Механизм постепенного затухания тектонических процессов состоит в том, что толстая кристаллическая оболочка планеты успешно противостоит опусканию тектонических плит к постоянно уменьшающемуся в объёме жидкого центра (по причине его охлаждения). Толстые плиты с каждым годом всё дольше удерживают поверхность планеты в «стабильном состоянии». Поэтому можно утверждать, что в прошлом, когда планета обладала тонкой кристаллической оболочкой, Земля была значительно «богаче» на землетрясения, вулканизм и горообразование. На поверхности полностью остывшей планеты, что произойдёт через 3 миллиарда лет, прекратятся все тектонические процессы – землетрясения, вулканизм и горообразование. (Смотрите таблицу 3).

Механизм происхождения этих процессов очень простой. Для проявления тектонических процессов необходимы участки разряжения в коре и мантии Земли, которые образуются благодаря систематическому снижению температуры в глубоких районах тела планеты. Но если планета полностью остынет «от коры до центра», то исчезнут все необходимые условия для «проваливания» тектонических платформ ближе к ее центру. Именно по причине полного остывания планеты исчезнут условия для возникновения тектонических процессов. Поэтому можно утверждать, что сразу после полного охлаждения планеты прекратятся все тектонические процессы. Детальнее о причинах землетрясений, вулканизма и горообразования рассказано в § 33.

Глава 9. Эволюция атмосферы Земли и других планет.

Атмосфера - это газовая оболочка планеты. Она также находится в постоянном эволюционном развитии, как и твердая кристаллическая материя - литосфера. Атмосфера образуется из газов, которые выделяются из литосферы в основном благодаря вулканическим извержениям или диффузным путем через микротрещины в кристаллической коре планеты. За все время существования химический состав и физические свойства атмосферы изменятся 7 раз. Рассмотрим закономерности физико-химических изменений атмосферы на планетах, где возникает растительно-животный мир, так как одной из таких планет является Земля.

Атмосфера Земли имеет 7 эволюционных стадий:

1. Термическая стадия атмосферы (с 6 до 5 миллиардов лет назад). Учёными установлено, что 6 миллиардов лет тому назад поверхность Земли имела температуру более 10000 ° С. Поэтому атмосфера Земли была раскалена, возможно, излучала свет, была насыщена парами металлов и силикатов, из которых образовался спутник Земли – Луна.

2.Вулканическая стадия атмосферы (5 – 4 миллиардов лет назад). После своего образования поверхность Земли имела миллионы крупных вулканов, которые насыщали атмосферу вулканическими газами и пеплом. Как показывают исследования, главными компонентами вулканических извержения является пары воды и углекислый газ.

3.Органосодержащая стадия атмосферы (4 – 3 миллиардов лет назад). Атмосфера с содержанием углекислого газа и воды, нависая над раскалённой вулканической лавой с температурой более 3000 ° С образовывала в огромном количестве органические вещества, в том числе и газообразные – метан, пропан, бутан и так далее. Поэтому древняя атмосфера всех планет (в том числе и Земли) имела огромный процент (возможно 30 %) органических газов. В этот период эволюции воды океанов содержали большее количество органических веществ, вода просачивалась глубоко в кору планеты и образовывала пласты

10

нефти.

Растения трансформируют углекислый газ CO2 в кислород O2. Поэтому дальнейший эволюционный путь тотальных изменений в химическом составе у планет расходится. У тех из них, на поверхности которых образовались растения в атмосфере начнет накапливаться кислород (начиная с 1 % до 30 %). У планет, на поверхности которых растительной жизни не образовались в химическом составе атмосферы будет преобладать углекислый газ CO2 (например, Венера, Марс, Уран, Плутон). Если на поверхности планеты не образовалась растительная жизнь, то атмосфера планеты на протяжении 5 миллиардов лет будет состоять на 80 – 90 % из углекислого газа. Если на поверхности планеты образовалась растительная жизнь, то атмосфера планеты на протяжении 5 миллиардов лет будет состоять на 20 – 30 % из кислорода, а на 70 – 80 % из азота.

