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

Глава 3
Черная Земля

Первичная базальтовая кора

Возраст Земли: от 50 до 100 млн лет

Земля испытала немало превращений за долгую историю своего существования. Гигантское столкновение было, по-видимому, самым разрушительным и (с учетом формирования Луны) обусловившим далекоидущие последствия. Но такой результат – образование огромного единичного спутника на орбите вокруг планеты, полной летучих веществ, отнюдь не является неизбежным следствием законов физики и химии. Окажись параметры того древнего столкновения Тейи с Землей слегка иными, процесс, приведший к формированию Луны, происходил бы совершенно по-другому. Если бы столкновение произошло не по касательной, а лобовым ударом по центру, то Тейя смешалась бы с Землей и стала ее частью. Весьма вероятно, в таком случае Земля и Тейя образовали бы большую планету без спутника. Тейя могла бы также разминуться с Землей, а ее орбита изменилась бы настолько, что направилась бы либо в сторону Венеры, либо Марса и навсегда удалилась бы от Земли. Наконец, удар по касательной мог прийтись под таким незначительным углом, что образовавшееся облако осколков сформировало бы вокруг Земли множество более мелких лун, которые украсили бы ночное небо над Землей.

В изменчивых космических просторах случай играет немаловажную роль. История Солнечной системы представляет собой длинный перечень состоявшихся и несостоявшихся столкновений. Астероид, погубивший на Земле динозавров, вполне мог разминуться с нашей планетой и в результате позволил бы тираннозаврам и их потомкам просуществовать еще десятки миллионов лет. Большеголовые птицы достигли бы развитого интеллекта и научились бы изготовлять орудия труда и охоты. А малорослые млекопитающие, особенно расплодившиеся в мезозойскую эру, не достигли бы ничего. Чуть-чуть в сторону – и Земля пошла бы по другому пути развития.

Но некоторые процессы в космосе неизбежны и предопределены. С момента Большого взрыва Вселенная заполнилась множеством протонов и электронов и соответственно – большим количеством водорода и гелия. Огромные резервы водорода и гелия с неизбежностью привели к формированию звезд. Все остальные элементы возникли так же неизбежно в результате термоядерного синтеза и появления сверхновых после взрыва насыщенных водородом звезд. В свою очередь, все типы планет, вроде Земли, Марса, Юпитера и многих других, известных и вновь открываемых на орбитах далеких звезд, образовались в результате взаимодействия исходных химических элементов.

Земля после столкновения с Тейей пережила бурные времена охлаждения и самоупорядочения. Что представляла собой эта новорожденная планета? Геологи окрестили первые 500 млн лет ее существования гадейским эоном, намекая на адские условия того периода. Размышляя над этим названием, можно вообразить впечатляющую картину Земли в гадейскую эпоху: сернистые испарения вулканов, потоки огненной лавы и беспрерывные атаки метеоритов и комет терзали тогда поверхность Земли. Тем не менее вряд ли можно восстановить подробности существования Земли в эти первые сотни миллионов лет, поскольку отсутствуют сколько-нибудь достоверные данные о них.

Мы многое знаем о происхождении Земли благодаря свидетельствам образования Солнечной системы – самого Солнца и множества объектов, связанных с ним гравитационными силами. Десятки тысяч метеоритов дают достаточное представление об эпохе планетезималей. Подробности происхождения Луны обнаруживаются в лунных горных породах и грунте. Но от первых дней существования Земли не осталось ничего, по крайней мере никаких следов на самой Земле. Ни обломка породы, ни грана вещества.

Удивительно, но такие данные можно было бы извлечь из метеоритов, выброшенных из древнейших слоев Земли во время мощных столкновений миллиарды лет назад, а затем вновь упавших на Землю или на ее спутницу Луну. Наверняка такие образцы существуют, и даже во множестве, причем некоторые из них могут сохраниться в первозданном виде. На самом деле поиск таких реликтов, сохранившихся с начальной эпохи существования Земли, рассматривался в качестве одного из обоснований для повторных экспедиций на Луну. Подробная геологическая съемка лунной поверхности могла бы способствовать поискам гадейских горных пород, чтобы пролить свет на недосягаемое прошлое Земли.

