История Земли. От звездной пыли – к живой планете. Первые 4 500 000 000 лет

Сборка Солнечной системы

Солнце, составляя львиную долю общей массы Солнечной системы, занимает в ней господствующее положение. Сама по себе наша система не принадлежит к числу особо массивных, т. е. Солнце является звездой скромных размеров, что весьма благоприятно для планеты, на которой есть жизнь. Удивительно, но чем больше масса звезды, тем короче ее жизнь. Сверхвысокие температуры и давление внутри больших звезд ускоряют процесс ядерного синтеза. Таким образом, звезда, в десять раз превышающая по массе Солнце, завершает свой цикл в сотни раз быстрее – ее существование длится не более нескольких десятков миллионов лет, что едва ли достаточно для возникновения жизни на одной из ее планет до того, как звезда взорвется, превращаясь в смертоносную сверхновую. И наоборот, какой-нибудь красный карлик, массой в десять раз меньше Солнца, существует в сотни раз дольше, но при этом его слабое излучение может оказаться недостаточным для поддержания жизни на планете, в отличие от нашего желтого благодетеля – Солнца.

Наша промежуточная по массе звезда относится к золотой середине: не слишком большая, с коротким сроком существования, но и не слишком мелкая с недостаточной энергией теплового излучения. Предполагаемый срок ее существования, 9–10 млрд лет безотказного выгорания водорода, предоставляет достаточно времени для развития и поддержания жизни. Конечно, через каких-нибудь 4–5 млрд лет водород в ядре Солнца закончится и звезда перейдет к стадии выгорания гелия. В ходе этого процесса она разбухнет в недружелюбный красный гигант, диаметром в 100 раз больше нынешнего, для начала уничтожит несчастный маленький Меркурий, сожжет и поглотит Венеру и причинит большие неудобства Земле. Тем не менее даже по прошествии 4,5 млрд лет, у нас еще есть время, пока Солнце не войдет в последнюю стадию, когда само существование жизни на Земле станет весьма проблематичным.

Солнечная система обладает еще одной особенностью, благоприятной для существования жизни на планете. В отличие от множества других планетных систем, наша образована вокруг одной звезды. С помощью мощных телескопов астрономы обнаружили, что примерно две трети видимых звезд являются двойными, т. е. такими системами, в которых две звезды «танцуют» вокруг друг друга и имеют общий гравитационный центр. Во время формирования таких звезд водород скапливался в двух отдельных точках пространства, образуя два гигантских газовых шара.

Если бы наше газово-пылевое облако закручивалось сильнее, имея больший момент импульса и, как следствие, большую массу в районе Юпитера, Солнечная система тоже сформировалась бы с двойной звездой. Солнце было бы меньше, а Юпитер, вместо того чтобы стать гигантской, насыщенной водородом планетой, вырос бы до размеров небольшой, богатой водородом звезды. Возможно, жизнь процветала бы между двумя звездами. Или вторая звезда послужила бы дополнительным источником энергии, необходимым для поддержания жизни. Однако гравитационная динамика в двухзвездной системе непредсказуема, и могло бы случиться так, что Земля, активно перемещаясь между двумя мощными источниками притяжения, оказалась бы непригодной для жизни планетой с вытянутой орбитой, неустойчивым вращением и бурными колебаниями климата.

Ныне же наши гигантские газовые планеты, с их скромными размерами и почти круговыми орбитами, ведут себя вполне прилично. Масса самой большой из них, Юпитера, в тысячу раз меньше Солнца. Этого достаточно, чтобы оказывать весомое воздействие на соседние планеты; благодаря сильному гравитационному полю Юпитера планетезимали в области пояса астероидов так и не срослись в единую планету. При этом массы Юпитера недостаточно для того, чтобы запустить в собственном ядре процесс ядерного синтеза – факт решающего различия между звездами и планетами. Дальняя, окруженная кольцами, планета Сатурн и еще более удаленные холодные Уран и Нептун обладают гораздо меньшими размерами.