4.Кислородсодержащая стадия атмосферы Земли (3 – 1 миллиард лет назад). После возникновения на поверхности Земли растений начал происходить глобальный процесс поглощения углекислого газа (СО2) и выделения в атмосферу кислорода (О2).

5.Кислородно-азотная стадия атмосферы Земли (существует сейчас, общая длительность 1 миллиард лет). В настоящее время атмосфера Земли состоит из кислорода (O2 - 21 %) и азота (N2 - 78 %).

6.Азотная стадия атмосферы Земли (возникнет в будущем, сохранится в период 0,1 - 1 миллиард лет). После полного поглощения кислорода на окислительные процессы металлов коры, атмосфера Земли будет состоять только из азота (N2 - 100 %).

7.Общая и конечная стадия для «жизньсодержащих и безжизненных планет» - стадия безатмосферной планеты (на Земле возникнет в будущем, через 1 миллиард лет). Под действием «солнечного ветра» атмосфера всех планет солнечной системы и Земли будет рассеяна по космическому пространству. Внешне Земля станет похожа на Луну.

Эволюционные изменения атмосферы закономерны для любой планеты Вселенной, на которой образовались и длительное время сохранялись растения. Итак, диалектические законы изменчивости атмосфер планет будут следующие.

§42. Термическая стадия атмосферы планеты.

Впредыдущих параграфах говорилось, что после образования планеты начинается стадия сильного радиоактивного разогревания ее литосферы. Поверхность планет (особенно крупных) нагревается до нескольких тысяч градусов,

аэто приводит, в свою очередь, к мощному выбрасыванию (эрупции) газов, силикатов и соединений металлов на десятки тысяч километров от поверхности планеты. Из этих газов и будет состоять ее первичная атмосфера. Силикатнометаллическое вещество первичной атмосферы частично коллапсирует в нескольких гравитационных центрах с образованием спутников планеты. Вращение планеты передается раскаленной атмосфере, а благодаря вращению атмосферы спутники планет также приобретают вращательное движение.

Примерно 5 - 5,5 миллиардов лет назад атмосфера Земли имела следующие физико-химические параметры. По химическому составу она была насыщена водородом (меньше - другими газами), силикатными и металлическими соединениями. Температура у поверхности планеты 1000 ˚ - 2000 ˚ C. Толщина горячей атмосферы Земли должна быть больше расстояния до лунной орбиты, то есть больше 384 000 километров, так как иначе Луна не смогла бы образоваться из вещества атмосферы Земли. Предположительно толщина атмосферы в то время равнялась 500000 километров (тогда как сейчас ее толщина 1000 километров). О

массе атмосферы в то время можно говорить только приблизительно. Масса современной атмосферы составляет 5 · 1018 кг. Но если Луна, «вес» которой 7 · 10 22

кг, образовалась из первичной атмосферы Земли, то масса земной атмосферы должна была быть значительно выше современной, предположительно - 10 23 кг. Тогда, по приблизительным подсчетам, атмосферное давление у поверхности планеты составляло более 1000 атмосфер. Масса Земли 5,5 миллиардов лет назад была больше современной приблизительно в 10 раз. Планеты на 90% состояли из водорода, который за 1 миллиард лет почти полностью рассеялся по космическому

11

пространству, так как лёгкий водород находился в самых верхних слоях атмосферы, а газы атмосферы постоянно рассеивались по космическому пространству.

§ 43. Вулканическая стадия атмосферы.

