Сэм Кин.

Что скрывает атмосфера, или Как возник воздух…



скачать книгу бесплатно


Если спросить у людей на улице, что такое воздух, можно услышать очень разные ответы – в зависимости от того, какие газы люди считают наиболее важными и на каком уровне (макроскопическом или микроскопическом) проводится анализ. И это прекрасно: воздух велик, и его можно рассматривать с самых разных точек зрения. Я надеюсь, что данная книга поможет вам взглянуть на этот вопрос по-новому и по мере чтения ваши представления будут меняться и становиться более цельными.

Вообще говоря, люди должны понимать, что такое воздух, поскольку для каждого из нас это самая важная субстанция в окружающем мире. Без пищи человек может прожить несколько недель, без воды – несколько суток. Но без воздуха – без газов – можно прожить всего лишь несколько минут. Но я готов поспорить, что вы никогда не задумываетесь о том, чем же вы, собственно, дышите. Моя книга написана для того, чтобы изменить положение вещей. Чистый воздух не имеет цвета и (в идеале) запаха, поэтому он незаметен. Но это не означает, что ему нечего рассказать о себе. Он жаждет поведать вам свою историю. Вот она.

I
Появление воздуха
Четыре атмосферы Земли

В данном разделе мы ответим на два главных вопроса о воздухе: как появилась наша атмосфера и каковы ее основные компоненты. За всю историю у Земли было несколько типов атмосферы, различавшихся по составу. Многие из атмосферных газов изначально появились благодаря вулканической активности Земли, причем некоторые возникли на самых ранних этапах ее существования, задолго до появления жизни. Но позднее сама жизнь в значительной степени изменила состав атмосферы, главным образом за счет выделения кислорода.

Глава первая
Первый воздух Земли

Диоксид серы (SO2) в настоящее время содержится в воздухе в концентрации 0,00001 ppm (частей на миллион); при каждом вдохе мы поглощаем примерно 120 млрд молекул этого газа


Сероводород (H2S) в настоящее время содержится в воздухе в концентрации 0,000005 ppm; при каждом вдохе мы поглощаем 60 млрд молекул этого газа


В 1926 г., опасаясь преследований, Гарри Трумэн поселился у подножия горы Сент-Хеленс. Это был не тот Гарри Трумэн. Того Трумэна наш Гарри Рендалл Трумэн называл «крепким старикашкой». «Готов поспорить, что его запомнят как одного из величайших президентов», – говорил наш Трумэн, а уж он знал, что значит быть «крепким старикашкой». Укрывшись в штате Вашингтон в возрасте 30 лет, он пережил в изоляции под сияющей вершиной горы Сент-Хеленс 54 суровые зимы. Даже когда весной 1980 г. гора начала дымиться, храпеть и рычать, он не тронулся с места и в конце концов исчез – в прямом смысле слова взлетел в атмосферу.

Трумэн происходил из семьи лесорубов. Семья перебралась в штат Вашингтон, когда он был еще ребенком. Он окончил школу, был призван в армию и во время Первой мировой служил авиамехаником.

(Он был прирожденным рассказчиком и позднее описывал, как вылетал на боевые задания через океан в самолете с открытой кабиной, с трепещущим за спиной белым шарфом.) Вернувшись домой, он женился на дочери владельца пилорамы и стал автомехаником, но семейная жизнь и регулярная работа ему быстро наскучили. Он попытался заняться поисками золота, но это дело показалось ему еще более скучным и утомительным.

Поэтому после введения «сухого закона» он занялся бутлегерством – ему с его темпераментом эта работенка подходила куда больше. Игра с законом развлекала его, ему нравились легкие деньги. Кроме того, он был не прочь выпить и не любил нравоучительных проповедей о вреде виски. В конце концов он связался с гангстерами из Северной Каролины и занялся поставкой на побережье крепких напитков, а также попутно организовывал публичные дома и бары. Все шло отлично до 1926 г. Трумэн никому и никогда не объяснил, что тогда произошло. Возможно, он слишком близко сошелся с чьей-то дамой или занял чужую территорию. В любом случае, ему пришлось обзавестись автоматом. В конечном счете в один прекрасный день он подхватил жену и дочь и бежал в леса, окружавшие гору Сент-Хеленс, чтобы там спрятаться.