Тем не менее все эти газовые планеты-гиганты оказались достаточно крупными, чтобы притянуть на свои орбиты мелкие осколочные небесные тела, образовав нечто вроде собственных маленьких солнечных систем внутри Солнечной системы. В результате вокруг всех четырех внешних планет образовалась свита чрезвычайно интересных спутников, включая сравнительно небольшие астероиды, удерживаемые на орбите воздействием гравитационного притяжения планет-гигантов.

Другие спутники, в том числе и сопоставимые по размерам с внутренними планетами и подверженные динамичным геологическим процессам, образовались не столько из остатков пыли и газа, сколько из осколков, появившихся в процессе формирования других планет. Наиболее активным небесным телом во всей Солнечной системе является спутник Юпитера Ио, чья орбита настолько близка к газовому гиганту, что полный его оборот вокруг Юпитера занимает всего 41 час. Мощные приливные силы постоянно воздействуют на этот спутник диаметром 3643 км, пробуждая примерно полдюжины вулканов, которые выбрасывают гигантские плюмы высотой в сотни километров – уникальное явление в Солнечной системе. Не меньший интерес представляют Европа и Ганимед, крупные спутники размером примерно с Меркурий, состоящие из воды и горных пород – примерно в равных пропорциях. Оба эти спутника разогреты изнутри под влиянием постоянно действующих приливных сил Юпитера. Почти всю их поверхность составляют покрытые льдом океаны, что зафиксировано исследователями НАСА в процессе поиска возможного существования жизни на других планетах.

Сатурн, следующий в ряду внешних планет, обладает более чем пятью дюжинами спутников, не говоря уже о знаменитых кольцах, большую часть которых составляют сверкающие куски льда. Большинство спутников Сатурна имеет сравнительно небольшие размеры и является либо захваченными астероидами, либо осколками самого Сатурна; однако крупнейший из его спутников – Титан – превышает размерами планету Меркурий и окутан толстым слоем атмосферы оранжевого цвета. Благодаря запущенному ЕКА (Европейское космическое агентство) посадочному модулю «Гюйгенс», который опустился на Титан 14 января 2005 г., мы получили с поверхности спутника снимки крупным планом. Разветвленная сеть рек и потоков питает холодные озера, состоящие из жидких углеводородов; в густой, красочной, турбулентной атмосфере содержится большое количество органических молекул. В общем, на Титане стоит поискать признаки жизни.

Самые удаленные газовые планеты-гиганты Уран и Нептун удерживают большое число не менее интересных спутников. На большинстве из них наблюдаются признаки водяного льда, органических молекул и явные динамические процессы. Атмосфера Тритона, крупного спутника Нептуна, богата азотом. Оба гиганта окружены сложно устроенными системами колец, хотя эти кольца состоят, очевидно, по большей части из комков темного углеродистого вещества, размерами примерно с автомобиль, совсем непохожего на блестящие ледяные кольца Сатурна.

Каменные миры

Ближе к нашей планете гравитационное поле сохраняет свое влияние. Большая часть водорода и гелия после того, как Солнце зажглось, была вытеснена в район внешних планет-гигантов, и на внутренние области Солнечной системы пришлась малая доля массы вещества, в основном состоящего из твердых горных пород, наблюдаемых в составе хондритов и ахондритов. Ближе всего к Солнцу сформировался Меркурий – самая маленькая и безводная из каменных планет. Неприветливый, выжженный мир этой самой внутренней из внутренних планет кажется пустым и безжизненным: миллиарды лет его изрезанная кратерами поверхность под лишенным атмосферы небом сохраняется в одном и том же виде. Если поспорить, на какой из планет Солнечной системы наверняка нет жизни, можно смело ставить на Меркурий.

Венера – следующая по порядку планета, близнец Земли по размеру, но в корне отличная от нее по пригодности для жизни – в основном из-за расположения ее орбиты, примерно на 50 млн километров ближе к Солнцу. В начале ее существования на ней, возможно, имелась вода, даже неглубокий океан, но под воздействием теплового излучения и солнечного ветра вода на Венере почти выкипела, лишив планету влаги. Углекислый газ, преобладающий в атмосфере Венеры, закупорил энергию солнечного излучения и таким образом обеспечил парниковый эффект. Ныне средняя температура на поверхности Венеры достигает почти 500 °C – достаточно, чтобы расплавить свинец.