Планеты Солнечной системы медленно остывают и продолжат охлаждение ещё миллионы лет в будущем. На их поверхности когда-то образовалась первая, очень тонкая, горячая, кристаллическая, твердая оболочка, которая медленно увеличивает свою толщину и сейчас. При возрасте планеты Земля 1 - 1,5 миллиардов лет толщина коры составляла всего 100 – 500 километров. Жидкая центральная часть планеты быстро остывала и уменьшала свой объем. При охлаждении все тела уменьшаются в объеме. За период от 5 до 4 миллиардов лет назад радиус Земли уменьшился с 8000 до 7000 километров. Поэтому тонкая кристаллическая оболочка подвергалась колоссальным деформациям, платформы часто проваливались к центру, и это сопровождалось интенсивными тектоническими процессами. Землетрясения, горообразование и вулканизм превышали современные по своей мощности и частоте в миллиарды раз. Поверхность Земли того времени можно представить как ландшафт из гор и огромного числа крупных и мелких вулканов. Масса Земли была в 4 раза больше современной. Мощная вулканическая деятельность определяла химический состав и физические свойства атмосферы. Подсчитано, что в настоящее время благодаря вулканическим процессам в атмосферу вносится ежегодно 1010 кг газов. В прошлом это число было в миллиарды раз больше – приблизительно 10 20 кг в год. Атмосфера Земли переполнялась вулканическими газами, и миллионы тонн этих газов рассеивались по межпланетному пространству. Толщина атмосферы была огромной и, вероятно, превышала 150 000 километров, масса же приблизительно равнялась 10 21 кг, давление на поверхности планеты достигало 200 атмосфер. Химический состав вулканических газов 4 миллиардов лет назад, по-видимому, почти не отличался от газовых выбросов современных вулканов. Предположительно, атмосфера состояла на 80% из паров воды, углекислого газа и аммиака. Оставшийся объем занимали другие газы. Плотные многокилометровые по толщине облака этих газов полностью поглощали солнечный свет. На поверхности планеты была темнота, очень тепло (200˚ - 400˚ С), отсутствовали водоемы.

§44. Органосодержащая стадия атмосферы.

Вбольшом количестве органические газы содержались в атмосфере Земли

впериод 3 – 4 миллиардов лет назад. Это была органосодержащая стадия эволюции атмосферы, и эту стадию прошли атмосферы всех планет. Огромная биологическая ценность этой стадии заключается не только в насыщении атмосферы метаном, пропаном и другими органическими газами, а в том, что в этот период на поверхности горячей планеты происходил естественный синтез органических молекул массой в сотни миллиардов тонн. Именно этот процесс эволюции атмосфер делает возможным возникновение жизни и Разумных Существ на некоторых планетах Вселенной.

1.Процесс вулканического синтеза органических молекул. В то время

(3 - 4 миллиардов лет назад) действовали миллионы крупных вулканов, которые разливали раскаленную лаву на 50% поверхности Земли. В химическом отношении 4

12

миллиардов лет назад атмосфера Земли представляла смесь главным образом следующих газов: паров воды, углекислого газа, аммиака и метана, пропана, бутана и других углеродосодержащих органических газов. Физические параметры атмосферы приблизительно были такими: толщина атмосферного слоя около 50 000 километров, масса около 10 20 кг (т. е. в 20 раз больше современной), атмосферное давление у поверхности планеты около 20 атмосфер.

А) Синтез органических молекул в атмосфере. Эволюционная ценность органосодержащей стадии состоит в том, что, благодаря содержанию в атмосфере огромного количества неорганических соединений углерода (CO, CO2, CN и прочих), паров воды и раскаленных полей вулканической лавы с температурой 2000 ˚ - 3000 ˚ С, начинается глобальный синтез органических соединений. Над поверхностью огромных горячих полей раскаленной лавы висят облака углекислого газа и паров воды. Под действием температуры происходит синтез органических веществ. В атмосфере появляется много (до 60% массы всей атмосферы) газообразных соединений метана, пропана, бутана, формальдегида и так далее. Экспериментально, в лабораторных условиях доказано, что соприкосновение воздуха, содержащего в своем составе углекислый газ и пары воды, с поверхностью вулканической лавы, которая разогрета до температуры более 3000 ˚ С, вызывает процесс органического синтеза метана, пропана, формальдегида, ацетона и других газообразных углеводородов. Ветер сдувает синтезированные органические вещества на место расположения холодных озер, в воде которых они растворяются и концентрируются. Далее ветер приносит к раскаленным полям вулканической лавы (с температурой более 2000˚ С) новые порции углекислого газа и паров воды и снова синтезируются органические вещества. Так происходило на протяжении полутора миллиардов лет.