Но даже и без таких приятных находок, дающих возможность подержать в руках обломок одного из первых затвердевших горных пород с поверхности Земли, у нас остаются шансы. Земля, конечно, менялась неоднократно, но законы химии и физики не меняются. Четыре с половиной миллиарда лет назад точно так же господствовали эти законы, и никакие гигантские столкновения или иные катаклизмы планетного масштаба не могут их изменить.

Неизбежность взаимодействия элементов

Развитие Земли в начальный период явилось следствием двух взаимосвязанных химических аспектов: космохимии (возникновение элементов) и петрохимии (возникновение горных пород). Вначале была космохимия и звездное производство, породившее все тяжелые элементы: всю Периодическую таблицу после водорода и гелия, занимающих первые два места в первом ряду. В нашей Вселенной главная роль принадлежала таким элементам, как кислород, кремний, алюминий, магний, кальций и железо, которые значительно преобладали над всеми остальными тяжелыми элементами, особенно на твердотельных планетах земного типа. Эти шесть элементов составляют 98 % массы Земли, а также Луны, Меркурия, Венеры и Марса.

За каждым из элементов «большой шестерки» стоит особая химическая история. Каждый по-своему внес вклад в развитие Земли после гигантского столкновения. Ключом ко всему являются химические соединения. Напомню, что атомы соединяются друг с другом, когда окружающие их облака электронов вступают во взаимодействие и образуют более устойчивые соединения, а именно: атомы с магическим числом из двух, десяти или 18 электронов. Для осуществления такого обмена одни атомы должны отдать свои электроны, а другие – принять их.

На Земле главным акцептором электронов является кислород. В ядре каждого атома кислорода содержится восемь положительно заряженных протонов, которые уравновешиваются восемью отрицательно заряженными электронами. Но кислород находится в постоянном поиске двух дополнительных электронов, которые составили бы магическое число десять. Эта ненасытная нужда превращает кислород в один из самых химически активных и агрессивных газов в природе. Противное вещество, что ни говори.

Для большинства из нас кислород представляется главным образом как важная часть атмосферы: около 21 %, которые поддерживают нашу жизнь. Но его нынешняя счастливая роль в атмосфере – это результат сравнительно недавних событий в истории Земли. По крайней мере в первые два миллиарда лет земная атмосфера была напрочь лишена кислорода. И по сей день большая часть земного кислорода содержится в горных породах и минералах – 99,9999 % от их общего состава. Поднимитесь на какой-нибудь величественный скалистый горный пик или пройдите по продуваемой всеми ветрами высокогорной тропе – большая часть атомов у вас под ногами – это кислород. Когда вы лежите на песчаном пляже, два из трех атомов под вами – тоже кислород.

Предоставляя кислороду роль главного химического акцептора, существует множество атомов, готовых поделиться с ним своими электронами. Самым обильным поставщиком электронов является кремний, составляющий примерно четверть всех атомов в земной коре и мантии. В ядре кремния содержится 14 положительно заряженных протонов, уравновешенных 14 отрицательно заряженными электронами. Обычно кремний отдает четыре электрона, достигая магического числа десять электронов, и становится ионом кремния с положительным электрическим зарядом. В земной коре и мантии эти четыре отпущенных на волю электрона почти всегда поглощаются двумя атомами кислорода, превращая их в отрицательно заряженные ионы. Вследствие этого во многих горных породах встречаются соединения с сильными кислородно-кремниевыми связями, например, кварц, или SiO₂, – союз одного атома кремния с двумя атомами кислорода. Твердые, прозрачные зерна кварца существуют с давних времен. Прибрежные залежи кварцевых песчинок исчисляются триллионами, в настоящее время кварц является самым распространенным минералом песчаных пляжей. Возможно, вы встречали в магазинах красивые, хорошо ограненные, прозрачные кристаллы кварца, продаваемые как «магические кристаллы». Держа в руках такое сокровище, вспомните, что оно на две трети состоит из кислорода.