Марс, ближайший сосед Земли и следующий за ней в ряду внутренних планет, гораздо меньше ее (всего одна десятая от массы Земли), но во многих отношениях похож на нашу планету. Как все твердотельные планеты, Марс имеет металлическое ядро и силикатную мантию. Подобно Земле, у него есть атмосфера и значительный запас воды. Относительно слабая гравитация не позволяет Марсу удерживать молекулы газа в верхних слоях атмосферы, так что за миллиарды лет он потерял большую часть воды и воздуха, но все же сохранил теплые и влажные пространства под поверхностью, где могла в какой-то мере поддерживаться жизнь. Неудивительно, что все планетные изыскания нацелены главным образом на эту красную планету.

Земля, «третий камень от Солнца»^[2], находится посредине зоны жизни^[3] Солнечной системы. Земля расположена довольно близко к Солнцу и нагрета настолько, что смогла вытолкнуть значительные объемы водорода и гелия во внешние области Солнечной системы, но при этом достаточно удалена от него и настолько охлаждена, что смогла удержать большую часть воды в жидком виде. Как и остальные планеты Солнечной системы, она возникла около 4,5 млрд лет назад, в основном за счет столкновения хондритов и их последующего группирования во все более и более крупные планетезимали – и так на протяжении нескольких миллионов лет.

Глубины времени

Все, что нам известно о том, как возникли Солнце, Земля и вся Солнечная система, укладывается в представление о колоссальном периоде – чуть больше 4,5 млрд лет. Мы, американцы, любим отмечать известные даты в истории человечества. Мы отмечаем даты знаменитых изобретений и открытий, например, испытание моторного летательного аппарата братьями Райт 17 декабря 1903 г. или первый полет человека на Луну 20 июля 1969 г. Мы чтим даты общенародных трагедий и испытаний, например, 7 декабря 1941 г. или 11 сентября 2001 г. Конечно же, не забываем дни рождения: 4 июля 1776 г. и, разумеется, 12 февраля 1809 г. (общий день рождения Чарльза Дарвина и Авраама Линкольна). Мы убеждены в достоверности этих памятных дат, поскольку они зафиксированы как в устной, так и в письменной традиции, связывающей нас с не столь отдаленным собственным прошлым.

У геологов тоже принято вести счет времени: около 12 500 лет назад кончилось последнее великое оледенение и люди начали заселять Северную Америку; 65 млн лет назад вымерли динозавры и многие другие существа; в самом начале кембрийского периода, 530 млн лет назад, внезапно появились разнообразные животные с твердым скелетом; более 4,5 млрд лет назад планета Земля начала обращаться вокруг Солнца. Но откуда мы знаем, что эти датировки достоверны? Не существует ни устных, ни письменных источников старше нескольких тысячелетий, где отмечались бы хронологические данные о развитии Земли.

Четыре с половиной миллиарда лет почти невозможно себе представить. Согласно Гиннессу, мировой рекорд долголетия принадлежит француженке, отметившей 122-й день рождения, так что человек не проживает и 4,5 млрд секунд (примерно 144 года). Вся зафиксированная история человечества насчитывает менее 4,5 млрд минут. И все же геологи утверждают, что Земля кружится вокруг Солнца более 4,5 млрд лет.

Такую седую древность нелегко вообразить, но я все же иногда пытаюсь это сделать в процессе длительных прогулок. Южнее Аннаполиса, штат Мэриленд, на 35 км тянутся внушительные, причудливые каменные утесы, окаймляющие с запада Чесапикский залив. Идя вдоль узкой песчаной полосы между сушей и морем, можно найти большое количество ископаемых остатков двустворчатых моллюсков, спиральных улиток, кораллов и морских ежей. Изредка, если очень-очень повезет, можно наткнуться на 15-сантиметровый зазубренный акулий зуб или вдруг покажется полутораметровый череп кита, имеющий обтекаемую форму. Эти драгоценные реликты повествуют о времени 15 млн лет назад, когда климат здесь был гораздо теплее и ближе к тропическому, как на острове Мауи, и сюда приплывали рожать величественные киты, а чудовищные 20-метровые акулы охотились на их беззащитных детенышей. Их окаменелые остатки встречаются в толще осадочных пород мощностью 300 м, в которой запечатлено более трех миллионов лет истории Земли. Слои песка и мергеля очень плавно погружаются к югу, так что прогулка по взморью подобна путешествию во времени. Каждый шаг в северном направлении постепенно открывает все более древние слои.