Разговорчивый Гарри Рендалл Трумэн со стаканом «мочи пантеры» в своем домишке на склоне горы Сент-Хеленс (Фотография любезно предоставлена Лесной службой США)


В пяти километрах к северу от вершины горы он организовал автозаправочную станцию и бакалейный магазин. Постепенно предприятие разрослось до кемпинга с домиками и лодками. Дело пошло. Дом окружали величественные ели стометровой высоты и трехметрового обхвата. На территории лагеря было озеро Спирит-Лейк – полоска воды длиной 3,5 км, – холодное и чистое, как охлажденный джин. Ввиду удаленности места Трумэн продолжил заниматься торговлей спиртным и спрятал в лесу несколько бочек с самодельным виски, которое называл «мочой пантеры».

Однако для жены Трумэна изоляция оказалась мучением. К тому же ее совсем не радовала разлука с дочерью, которая училась в школе-интернате в нескольких километрах от родителей. В начале 1930-х все закончилось разводом. В 1935 г. Трумэн вновь женился, однако вторая мисс Трумэн – столь же неуемная, как сам Трумэн, – продержалась не намного дольше (не помогло и то, что Трумэн пытался «убедить» ее, бросив в озеро; плавать она не умела). Тогда Трумэн попробовал жениться в третий раз и начал ухаживать за одной местной девушкой, но потом перекинулся на ее сестру, Эдну. Пожалуй, это не самое романтическое начало отношений, но, влюбившись в Эдди, Трумэн уже не вытащил этой занозы из своего сердца.

Вероятно, Эдди любила его не меньше, поскольку жизнь с Трумэном не назовешь легкой. По утрам, когда он собирался на работу, она вставала рано и подавала ему его любимый завтрак: жареные говяжьи мозги и стакан пахты, чтобы их протолкнуть. Он с усмешкой повторял, что такая еда делает человека мужественным. Эдди пришлось свыкнуться и с его речью. Трумэн говорил быстро, люди плохо его понимали и ориентировались по «ключевым словам». Друзей он называл «старыми ублюдками», а тех, кого знал похуже, – «тупыми сукиными детьми». Однажды он прогнал со своего участка верховного судью Уильяма Дугласа, поскольку тот имел женоподобную внешность, хотя позже они стали друзьями. Вдобавок ко всему Трумэн был всезнайкой. Когда однажды в их края приехал фотограф, чтобы сделать несколько снимков горы Сент-Хеленс, Трумэн вмешался с комментариями: «Ты должен поместить человека в эту чертову штуку. Это заинтересует чертову публику». Слушая интервью Трумэна через несколько десятилетий, когда он стал знаменит, вы бы подумали, что его любимым словом было слово «биип» (этим звуком заглушали нецензурные выражения).

За удачный день, когда лодки пользовались спросом, Трумэн выручал до 1500 долларов наличными. Он заходил к Эдди в кафе, которым они управляли вдвоем, отдавал ей деньги, наливал себе полный стакан своего любимого напитка «моча пантеры» (виски «Шенли» с кока-колой) и болтал с друзьями. Иногда они с Эдди шиковали, например купили розовый «кадиллак», который Трумэн любил лишь немногим меньше Эдди. Однако чаще они вкладывали деньги в кемпинг или в кафе или берегли на зимние месяцы, когда снега выше головы и в кошельке денег, как говорил догадайтесь кто, «как волос у телушки на…». «Смотри сюда, – говорил он, указывая на вершину горы. – Никогда в этом чертовом мире ты не увидишь ничего прекраснее, чем эта старая гора».

Чувства его были справедливы (гора Сент-Хеленс действительно прекрасна – идеал снежной горы), а вот познания в геологии – ошибочны, поскольку вершина горы Сент-Хеленс совсем не старая, она вряд ли существовала во времена Цезаря. Может показаться невероятным, что сотни метров скалы выросли всего за несколько тысяч лет, но это действующий вулкан, а действующие вулканы быстро растут вверх за счет выброшенной лавы. Хотя Огненная гора (как ее называли местные индейцы) не извергалась с 1857 г., даже несведущий человек обнаружил бы в окрестностях следы прежних извержений, такие как старая зола и вулканическая пемза – такая пористая, что всплывала, если ее бросить в озеро. И земля в этой местности частенько дрожала под ногами. Но в глазах Трумэна опасность лишь увеличивала привлекательность горы.

