Развитие климата на планетах земной группы

ВЕНЕРА, ЗЕМЛЯ И МАРС на ранних этапах своей истории могли иметь достаточно умеренный климат, чтобы на их поверхности в течение долгого времени существовала «жизнетворная» вода в жидком состоянии. Особенности обмена углекислым газом между атмосферой и сушей — а не только расстояние от планеты до Солнца — объясняют, почему Венера лишилась своей воды, Марс замерз, а Земля осталась пригодной для жизни.

Земля с ее пригодной для жизни средней температурой +15 °С образовалась на подходящем расстоянии от Солнца, а Марс (—60 °С) и Венера (+460 °С) — нет; в результате только на поверхности Земли есть необходимая для жизни вода в жидком состоянии.

Однако особенности происхождения «земных» планет не объясняют полностью их климата. Мы предполагаем, что три «соседки» были когда-то во многих отношениях похожи. Они состояли из одинаковых пород, имели атмосферы с примерно одинаковым газовым составом (содержащие углекислый газ и водяной пар) и были достаточно массивными, чтобы удерживать воду. Принципиально различный климат возник на них в основном из-за различий в круговороте диоксида углерода, или углекислого газа (СО₂),— обмене им между корой планеты и атмосферой. Углекислый газ  пропускает солнечный свет, но поглощает инфракрасное излучение (тепло) планеты и переизлучает часть этого тепла назад к ее поверхности.

Когда поверхность планеты остывает, количество углекислого газа в атмосфере увеличивается, когда же температура поверхности растет, его количество уменьшается. Марс сейчас «заморожен», поскольку он потерял способность возвращать газ в атмосферу, а на Венере — пекло, поскольку там, наоборот, отсутствует механизм выведения углекислого газа из атмосферы. (Меркурий не имеет атмосферы; температура его поверхности полностью зависит от излучения Солнца.)

Парадокс тусклого молодого Солнца. Во время образования Солнечной системы (около 4,6 млрд. лет назад) излучение Солнца было на 25—30% слабее, чем сейчас. Однако затем интенсивность его излучения стала примерно линейно увеличиваться со временем.

Парадокс возникает, как установили в 1970-е гг. К. Саган и Дж. Муллен из Корнеллского университета, в силу того, что, если первичная атмосфера Земли была такой же, как и сейчас, Земля, «обогреваемая» слабым излучением Солнца, должна была находиться в «замороженном» состоянии до 2 млрд. лет назад. Однако на самом деле планета не была обледенелой. Данные, полученные при изучении осадочных пород, показывают, что 3,8 млрд. лет назад — в эпоху, которой датируются древнейшие геологические данные,— на Земле уже были океаны. Кроме того, существование на Земле в течение последних 3,5 млрд лет жизни доказывает, что земная поверхность никогда не замерзала целиком. Саган и Муллен поняли, что парадокс исчезает, если предположить, что земная атмосфера со временем изменялась. Например, если бы на юной планете облаков было меньше, чем сейчас, то меньше солнечного света, падающего на Землю, отражалось бы назад в космос и планета была бы относительно теплее.

Углекислого газа на Земле в избытке: его запасов, сосредоточенных в карбонатных осадочных породах, достаточно для создания атмосферного давления в 60 бар: (В современной атмосфере углекислый газ создает давление 0,0003 бар.). Предположение о том, что повышенный уровень содержания СО₂ мог бы предохранить раннюю Землю от замерзания, вскоре привел к следующей идее: снижение содержания СO₂ со скоростью, в точности компенсирующей возрастание светимости Солнца, объяснило бы тот факт, что температура на Земле менялась незначительно. Если содержание СО₂ убывало слишком медленно, Земля превращалась в пекло, если слишком быстро — океаны замерзали.

Только находясь в относительно узком поясе орбит — между 0,95 и 1,01 а. е., — Земля может избежать и той и другой климатической катастрофы (1 астрономическая единица равна среднему расстоянию между Солнцем и Землей — 149,6 млн км). Харт назвал эту узкую полосу орбит «непрерывно обитаемой зоной» (НОЗ).