Чтобы представить себе масштаб истории Земли, вообразите прогулку в прошлое, с каждым шагом углубляясь на 100 лет назад, т. е. на три поколения в пересчете на человеческий возраст. Полтора километра такой прогулки уведут вас на 175 тыс. лет назад. Конечно, 25 км Чесапикских холмов – серьезный маршрут для дневной прогулки, зато он уведет вас в прошлое более чем на три миллиона лет. Но для более или менее значимой отметки в истории Земли придется совершать этот подвиг в течение многих недель. Двадцать дней по 25 км в день помножьте на количество шагов по сто лет каждый – и вы достигнете отметки 70 млн лет назад – период, предшествовавший гибели динозавров. Пять месяцев таких прогулок уведут вас на 530 млн лет назад, во времена кембрийского «взрыва» – почти одновременного появления несметного числа животных с твердым скелетом. Со скоростью, равной ста годам на каждый шаг, вам понадобится не менее трех лет, чтобы достичь времени зарождения жизни, и почти четыре года, чтобы прийти к истокам истории Земли.

Можем ли мы быть уверенными в этих цифрах? Исследователи собрали большое количество разнообразных данных, которые определенно указывают на невероятную древность Земли – на глубины времени. Самые наглядные свидетельства – геологические процессы, которые приводят к ежегодным отложениям осадков; сосчитав слои, можно сосчитать количество лет. Наиболее впечатляющим примером геологического календаря являются вары – сезонные микрослойки – тонкие перемежающиеся слои светлых и темных отложений, в которых представлены весенние осадки, грубозернистые, и зимние, мелкозернистые. Тщательно документированные пробы из ледниковых озер в Швеции представляют данные о 13 527 годах осадконакопления, когда ежегодно появлялся новый сдвоенный слой. Тонкослоистый сланец Грин-Ривер, который обнажается в крутых склонах великолепных каньонов Вайоминга, представляет собой непрерывный вертикальный разрез, в котором можно насчитать более миллиона годовых слойков. Точно так же скважины, пробуренные на глубину тысяч метров в ледниках Антарктиды и Гренландии, вскрывают отложения, которые образовывались в течение более 800 тыс. лет, год за годом, слой за слоем в результате выпадения снега. Все эти отложения располагаются поверх еще более древних горных пород.

Измерения более медленных геологических процессов позволяют еще глубже проникнуть в историю Земли. Для формирования массивных Гавайских островов потребовались нечастые, но регулярные вулканические извержения, в результате которых лавовые слои накладывались один на другой. Если судить по интенсивности современных извержений, это происходило в течение по меньшей мере десятков миллионов лет. Аппалачи и другие древние, пологие горные массивы приобрели свой современный вид за сотни миллионов лет постепенного выветривания, а едва ощутимые сдвиги тектонических плит, которые перемещают континенты и увеличивают океаны, происходят циклами в сотни миллионов лет каждый.

Не менее убедительные доказательства глубины времен представляют физика и астрономия. Постоянная и уже вычисленная скорость распада радиоактивных изотопов углерода, урана, калия, рубидия и других элементов является исключительно точным инструментом для установления возраста геологических процессов, и часы эти уводят в прошлое на миллиарды лет назад, к моменту формирования Солнечной системы. Если взять миллион атомов радиоактивного изотопа, половина из них распадется за срок, который называется периодом полураспада. Например, из миллиона атомов урана-238 с периодом полураспада 4,468 млрд лет к концу этого периода останется половина. Остальные атомы за это время распадутся, образовав до полумиллиона атомов других элементов, заканчивая устойчивыми атомами свинца-206. Еще через 4,468 млрд лет останется только четверть атомов урана. Так, с помощью радиометрического датирования был установлен возраст древнейших примитивных хондритов – 4,566 млрд лет.