Кристаллические кремниево-кислородные соединения под общим названием силикаты являются самыми распространенными минералами на Земле; известно более 13 тыс. разных видов (и почти каждый месяц выявляются все новые). Они отличаются большим разнообразием атомной структуры и свойств благодаря многообразию связей между кремнием и кислородом, будь то крепкие, устойчивые к атмосферному воздействию породы (например, кварц или полевой шпат), или зерна полудрагоценного зеленого оливина и красного граната (символические камни для родившихся в августе и январе), или игольчатые цепные силикаты, часть из которых является не чем иным, как знаменитый асбест, или тонкопластинчатые минералы, например слюда, некогда использовавшаяся вместо стекла в окнах.

Вещества, менее распространенные, чем кремний, такие как кальций, магний и алюминий, тем не менее играют ключевую роль в строении самых главных силикатных горных пород, встречающихся повсюду в земной коре и мантии. Будучи положительно заряженными ионами, подобно своим более часто встречающимся двоюродным братьям – силикатам, они тоже могут иногда соединяться с кислородом, образуя такие формы, как оксид кальция, известный как негашеная известь, или «кипелка»; довольно редкий оксид магния (магнезия); а также оксид алюминия, который в соединении со следовыми количествами таких редких элементов, как хром или титан, образует драгоценные камни – рубин и сапфир.

Шестой элемент из числа важнейших – железо – является самым «гибким» из всех. Остальные пять (кислород, кремний, алюминий, магний и кальций) отличаются определенным постоянством химических свойств. Кислород почти всегда выступает акцептором двух электронов, кремний почти всегда является поставщиком четырех электронов, алюминий отдает три электрона, а магний и кальций – по два. В отличие от них, железо, 26-й элемент в периодической таблице, выступает в трех совершенно разных химических ипостасях.

Разносторонность железа демонстрирует многослойная структура Земли. Железо составляет каждый десятый атом в богатых кислородом земной коре и мантии, тогда как металлическое ядро Земли на целых 90 % состоит из железа. Этот резкий контраст связан с тем, что 26 электронов этого элемента слишком заметно превышают оптимальное число восемнадцать, а потому железо главным образом выступает в качестве поставщика электронов. Ни одно вещество не примет восемь электронов сразу, так что железу приходится взаимодействовать с любым первым встречным акцептором.

Иногда железо действует подобно магнию и отдает два электрона, становясь двойным положительно заряженным ионом. В таком двухвалентном состоянии железо придает зеленовато-голубоватый оттенок многим минералам и химическим соединениям. Верным признаком наличия двухвалентного железа является, например, зеленый цвет драгоценного камня перидота (оливин с примесью железа) или голубовато-зеленый оттенок бедной кислородом крови в наших венах. В этом виде железо соединяется с кислородом в пропорции один к одному. Атомы железа и магния сопоставимы по размеру, а потому эти вещества нередко свободно замещают друг друга в самых распространенных минералах земной коры. Некоторые часто встречающиеся минералы, включая оливин, гранат, пироксен и слюду, имеют разновидности, в зависимости от содержания в них магния и железа: от бесцветных вариантов, со 100 %-ным содержанием магния, до густо окрашенных, где 100 % составляет двухзарядное железо.

Однако железо встречается не только в двухвалентном виде. В присутствии достаточного количества акцепторов электронов оно охотно отдает третий электрон и становится трехзарядным положительным ионом. Трехзарядная форма железа придает соединениям характерный кирпично-красный цвет. Красная ржавчина, краснозем, красные кирпичи и насыщенная кислородом кровь обязаны своими оттенками трехвалентному железу. Подобно алюминию, который тоже принимает три положительных заряда, трехвалентное железо соединяется с кислородом в пропорции два к трем и образует Fe2O3 – широко известный минерал гематит, названный так из-за присущего ему кроваво-красного цвета. Если магний вступает вместо железа в двухзарядные соединения, то алюминий часто замещает трехвалентный вариант железа. Соотношения алюминия и железа в таких минералах, как гранат, амфибол и слюда, бывают самые разные, при этом богатые железом разновидности отличаются красным цветом вместо зеленого.

Итак, удивительная способность переходить из двухзарядного в трехзарядное состояние (мы еще вернемся к этой его способности спустя пару миллиардов лет, когда на Земле предположительно зародилась жизнь) позволяет железу в двухвалентном или трехвалентном обличье вести себя подобно другим веществам большой шестерки. Но постойте – железо обладает еще одной важнейшей способностью: оно легко превращается в металл.