Б) Синтез органических молекул в океане. Вулканическая лава с температурой в 3000° по Цельсию стекала в воды океанов и морей. Вода древних океанов была предельно насыщена углекислым газом и другими соединениями углерода (CO, CO2, CN и прочими). При соприкосновении водных растворов углеродосодержащих веществ с раскаленной лавой также возникает огромное количество органических соединений. Исследования ученых подтверждают мнение, что «водный метод» синтеза органики в 5 раз продуктивнее, чем атмосферный. В случае, если вулканическая лава стекает в воду морей и океанов, которая имеет высокую концентрацию растворенного в ней углекислого газа, так же синтезируются высокомолекулярные органические соединения циклических углеводородов, сахаров, аминокислот и так далее. Воды морей 3 - 4 миллиардов лет назад были очень сильно насыщены углекислым газом, так как его концентрация в атмосфере составляла по данным различных ученых от 40 до 90%. У первых на Земле океанах и озерах концентрация органических веществ было необычайно высокой (до 50% по весу). Водные растворы органических веществ образовали нефть, которая находится не только на Земле, но и в недрах других крупных планет (у Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна), которые также прошли органическую стадию развития атмосферы.

Химическая эволюция на своем конечном этапе привела к возникновению жизни на Земле. Интересно, что в современной атмосфере Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна также содержится до 40% метана и других газообразных углеводородов. Следовательно, эти планеты еще проходят стадию «химической эволюции», во время которой образуются миллиарды тонн органических веществ. Земля прошла эту стадию развития 3 миллиарда лет назад.

13

Например, анализ метеорита «Merchison», упавшего в Австралии в 1969 году, показал наличие в нем 18 аминокислот, причем 12 из них не встречаются в белках земных растений и животных. Эти органические соединения явно неземной биохимической структуры. Отсюда напрашивается вывод о том, что на планетах, вращающихся вокруг других звезд, так же как и на Земле, когда-то существовал процесс естественного органического синтеза белков, жиров и углеводов. Так как в составе метеорита «Merchison» обнаружены ДНК и сложные белки, то можно утверждать, что этот метеорит когда-то был в составе какой-то планеты, на поверхности которой была растительная и животная жизнь. Без наличия живого организма нельзя синтезировать ДНК и сложные белки. Животные и растения погибли миллиарды лет назад, на другой планете, а их органические останки растворились в воде. Когда метеорит «Merchison» был составной частью (когда-то существующей) планеты, водные растворы с этими органическими веществами просочились внутрь скалистой породы будущего метеорита «Merchison» по мелким трещинам. Со временем вода из вещества, составляющего метеорит, испарилась, а органические вещества внутри камня навечно вошли в его состав. Под действием взрыва звезды как «сверхновой», планета раскололась на мелкие куски, которые в большом количестве рассеялись по космическому пространству. Одним из этих кусков был метеорит «Merchison». Далее этот метеорит упал на поверхность Земли, и химики обнаружили в его составе аминокислоты, белки и «инопланетарные ДНК». Следовательно, можно утверждать, что в далеком прошлом (примерно, 10 миллиардов лет тому назад) в Нашей Галактике уже существовала планета «Merchison» с растительно-животным миром.

В будущем ученые Земли полетят на космических кораблях к крупным астероидам и метеоритам. Астрономы открыли сотни астероидов, которые вращающиеся по эллиптическим орбитам вокруг Солнца. Астероиды – это крупные осколки планет, которые существовали десятки и сотни миллиардов лет назад. Не исключается возможность обнаружения окаменевших останков внеземных животных или растений на поверхности (или в недрах) астероидов, комет, метеоритов, болидов. В космосе возникнут новые науки – палеонтология и археология на поверхности крупных астероидов.