Трумэн прожил в тени горы почти 50 лет, но все рухнуло за один день. Однажды в сентябре 1975 г. Эдди почувствовала себя неважно и рано пошла спать. Трумэн ждал гостей из города. Он позвонил им и попросил бутылку виски для себя и что-нибудь в подарок для Эдди – какое-нибудь растение, чтобы ее утешить. Когда гости прибыли, он сразу понес цветок в комнату – и тут же в ужасе сбежал вниз по лестнице. Он кричал что-то бессвязное и еще быстрее, чем обычно. «Эдди больна! Эдди больна!» – это все, что поняли гости. На самом деле Эдди уже была мертва – она скончалась от сердечного приступа. Но еще целый час Трумэн умолял спасти ее.

Смерть Эдди подкосила Трумэна. Он теперь редко улыбался, и друзья, которые всегда посмеивались над тем, каким живым и бодрым он выглядел («крепче копченого сыча»), теперь замечали, насколько он сдал, и вид его вполне соответствовал прожитым семидесяти девяти годам. В летнее время он по-прежнему занимался кемпингом, но на протяжении шести зимних месяцев по нескольку недель кряду у него не было другого компаньона, кроме горы: две одинокие фигуры поглядывали друг на друга через километры разделявшего их леса.

Впрочем, изоляция Трумэна подходила к концу. К моменту смерти Эдди геологи, собиравшие пробы грунта у подножия горы, обнаружили неопровержимые доказательства старых извержений. В отчете, составленном в 1978 г., говорилось, что «за последние 4500 лет гора была активнее любого другого вулкана на территории Соединенных Штатов». Пророческие слова. В природе прекрасное часто оказывается смертельно опасным, и прекрасная вершина горы вполне могла оказаться пушечным жерлом.

События на горе Сент-Хеленс были самым серьезным уроком по геологии в истории Америки. Кроме того, верьте или не верьте, когда-то давно гора участвовала в создании ранней атмосферы нашей планеты. Мы редко задумываемся о том, что раньше воздуха не было.

Нам кажется, что воздух был всегда. Однако все планеты создают свою атмосферу с нуля. И какими бы вредными ни казались нам вулканические газы, именно они обеспечили Землю важнейшими элементами.

Таким образом, чтобы понять, что такое воздух, нужно понять суть вулканического извержения. И для рассказа нам не найти лучшего примера, чем самое изученное в истории извержение вулкана, и лучшего героя, способствовавшего известности этого извержения.

История горы Сент-Хеленс, хотя она не такая уж старая, все же связана с тем периодом времени, когда Земля еще только формировалась. Примерно 4,5 млрд лет назад в нашем уголке Вселенной взорвалась сверхновая звезда, распространив в космосе ударную волну. Эта ударная волна врезалась в море газообразного водорода и взбаламутила его недра, заставив закрутиться воронкой. Под действием гравитационных сил из 99,9 % этого газа образовалась новая звезда – наше Солнце. Основная часть оставшегося газа была вытолкнута на задворки зарождавшейся Солнечной системы, где из него сформировались гигантские газовые планеты, такие как Юпитер и Сатурн.

Совсем небольшая часть газового облака осталась между Солнцем и газовыми гигантами, и химические элементы из этого облака – кислород, углерод, кремний, железо и другие – стали соединяться друг с другом сначала с образованием микроскопических частиц, потом – камней и астероидов, а затем – твердых тел размером с континенты. Гравитация – эффективный дворник, быстро собравший маленькие фрагменты в большие планеты – по некоторым оценкам, это произошло всего за миллион лет. Когда соединилось достаточное количество частиц, возникли каменистые планеты, в том числе Земля. Таким образом, все, что нас окружает, – пол под ногами, книга в руках и даже наше собственное тело, – каким бы твердым ни казалось, произошло из газа. Каждый из нас – бывший газ.

Кажется странным говорить о твердых телах, таких как планета Земля, как о бывшем газе, но это совершенно оправданно, если разобраться в том, что такое газ и твердое вещество на молекулярном уровне. Молекулы твердого вещества имеют постоянную «прописку» и не могут сильно от нее отклоняться. Вот почему твердые вещества хорошо сохраняют форму. Молекулы жидкостей тоже касаются друг друга, но у них больше энергии и свободы для движения, что объясняет их текучесть и способность принимать форму емкости, в которую их помещают. Молекулы газа не соприкасаются друг с другом; они «асоциальны» и держатся на расстоянии от соседних молекул. А если они сталкиваются, то отскакивают в новых направлениях, как шарики в 3D-бильярде. В среднем при 22 °C молекула воздуха перемещается со скоростью около 1000 км/ч.