 КАРБОНАТНО-СИЛИКАТНЫЙ геохимический цикл имеет продолжительность около 500 тыс. лет. В ходе этого цикла СО₂ вымывается из атмосферы, накапливается в карбонатных породах, а затем вновь возвращается в воздух. Образование карбонатов связано с тем, что СО₂ растворяется в дождевой воде и вступает в реакцию с породами, состоящими из кальциево-силикатных минералов (соединений кальция, кремния и кислорода). В результате таких реакций образуются ионы кальция и бикарбоната (Са²⁺ и НСО₃^―); они смываются в ручьи и реки и в конце концов попадают в океаны. В океанах планктон и другие организмы поглощают эти ионы, идущие на постройку раковин, состоящих из карбоната кальция (СаСО₃); остатки организмов падают на дно океана и формируют осадочные породы. Дно океана медленно расширяется и поддвигается под континенты (этот процесс называется субдукцией). Осадочные породы опускаются в недра планеты, где под воздействием высоких температур и давления выделяют углекислый газ, который возвращается в атмосферу преимущественно в ходе вулканической деятельности.

Если все океаны замерзнут, дожди практически прекратятся и содержание углекислого газа в атмосфере начнет расти. При современной скорости выделения газа давление атмосферного СО₂ в 1 бар создается за 20 млн лет — геологически небольшой отрезок времени. Такого количества углекислого газа в атмосфере хватит на то, чтобы поднять температуру поверхности Земли примерно до + 50 °С, а это более чем достаточно, для того чтобы растаяли льды и восстановились нормальные  климатические условия.

Роль биоты. Биота несет главную ответственность за изменения климата Земли. Дж. Лавлок и Л. Маргулис—сторонники концепции, гипотезы Геи. Уменьшение содержания СО₂ в атмосфере в течение всей геологической истории Земли было прямым следствием биологического «вмешательства».

Углекислый газ, который не участвует в карбонатно-силикатном цикле (около 20 %), поглощается фотосинтезируюшими растениями. Когда растения умирают, входящий в их состав углерод откладывается в осадочных породах. В процессе горообразования осадочные породы поднимаются и углерод, содержащийся в них, получает возможность вступать в реакцию с атмосферным кислородом в дождевой воде с образованием углекислого газа. Ознакомится с программой экскурсий в Паттайе, вы сможете на сайте pattaya24.ru. На данном ресурсе вы найдете множество полезной информации для проживания в Паттайе, различные отзывы с фотографиями, обзоры и самые свежие новости в Паттайе.

Живые организмы влияют также и на карбонатно-силикатный цикл. При гниении растений (окислении) в почве накапливается СО₂. В результате в наше время концентрация СО₂ в типичных почвах, возможно, больше, чем она была до появления сосудистых растений около 400 млн. лет назад. Такое повышение концентрации СО₂ ускоряет превращение силикатных минералов в карбонатные осадочные породы.

На уровень содержания СО₂ в атмосфере большее влияние оказывают физические, а не биологические процессы.

Изменение количества влаги в атмосфере не компенсирует изменение поверхностной температуры, а скорее усиливает его: содержание влаги в атмосфере увеличивается, когда температура поверхности растет, и уменьшается, когда температура поверхности падает. Следовательно, если мы хотим объяснить тот факт, что, несмотря на увеличение светимости Солнца, температура земной поверхности в прошлом не росла неуклонно, а оставалась в допустимых для существования жизни пределах, мы должны опираться на предположение, что основную роль в этом играло изменение содержания углекислого газа в атмосфере.

Недостатки буферного механизма на Марсе. В современной атмосфере Марса углекислый газ создает давление лишь в 0,006 бар и обеспечивает парниковый эффект с величиной всего 6 °С. Поверхность Марса изрезана множеством каналов, большинство из которых, возможно, было создано потоками воды. Скорость эрозии на планете в течение первого миллиарда лет ее истории была также выше, чем сейчас. Этот факт лишний раз свидетельствует в пользу предположения, что когда-то Марс был достаточно теплым для того, чтобы на его поверхности вода оставалась жидкой.

Геологи не знают, насколько горячим был Марс, но его поверхность могла бы нагреваться благодаря парниковому эффекту плотной атмосферы, состоящей из углекислого газа.

Мы считаем, что Марс имел достаточные запасы СО₂, но остыл, поскольку там ослаб круговорот СО₂. Система круговорота, возможно, выводила СО₂ из атмосферы благодаря тем же процессам эрозии, что и на Земле. Однако механизм, который возвращал газ в окружающую среду, мог быть существенно иным, поскольку на такой маленькой планете, как Марс, вероятно, отсутствовала ярко выраженная тектоника плит.