Большая часть описанных до сих пор химических соединений обменивается электронами, превращаясь в ионы. Алюминий, магний, кальций и железо отдают электроны, кислород их принимает. Соответственно такие соединения называются ионными. Однако металлы образуются иным путем. Каждый атом металла отдает один или несколько электронов и обретает положительный заряд. Но эти отторгнутые электроны образуют вокруг металла нечто вроде вязкого, отрицательно заряженного «моря», которое удерживает все положительно заряженные атомы вместе, как дробинки в патоке. Железо в форме металла представляет собой огромное скопление атомов, совместно владеющих свободными электронами.

Такое коммунальное хозяйство весьма продуктивно. Начать с того, что электроны, находящиеся в общем владении, свободно передвигаются, что делает металлы прекрасными проводниками электричества (электричество, собственно, и представляет собой направленный поток электронов). Для сравнения: в ионах, состоящих из кислорода и алюминия или магния, каждый электрон закреплен на своем месте так прочно, что поток электричества невозможен. Другим следствием металлических соединений является то, что такие вещества преимущественно гнутся, а не ломаются. «Электронное море», окружающее атомы, можно сворачивать и закручивать, не умаляя его совместной силы, в отличие от хрупких камней и минералов.

Внимательный читатель наверняка уже заметил, что не только железо способно образовывать металлы. Банки из алюминия, фольга, электропроводка всем известны; сплавы из металлического магния широко применяются в высокотехнологичных гоночных автомобилях и игрушках; в основе большинства электронных устройств используются полуметаллы (металлоиды) на основе кремния (отсюда Кремниевая долина). Но все эти металлические виды алюминия, магния и кремния являются продуктами современного химического производства. На то, чтобы отделить их от кислорода, уходит много энергии, и в виде металлов они практически не встречаются в природе.

Железо гораздо меньше привязано к кислороду и свободнее входит в самые разные соединения. В отличие от кремния, алюминия, магния или кальция, оно спокойно вступает во взаимодействие с любыми акцепторами электронов, особенно с серой (блестящий пирит является сульфидом железа), а также с медным колчеданом. В отличие от других элементов, железо легко образует плотный металл, который оседает в глубине планет и формирует их массивное ядро.

Расплавленная Земля

Большая шестерка элементов, каждый из которых является неизбежным результатом взрывающихся звезд и эволюции планет земного типа, лежит в основе разнообразных горных пород на Земле. Их химические свойства обусловили необратимый ход преобразований, приведших к современному состоянию мира. Однако прежде образования горных пород Земля должна была остыть.

Попробуйте еще раз представить бурные времена, последовавшие за гигантским столкновением, в результате которого образовалась Луна. В первые дни, а может, и недели после столкновения то, что стало впоследствии Землей и Луной находилось в неупорядоченном состоянии. В то время ни Земля, ни Луна не имели твердой поверхности. Они представляли собой два шарообразных тела, покрытых океаном магмы, кипящей, раскаленной, поливаемой дождем расплавленного кремния, и все это при температурах, превышающих многие тысячи градусов.

По мере освобождения от остатков Тейи жар, подобный жару доменной печи, поднимался от Земли в холодный вакуум космоса, и внешняя оболочка планеты неуклонно остывала. При этом космические силы старались как можно дольше сохранять земную поверхность в расплавленном состоянии. Огромные астероиды продолжали обстреливать планету. Каждый такой удар добавлял тепловой энергии, дополнительно раскаляя область столкновения, что препятствовало образованию устойчивой коры. Приливные силы Луны, располагавшейся на близком расстоянии, также вносили свою лепту в поддержание поверхности Земли в жидком состоянии, поскольку каждые пять часов вокруг планеты вспухала бурная волна магмы, заново разбивая тоненькую твердую оболочку. Добавляли жару и радиоактивные элементы, в изобилии имевшиеся на Земле: от короткоживущих тепловыделяющих изотопов алюминия и вольфрама до долгожителей – радиоактивных изотопов урана, тория и калия. Да и недавно возникшая развивающаяся атмосфера, разогреваемая парами от вулканических выбросов, богатых углекислым газом и водой, усиливала общий нагрев, производя сверхпарниковый эффект.