Таким образом, на определенном уровне газы, жидкости и твердые вещества сильно различаются, и поначалу ученые классифицировали такие вещества, как вода, лед и пар, как разные субстанции. Сегодня мы знаем, что это не совсем верно. Нагрейте кусок льда, и его молекулы разорвут сковывающие их цепи и начнут двигаться, как в жидкости. Добавьте еще тепла, и молекулы жидкости присоединятся к воздуху, превратившись в пар. Эти три субстанции – одно и то же вещество, только в разных обличьях. И другие соединения тоже могут претерпевать подобные превращения. Мы не привыкли думать, скажем, о железе, кремнии или уране из горных пород как о потенциальных газах, однако любое вещество из периодической таблицы можно превратить в газ, если соответствующим образом нагреть. И обратный процесс тоже имеет место. Охладите газ, и он превратится в жидкость. Охладите еще сильнее – и получите твердое вещество. Сдавливая газ, его тоже можно перевести в менее свободное состояние.

Вещества постоянно переходили из одного состояния в другое на первозданной Земле – бурлящем и расплавленном космическом теле, даже отдаленно не напоминавшем гладкую и уютную планету, на которой мы сегодня живем. Когда космические камни только начали сбиваться в общую массу, гигантские гравитационные силы расплавили большинство из них. Более плотные жидкости (такие как расплавленное железо) оказались внутри, а более легкие остались на поверхности и вновь затвердели при соприкосновении с космическим холодом. Такая Земля походила на яйцо: железный желток, вокруг вязкая мантия и тонкая оболочка камней. Однако внешняя оболочка оказалась расколота на миллионы фрагментов, и через трещины на поверхность просачивалась раскаленная лава. Тогда на Земле ночью было видно оранжевое свечение лавы, которая нередко пенилась и взлетала вверх, как фонтаны в аду.

У первозданной Земли тоже была атмосфера (атмосфера номер один), но она была столь ничтожной, что фактически не соответствовала смыслу этого слова. Она в основном состояла из водорода и гелия, заполнявших пространство между Солнцем и Юпитером. И вскоре после образования эту атмосферу смахнул солнечный ветер – исходящий из недр Солнца поток электронов и протонов; он сорвал с Земли эту оболочку и унес в космос. Но многие атомы водорода и гелия улетели по собственной воле. Один из законов физики газов гласит, что небольшие молекулы движутся с гораздо более высокими скоростями, чем крупные молекулы. Водород и гелий занимают первые ячейки периодической таблицы химических элементов, являясь самыми легкими и, следовательно, самыми подвижными элементами. Каждый день какая-то их часть достигает второй космической скорости (более 10 км в секунду) и высвобождается из гравитационного поля Земли. Триллионы этих микроскопических ракет прощались с огненной Землей и уносились в холодное спокойствие космоса.

На месте первой атмосферы вскоре появилась вторая, рожденная самой Землей. Как в крови растворен кислород, а в шампанском углекислый газ, так и в магме (подземной лаве) содержатся растворенные газы. И как из открытой бутылки шампанского вырывается пена углекислого газа, так из прорвавшейся сквозь трещины в земной коре лавы тоже выделяются газы, и давление магмы сразу падает. По-видимому, эта газовая смесь состояла в основном из водяных паров и углекислого газа (геологи пока не пришли к единому мнению), но там могли содержаться и другие газы. Если вам когда-нибудь доводилось подходить к вулкану, вы, возможно, знаете о некоторых из них, например о соединениях серы, придающих вулканическим газам запах тухлых яиц и пороха (это, соответственно, сероводород и диоксид серы). Вулканы выбрасывали также пары металлов, включая пары золота и ртути. Прекрасная смесь для дыхания!

Земля производила газы и позволяла им потихоньку выходить наружу. Но от этого среда не была более дружелюбной. Окажись мы в той атмосфере, воздух сжег бы нам кожу, серные газы разъели бы нос, а кислоты и аммиак разорвали легкие. При таком давлении человеческий череп был бы немедленно сплющен, а сам человек превратился в нечто сферическое.

Некоторые геологи считают, что все эти газы появились из-под земли единовременно – в процессе так называемой «большой отрыжки». Но, к моему великому сожалению, никакой «большой отрыжки», скорее всего, не существовало. И давление на Земле было нешуточным. Магма выбивалась на поверхность с огромной силой и содержала много газов: каждые сутки из-под земной коры в атмосферу вылетали миллиарды тонн газов. В результате давление воздуха было, вероятно, в сотни раз выше теперешнего. Легчайший бриз в воздухе такой плотности сбивал бы с ног и опрокидывал в расплавленную лаву.