А как насчет бесчисленных миллиардов лет до образования Солнечной системы? Астрофизические измерения перемещения отдаленных галактик указывают на то, что Вселенная гораздо старше 4,5 млрд лет. Все галактики удаляются от нас и друг от друга. Данные доплеровского (красного) смещения подтверждают, что чем дальше от нас расположены галактики, тем выше их скорость удаления. Если прокрутить обратно эту космическую ленту, то все сойдется в одной точке – 13,7 млрд лет назад. Это момент Большого взрыва. Свет от многих удаленных объектов идет к нам через космическое пространство более 13 млрд лет.

Эти данные доказаны со всей неопровержимостью. Любые заявления, что Земля не старше десяти тысяч лет, противоречат однозначным данным всех научных наблюдений. Единственная альтернатива состоит в том, что космос был создан десять тысяч лет назад сразу безмерно старым – именно к такому выводу пришел британский естествоиспытатель Филип Госсе в опубликованном в 1857 г. противоречивом трактате Omphalos^[4] (в названии использовано греческое слово, означающее «пуп, пупок», поскольку не имеющий матери Адам был сотворен с пупком, чтобы выглядеть так, словно его родила женщина). Госсе каталогизировал сотни страниц свидетельств невероятной древности Земли, а затем выдвинул гипотезу о том, что Бог создал ее десять тысяч лет назад сразу со всеми признаками древности.

Некоторым может показаться удобной эта креационистская уловка «сотворенной древности» мира, известная как протохронизм. Астрофизикам, которые выдвигают свидетельства того, что звезды и галактики находятся от нас на расстоянии миллиардов световых лет, протохронисты возражают, что Вселенная была создана с уже идущим к Земле от дальних звезд и галактик светом. Горные породы с древним соотношением радиоактивных и дочерних изотопов, утверждают они, были сразу созданы с исходным смешением урана, свинца, калия и аргона, а потому выглядят старше, чем они есть на самом деле. Если вы придерживаетесь таких взглядов, то можете пропустить главу 11, повествующую о возможных сценариях будущего Земли. Если нет, то попробуйте вообразить прошлое на несколько миллиардов лет назад, когда возникла наша планета.

Рождение Земли 4,5 млрд лет назад – это событие, которое бессчетные триллионы раз повторялось в истории Вселенной. Каждая звезда или планета возникает в разреженном, почти вакуумном пространстве из газа и космической пыли – мельчайших частиц материи, невидимых невооруженным глазом, но заметных на расстоянии в полгалактики как огромные облака, из которых рождаются звезды. Миллиарды лет назад гравитация послужила повитухой при рождении Солнечной системы – Солнце стало единственным гигантом среди карликовых планетных тел. Ядерные реакции воспламенили вещество Солнца, которое окружило теплом и светом свои планеты. И наша Земля сделала первые робкие шаги к тому, чтобы стать обитаемым миром.

Какими бы чуждыми ни казались нам эти эпохальные события, мы ежедневно на протяжении всей жизни ощущаем на себе те же космические явления, которые привели к образованию Земли. Наши тела и среда обитания состоят из тех же самых веществ и атомов, которые сформировали Землю. Нас крепко удерживает на планете та же самая сила гравитации, которая скомпоновала звезды и планеты из газа и пыли и выковала химические элементы внутри звезд. Когда игра идет по универсальным законам физики и химии, ничего нет нового под Солнцем.

Горные породы, звезды и сама жизнь преподносят нам одни и те же уроки. Чтобы понять Землю, вы должны отвлечься от весьма незначительного пространственно-временного масштаба человеческой жизни. Мы живем в единственном крошечном мире среди необозримых просторов космоса, вмещающего 100 млрд галактик, каждая из которых состоит из сотен миллиардов звезд. Точно так же, день за днем мы живем в космосе, возраст которого сотни миллиардов дней. Ни смысл, ни путь космоса вы не найдете даже в самом лучшем мгновении или месте, связанном с человеческим существованием. Масштабы космического пространства и времени непостижимо велики. Поскольку появление Вселенной неизбежно вследствие непреложных универсальных законов космоса, которые дают нам надежду познать Вселенную, используя научный метод, такой космос, несомненно, исполнен смысла.