Неизвестно, сколько это продолжалось, – сотни, а может, сотни тысяч лет – геологический миг, пока Земля пребывала в расплавленном состоянии. Но ей суждено было постепенно остыть и затвердеть. Согласно второму началу термодинамики раскаленные тела, не имеющие источника внешней энергии, обязательно охлаждаются: чем горячее объект, тем выше скорость остывания.

Этот температурный переход осуществляется за счет трех известных механизмов. Во-первых, это теплопроводность. Когда более горячий объект соприкасается с более холодным, тепловая энергия перетекает от горячего к холодному. Этот процесс вы можете легко представить, если когда-либо обжигали ноги о нагретую солнцем мостовую или касались рукой раскаленного обогревателя: он происходит в результате постоянного колебания атомов. Когда холодный объект с медленно колеблющимися атомами соприкасается с «буйными» атомами горячего объекта, некоторые быстрые атомы передают свои колебания медленным. Если вы коснетесь достаточно горячего объекта, такие столкновения атомов могут повредить клетки кожи, вызывая ожоги. Механизм теплопроводности удобен для локальной передачи тепла при соприкосновении объектов, но не слишком эффективен в планетарном масштабе. При этом требуется очень много времени для передачи колебаний между атомами.

Более удобным для планетарных процессов передачи тепловой энергии является конвекция, когда тепло передается в большом объеме. Налейте в кастрюлю воды, включите плиту и понаблюдайте. Вначале процесс развивается медленно: нагреваясь, кастрюля передает тепло холодной воде за счет теплопроводности, когда активные атомы металлов постепенно раскачивают атомы воды. Но вскоре включается другой механизм. Нагретая внизу вода начинает подниматься сквозь прохладные слои и массово несет тепло на поверхность. Одновременно прохладные слои сверху опускаются на горячее дно. Нагревание идет все быстрее и быстрее, столбики воды поднимаются и опускаются вплоть до начала кипения. В результате конвекционных потоков поднимающейся горячей и опускающейся холодной воды в большом объеме быстро распространяется тепло с помощью такого стремительного и эффективного танца.

В масштабах всей Земли процесс конвекции продолжается непрерывно – в прохладных бризах жарким летним днем, в обширных океанских течениях от экватора до Арктики, в бурных грозовых фронтах, в горячих источниках и гейзерах. То же самое происходит внутри Земли, где горячие спрессованные породы размягчаются и поднимаются наверх, словно расплавленная карамель, в продолжение миллионов лет. Более прохладные и плотные породы с поверхности погружаются вниз, в то время как более горячие и менее плотные поднимаются, вытесняя их. На протяжении всей земной истории конвекция служит главным механизмом охлаждения планеты.

И наконец, тепловое излучение – третий механизм передачи тепла. Всякий горячий объект распространяет тепло на более прохладное окружение в форме инфракрасного излучения, которое в вакууме проходит 300 000 км за одну секунду. Это всем знакомый вид энергии, особенно когда вы расслабитесь и нежитесь под лучами солнца, похожий на волны видимого света (однако тепловое излучение отличается более длинными волнами). Самым очевидным источником энергии инфракрасного излучения является Солнце, омывающее Землю инфракрасными лучами, которые достигают ее за 8,3 минуты. Электрообогреватель, уютный огонь в камине или старые добрые батареи водяного отопления – всем нам хорошо знакомые источники инфракрасного излучения. Каждый нагретый объект излучает тепло в более холодную окружающую среду. Наше тело не является исключением. Переполненная аудитория быстро нагревается до неприятной температуры – каждый человек излучает тепло подобно стоваттной электролампе. Это легко проверить, надев очки ночного видения, через которые видно, как люди и животные, излучающие инфракрасную энергию, ярко светятся в темноте.

Интенсивность теплопередачи, в результате теплопроводности, конвекции или излучения, зависит от разницы температур между горячим и холодным объектом. Теплопроводность работает быстрее, конвекция энергичнее, а теплоизлучение гораздо мощнее, если разница между температурами достаточно велика. Земля – планета теплая. Обращаясь вокруг Солнца в холодном пространстве, она постоянно излучает тепловую энергию в космическую пустоту. Но раскаленная Земля после столкновения с Тейей выбрасывала тепловую энергию в космос в невиданных для нашего времени объемах. Поистине, она пылала в черной пустоте космического пространства.