5. Качественный скачок материи от органических соединений до примитивной формы биологической жизни. Самой большой тайной мироздания является процесс биогенеза. Концепция биогенеза (возникновения жизни на Земле) разработана учеными Опариным (СССР) и Holdein (USA) и их последователями

(J.D.Bernal, G. Mueller, P.E. Spielman и другими). Каким образом из суммы разнообразных органических молекул образовались примитивные живые существа? Физические условия на поверхности Земли 4 миллиардов лет назад способствовали концентрации органических веществ в тепловых водах мирового океана. Горячая поверхность планет в некоторых местах остыла ниже 100˚ С, что дало возможность для образования первых морей и океанов. Как уже было сказано выше, на поверхности Земли 4 миллиардов лет назад образовалось огромное многообразие органических веществ, которые составляли до 50% веса вод (бульона) первичного океана. Длительное присутствие в водных растворах органических веществ, привело к их химическому усложнению и, в конце концов, породило примитивную жизнь. Это наглядный пример, когда количество (скопление органических веществ) перешло в новое качество (жизнь) под действием фактора времени. Органические молекулы могли существовать в неизменном виде десятки миллионов лет,

15

соприкасаясь друг с другом в растворе теплых вод мирового океана. После длительного взаимодействия в стерильных условиях (без окружения микроорганизмов и вирусов) органических веществ на протяжении 1 миллиарда лет, в «доархейскую эру» образовались первые живые организмы – клетки «каоцерваты». Это были минералотрофы ─ микроорганизмы, поедающие неорганические минеральные вещества: химические соединения серы, железа, азота.

§ 45. Кислородсодержащая стадия атмосферы.

После того, как в океанах Земли появились водоросли, начался глобальный процесс насыщения атмосферы кислородом. Как известно, морские растения поглощают из водных растворов углекислый газ CO2. Они отбирают для своего органического синтеза углерод С, а кислород Овыделяют назад в атмосферу. Из 6 молекул CO2 и 6 молекул H2O растения как правило синтезируют 1 молекулу глюкозы. Тысячи молекул глюкоза соединяются в одну цепочку и синтезируется молекула целлюлозы (древесины). Атом кислорода О, отнятый от молекулы воды H2O, выделяется в атмосферу. Первые растения в океанах появились 3,5 миллиардов лет назад. Однако в атмосфере кислород появился позже, только через 0,5 миллиарда лет, поэтому кислородсодержащая стадия атмосферы начинается с 3 миллиарда лет назад и заканчивается 1 миллиард лет назад. Даже 3 миллиарда лет назад кислорода

ватмосфере еще не было. Причина кроется в том, что кислород очень активный химический элемент. После выделения морскими водорослями, существовавшими 3 миллиарда лет назад, его молекулы попадали в окружение растворенных в воде океана и еще не окисленных металлов и неметаллов, которые моментально вступали

всоединение с кислородом. Поэтому в начальный период выделения кислорода водорослями он поглощался растворенными в воде солями, атмосферными газами, аммиаком, сероводородом и другими химическими соединениями атмосферы, связывался металлами горных пород, поглощался не окисленными веществами вулканической лавы. Через 0,5 миллиарда лет закончился окислительный процесс химически активных веществ атмосферы, гидросферы и поверхностного слоя литосферы. Начиная с 3 миллиарда лет назад, кислород начал очень медленно накапливаться в земной атмосфере: 0,1% ; 0,5; 1; 5; 15%, а сейчас кислорода в атмосфере 21%. Параллельно с увеличением содержания кислорода в атмосфере происходил процесс уменьшения процентного содержания углекислого газа. Дело в

том, что растения поглощают углекислый газ (CO2) «с той целью», чтобы отнять углерод (С) для синтеза органических веществ для своего «тела», а кислород (О 2), как балластное вещество, выделить в атмосферу.