Эта вторая атмосфера отличается от сегодняшнего воздушного океана по нескольким параметрам. Основной компонент той атмосферы, пар, постепенно начал конденсироваться, превращаясь в дождь, и скапливаться на поверхности в виде озер и морей. Образование водоемов вызвало эффект домино, поскольку второй важнейший компонент того воздуха, углекислый газ, легко растворяется в воде и реагирует с минеральными веществами, образуя твердый осадок. Это приводило к удалению CO2 из атмосферы.

Еще одна причина смены воздуха заключается в том, что поток астероидов и/или комет продолжал бомбардировать Землю, разрушая первичную атмосферу. Конечно, не каждое столкновение приводило к катастрофе. Небольшие астероиды могли даже привносить в нашу атмосферу другие газы – из содержавшихся внутри них паров. Но каждое столкновение с большим небесным телом являлось для нашей планеты серьезным уроком по сохранению энергии. При столкновении астероида с земной атмосферой значительная часть кинетической энергии астероида превращалась в тепло, под действием которого атмосферные газы вылетали в космическое пространство. Оставшаяся часть кинетической энергии вызывала гигантскую ударную волну, выдувавшую еще больше воздуха. Некоторые геологи считают, что подобные столкновения многократно уничтожали нашу атмосферу, полностью оголяя Землю. Если это так, следует говорить не о второй атмосфере вулканического происхождения, а об атмосферах 2a, 2b, 2c и т. д. Все они состояли примерно из одного и того же набора газов, но астероиды и кометы постоянно сдували их в космос.

Одно такое событие заслуживает особого внимания, поскольку в результате него возникла наша Луна. Вообще говоря, Луна – довольно странный небесный объект. Спутники всех других планет можно сравнить с комарами, тогда как Луна – настоящий альбатрос; размер нашего спутника лишь в четыре раза меньше размера самой планеты. В XX в. для объяснения этой аномалии астрономы выдвинули несколько теорий. Некоторые утверждали, что Луна возникла независимо, как отдельная планета, а Земля вовлекла ее в свое гравитационное поле, когда она в один прекрасный день проскальзывала мимо. Другие соглашались с предположением астронома Джорджа Дарвина (сына Чарльза Дарвина) и считали, что Луна каким-то образом отщепилась от Земли, когда та еще не затвердела, как дочерняя клетка отделяется от родительской клетки.

В 1969 г. на основании анализа лунного грунта наконец был найден ответ, объединявший обе теории. В частности, выяснилось, что лунные камни содержат меньше летучих газов, чем земные. Это означает, что лунные газы были удалены под действием какой-то силы. Однако удаление газов из столь крупного объекта, как Луна, могло произойти только из-за чрезвычайно сильного нагрева в результате сильнейшего столкновения с каким-то небесным телом. Из астрономических расчетов получается, что это гипотетическое тело (теперь его называют Тейей) по размеру было сравнимо с Марсом. По-видимому, Тейя возникла как отдельная планета в другой точке земной орбиты – на расстоянии нескольких месяцев «впереди» или «позади» Земли на ее орбите вокруг Солнца. Однако всемогущая сила гравитации не могла допустить близкого соседства двух планет на одной орбите и примерно через 50 млн лет после их образования привела к столкновению. Астрономы называют этот эпизод «Большим столкновением».

Столкновение с Тейей скорее следует сравнить со столкновением машины с лосем – структурные повреждения в таком случае гораздо серьезнее. В результате удара не только улетучилась наша атмосфера, но, возможно, вскипели океаны и испарились целые континенты.

Вспомните о столкновении Земли с астероидом, в результате которого вымерли динозавры. Этот удар, как в библейском Исходе, поднял к небу столбы огня и столько пыли, что она на несколько лет заслонила Солнце. Но Земля как единое небесное тело не пострадала: если воробей разобьет ветровое стекло, машина будет двигаться дальше. Удар затронул глубокие слои мантии и искривил планету, как будто кто-то пробил школьный глобус. Сама Тейя испарилась, и бо?льшая часть ее газообразных останков закрутилась в космосе вокруг Земли, создав наше собственное небесное кольцо. Но в отличие от колец Сатурна, состоящих по большей части из льда и камней, это горячее кольцо постепенно остыло и склеилось в единую массу, образовав Луну.



скачать книгу бесплатно

страницы: 1 2 3 4 5 6 7 8