его затвердевания. Любой архитектор знает, что затвердевание бетона продолжается в течение десяти лет с момента его закладки, но с точки зрения архитектуры это знание не так важно. Экологам-экспериментаторам об этом ничего не было известно, потому что изучение мистических свойств наливного бетона обычно не входит в образовательную программу по экологии. Однако в их случае это знание оказалось принципиально важным.

В основе необоснованных предположений о «Биосфере 2» лежало правдоподобное убеждение в том, что раз для образования углекислого газа требуется кислород, то эти два газа противоположны. То есть в кислородном бюджете сам кислород проходит по статье прихода, а углекислый газ — по статье расхода. Когда углекислый газ исчезает, это интерпретируется как погашение долга, т. е. приход. На самом деле углекислый газ сам содержит некоторое количество кислорода, поэтому при потере углекислого газа кислород теряется тоже. Однако если вы следите только за увеличением уровня углекислого газа, то небольшую потерю вы не заметите.

Обманчивость этого подхода к рассуждениям имеет гораздо более широкое значение, чем судьба «Биосферы 2». Важным примером в рамках более общей проблемы углеродно-кислородного бюджета является вопрос о роли тропических лесов. Скорость расчистки и сжигания амазонских тропических лесов в Бразилии вызывает тревогу. Против этого есть множество аргументов: разрушение места обитания многих организмов, образование углекислого газа в результате сжигания деревьев, уничтожение культурного наследия местных индейских племен и так далее. Однако часто повторяемое утверждение о том, что тропические леса — это «легкие планеты» совершенно не оправдано. При этом подразумевается, что «цивилизованные» области (то есть области с развитой промышленностью) являются основными производителями углекислого газа, а девственные тропические леса, напротив, создают нежный, но мощный кислородный ветерок и при этом еще и поглощают избытки углекислого газа, выработанного этими негодными людьми со своими машинами. Они ведь должны это делать, разве нет? В лесу же полно растений, а растения вырабатывают кислород.