Растения осуществляют «трансформацию углекислого газа в кислород». Ученые полагают, что в начале архейской эры (3,5 миллиардов лет назад) в составе атмосферы было 90% углекислого газа, в начале протерозоя (2,5 миллиардов лет назад) - 40%, палеозоя (570 миллионов лет назад) - 25%, в мезозойскую эру (230 миллионов лет назад) - 15%, в начале кайнозоя (70 миллионов лет назад) – 3%, а сейчас в атмосфере содержится всего 0,03% углекислого газа. Графически уменьшение процентного состава углекислого газа в земной атмосфере и увеличение содержания кислорода показано на графике 19.

Характеристика атмосферы. Атмосфера в кислородосодержащую стадию развития, то есть 2 миллиарда лет назад, состояла в основном из паров воды, углекислого газа, аммиака и метана – приблизительно на 70%, кислорода – на 6%,

16

других газов содержалось 24%. Жизнь существовала только в океанах и морях. Физические параметры атмосферы 2 миллиарда лет назад были следующие: толщина атмосферного слоя 10 000 километров, масса 5 ·1019 кг (в 10 раз больше современной), давление у поверхности планеты 10 атмосфер.

В заключение обратим внимание астрономов на следующее. Если в составе атмосферы какой-нибудь планеты будет обнаружено хотя бы несколько процентов кислорода, то можно утверждать, что на этой планете существует растительный мир. Без наличия растительного мира кислород в атмосфере

планеты никогда не появится!

§ 46. Кислородно-азотная стадия атмосферы.

Уже один миллиард лет атмосфера Земли состоит в основном из азота (20

– 78%) и кислорода (5 – 21%). Современная атмосфера Земли в объемных процентах содержит: азота - 78%, кислорода - 21, углекислого газа - 0,03, аргона - 0,93, остальные 0,04% занимают гелий, метан, криптон, закись азота, водород, ксенон. Сравнительно высокий процент содержания в атмосфере аргона - 40 объясняется тем, что в недрах Земли в него превращается большое количество радиоактивного калия - 40. Современные физические параметры атмосферы следующие: толщина атмосферного слоя до 1000 километров, масса 5 ·1018 кг, давление у поверхности планеты 1 атмосфера.

В табл. 4 и на рис. 19 показаны эволюционные изменения химического состава атмосферы в прошлом и в перспективе на 2 миллиарда лет вперед (в %). Рассмотрим причины этих изменений в химическом составе атмосферы Земли.

1. Углекислый газ CO2 появился благодаря обильным вулканическим извержениям. Нет единого мнения о его процентном составе в атмосфере 4 - 5 миллиардов лет назад. Газовый состав современных вулканических извержений содержит 40% по весу углекислого газа, а азота N2 ─ 2%. Однако можно предположить, что в прошлом углекислый газ имел возможность накапливаться в атмосфере до 90%. Это объясняется тем, что CO2 и N2 являются самыми инертными химическими соединениями атмосферы, и они почти не вступают в реакции c другими элементами. Остальные вулканические газы (HCl, CN, HF, SO2, NH3 и другие) относятся к крайне агрессивным компонентам, поэтому быстро «уничтожались», вступая в соединения с металлами горных пород, веществами вулканической лавы, растворенными в водах солями. Следовательно, процентное содержание углекислого газа и азота постоянно возрастало, а других газов - постепенно уменьшалось. См. рис. 19. Становится понятным, как содержание углекислого газа в атмосфере молодой Земли могло повыситься до 90%, а содержание азота в наше время достигло 78%. Основными потребителями углекислого газа являются растения. Источниками углекислого газа являются вулканы, промышленность и процесс дыхания животных. Основными резервуарами хранения являются атмосфера и океан.

А) Основные «резервуары для хранения» углекислого газа на Земле. 1) Сейчас в атмосфере содержится 0,03% углекислого газа, что составляет 2 ·1015 килограмм. Одновременно с этим на Земле произрастает 1016 кг растений (по

А.П. Виноградову), которые за год поглощают более 1014 кг углекислого газа. Тогда

17

углекислого газа хватит только на 20 лет.