Марс, очевидно, охлаждался не потому, что получал меньше солнечного света, чем Земля, а потому, что сам был меньше. В конце концов, его недра стали настолько холодными, что потеряли способность высвобождать углекислый газ из карбонатных пород. Весь СО₂, вымываемый из атмосферы, оставался заключенным в грунте.

Сейчас в коре Марса находится достаточно большая масса карбонатных пород. Однако до сих пор ведущиеся с Земли спектроскопические измерения не обнаружили такие породы. Дж. Гудинг из НАСА недавно нашел малые количества карбоната кальция в метеоритах, представляющих собой фрагменты породы предположительно марсианского происхождения.

Как высохла Венера. Дж. Льюис предположил, что Венера никогда не имела много воды, поскольку та часть туманности, где сформировалась Венера, была слишком горячей для образования гидратированных минералов. Серьезный недостаток этой теории состоит в том, что в ней не учитывается роль гравитации.

Альтернативная теория эволюции венерианского климата гласит, что первоначально Венера имела достаточно воды, но потеряла ее, когда эта жизнетворная субстанция нашла путь в верхние слои атмосферы. Там под действием солнечного света молекулы воды распадаются и освобождающиеся атомы водорода улетучиваются в космос.

Классическое объяснение — теория разгоняющегося парникового эффекта — предполагает, что на поверхности Венеры воды никогда не было. Концепция разгоняющегося парникового эффекта была предложена в 1955 г. Ф. Хойлом, но многие детали были разработаны в конце 1960-х годов Э. Ингерсоллом и Дж. Поллаком. По мнению этих исследователей, вода на поверхности не может оставаться жидкой, если поток солнечного света, падающего на планету, превышает некоторую критическую величину. Если на орбите Венеры этот поток имел закритическую величину с самого начала, то вся вода, которая высвобождалась из недр планеты, должна была сразу испаряться.

В современной земной атмосфере холодная ловушка находится на гораздо меньших высотах (между 9 и 17 км) — вблизи границы тропосферы и стратосферы. Когда водяной пар из нижних слоев поднимается к холодной ловушке, он почти весь успевает сконденсироваться; в результате наша стратосфера оказывается исключительно сухой и в космос ускользает мало водорода.

Влажный парник возникает тогда, когда поток солнечного излучения, проходящего сквозь атмосферу, свободную от облаков, по крайней мере, в 1,1 раза больше количества света, падающего на Землю. На наш взгляд, для объяснения того, почему сегодня Венера практически не имеет жидкой воды, теория влажного парника подходит больше, чем теория разгоняющегося парникового эффекта.

После исчезновения океанов прекратилось формирование карбонатов и углекислый газ начал накапливаться в атмосфере. В итоге давление в 93 бар в современной атмосфере планеты обеспечивается в основном углекислым газом. Газообразные соединения серы, которые первоначально были редки, поскольку они легко растворяются в воде, также накапливались и образовывали облака из капелек серной кислоты, которые сейчас являются одной из отличительных черт Венеры.

Именно углекислый газ, а не расстояние от Венеры до Солнца определяет сегодняшнюю высокую температуру ее поверхности. К Венере приходит в 1,9 раз больше солнечной радиации, чем к Земле, но ее кислотные облака отражают около 80% солнечного света, так что поглощает солнечной энергии Венера значительно меньше, чем Земля. В отсутствие парникового эффекта Венера была бы холоднее Земли и лишь ненамного теплее Марса.

Непрерывно обитаемая зона.  Светимость Солнца постоянно возрастает (на 1 % каждые 100 млн лет). Следовательно, примерно через миллиард лет на Земле могут возникнуть условия, угрожающие сохранению воды на планете. Эта опасность может быть отсрочена на некоторое время благодаря уменьшению количества атмосферного углекислого газа, обусловленному карбонатно-силикатным циклом. Однако такое уменьшение может стать губительным для биоты, поскольку многие растения не в состоянии осуществлять фотосинтез, если получают значительно меньше углекислого газа, чем сейчас. Содержание СО₂ в атмосфере постоянно растет в результате сжигания ископаемого топлива. После короткого периода потепления содержание углекислого газа вновь начнет падать.

НЕПРЕРЫВНО ОБИТАЕМАЯ ЗОНА — область в космосе, где теоретически на планетах может поддерживаться климат земного типа, причем достаточно долго для процветания жизни. Согласно новейшим расчетам, ее внешняя граница может лежать за орбитой Марса на расстояниях свыше 1,5 а. е. от Солнца.