2) Крупным «резервуаром» углекислого газа являются океаны и моря, так как в их водах растворено 5 ·1016 кг углекислого газа. Тогда только в течение 500 лет растительный мир Земли мог бы расходовать растворенный в гидросфере углекислый газ. Углекислый газ из атмосферы и сегодня в большом количестве растворяется в водах океанов и морей. Вызывает тревогу то, что в будущем продолжится понижение процентного содержания углекислого газа в атмосфере, а следовательно, он снизит свою концентрацию и в океане.

Таблица 4. Эволюционные изменения химического состава атмосферы Земли.

Рисунок 19. Изменение газового состава атмосферы Земли за 6 миллиардов лет геологической эволюции: углекислого газа – CO 2, кислорода – О 2 и азота – N 2 .

Б) Основные источники углекислого газа на Земле.

1)Вулканические извержения в прошлом являлись самым главным источником углекислого газа для атмосферы, а растения - единственными

потребителями углекислого газа. В настоящее время все вулканы за год выделяют в атмосферу 109 кг углекислого газа, а цивилизация сжигает органические топлива, и тем самым также пополняет атмосферу углекислым газом еще на 3 ·1012 кг в год (т. е.

в3000 раз больше, чем вулканы). Как сказано выше (§ 40), вулканические процессы на планете постепенно затухают по мере ее «старения». Через 1 миллион лет вулканизм на Земле полностью прекратится.

2)Около 150 лет еще будет действовать дополнительный источник углекислого газа - цивилизация, которая в большом количестве сжигает ископаемые органические вещества (уголь, нефть, дрова, горючие сланцы). Но затем эти полезные ископаемые будут исчерпаны. Залежи полезных ископаемых типа угля, нефти, природного газа цивилизация исчерпает через 150 лет, и цивилизация прекратит пополнять атмосферу углекислым газом, образующимся при сгорании органических топлив. Поэтому одни ученые полагают, что, несмотря на сжигание топлива в течение 150 лет, процентное содержание углекислого газа в атмосфере будет снижаться. Количество CO 2 останется прежним (0,03%), так как он поглотится

18

растениями и произойдет компенсационное увеличение биомассы у растений Земли. Другие ученые говорят о повышении содержания углекислого газа в атмосфере до 0,04 - 0,05% с последующим незначительным потеплением климата на планете к

2150 году. Так или иначе, но после 2150 года цивилизация останется без

органического топлива и процесс глобального снижения количества углекислого газа в атмосфере продолжится.

3) Углекислый газ также выделяется в атмосферу в количестве 1010 кг в год при разложении умерших животных и погибших растений в океанах, морях и на суше. Так же углекислый газ выделяется при дыхании животных и человека из их легких.

В) «Скорость» исчезновения углекислого газа из атмосферы Земли.

Обратим внимание на то, что хотя в течение последних десятков миллионов лет «работали» все природные источники углекислого газа (вулканизм, океаны, гниение), однако содержание углекислого газа в атмосфере снижалось и, например, за время кайнозойской эры (за 70 миллионов лет) упало с 12% (перед началом кайнозойской эры) до 0,03%, то есть в 400 раз. Смотрите график 19. Через 10 миллионов лет количество углекислого газа в атмосфере уменьшится в 1000 раз, процентный состав будет 0,000003%. Такое уменьшение содержания углекислого газа воздействует губительно для всех растений, что подтверждается на опытах с помещением растений под стеклянный колпак и одновременным уменьшением там содержания СО2. Растения "съели" весь углекислый газ атмосферы. Газовый источник пищи для растений почти иссяк. В ответ на это растения вынуждены будут сначала (через 100 тысяч лет) уменьшать собственную биомассу в сотни раз, а, в конце концов, все растения погибнут от отсутствия углекислого газа в атмосфере. Углекислый газ будет полностью трансформирован растениями в кислород примерно через 30 миллионов лет. Учёные полагают, что благодаря естественному круговороту веществ углекислый газ не исчезнет из состава земной атмосферы почти 30 миллионов лет. Поэтому можно утверждать, что после 30 миллионов лет, по причине отсутствия углекислого газа в атмосфере произойдет полное вымирание растительного мира. Понятно, что одновременно с исчезновением растений произойдет гибель травоядных животных. После этого вымрут хищники, и произойдет полное исчезновение животного мира. Земля лишится всех видов жизни по двум геокосмическим причинам: исчезновение углекислого газа из атмосферы и сильного похолодания на поверхности планеты (§ 40).

2. Кислород O2. Сейчас можно сформулировать один из главных законов биологической эволюции: первым видом живой материей во Вселенной являются растения, которые превращают неорганическую материю (CO2) в органическую (древесину, листья, плоды, цветы). Вторым видом живой материи во Вселенной является животный мир, который появляется на планете после насыщения океанов и атмосферы кислородом (O2) в процессе жизнедеятельности растений, а пищей для животных служат растения и другие животные.

А) Основным источником кислорода на Земле являются растения.

После 3,5 миллиардов лет, когда в океане появились первые растения (водоросли), на Земле происходил процесс насыщения кислородом атмосферы и вод океана. В обмен на поглощение углекислого газа растения выделяют в атмосферу кислород. Кислород в атмосфере появился 3 миллиарда лет назад в количестве 0,1 - 1%. Он

19

относится к очень активным химическим веществам. Поэтому в прошлом около 10 20 кг кислорода из атмосферы было потрачено на окисление атмосферных газов, растворенных в океанах и морях веществ, а также на окисление веществ горных пород на суше и на дне океанов. Весь современный растительный мир планеты в год потребляет 1014 кг углекислого газа и выделяет 3 · 1013 кг кислорода, что в 3,3 раза меньше массы безвозвратно поглощенного углекислого газа. Поэтому можно сделать вывод, что в настоящее время количество кислорода в атмосфере увеличивается, а количество углекислого газа уменьшается. Смотрите график 19. Если этот процесс не замедлится, то через 1500 лет в атмосфере будет 26% кислорода, через 3000 лет – 42% (в 2 раза больше, чем сейчас). Но такого большого увеличения процентного состава кислорода в атмосфере не произойдет, так как для этого недостаточно углекислого газа планеты. На поверхности Земли (в атмосфере и океанах) находится примерно 1017 кг углекислого газа, из которого растения могут получить 3 ·1016 кг кислорода (3% от находящегося в атмосфере). Следовательно, максимальное количество кислорода в атмосфере может увеличиться до 24% (21% + 3%). При нынешних темпах выделения кислорода растениями, в атмосфере его будет содержаться 24% через несколько миллионов лет.

Б) Основные «резервуары и хранилищами» кислорода на Земле является атмосфера и океан. Сейчас количество кислорода в атмосфере 21%, что составляет по весу 1018 кг. Примерно в 3 раза большая его масса растворена в водах океанов, морей, озер и рек. Рыбы дышат именно этим, растворенным в воде, кислородом.

В) Основные потребители кислорода на Земле является мантия Земли, промышленность и животные.

1)Затраты кислорода на глобальное окисление. Вода с растворенным в ней кислородом проникает глубоко в недра Земли, где кислород вступает в реакцию

сеще не окисленными веществами коры и мантии. Нагретая в недрах Земли вода в виде пара поднимается на поверхность планеты, чтобы остыть и пропитаться новой

порцией кислорода, а потом снова опускается в недра. Делая бесчисленные круговороты, подземная вода за год уносит в недра Земли около 1011 кг кислорода. Процесс окисления веществ в недрах планеты растворенным в воде кислородом

является достаточно мощным источником его глобального потребления. Годовая потребность в кислороде для этого геохимического процесса составляет 1011 кг.

Вся масса свободного кислорода в атмосфере и океане равна примерно 3 ·1018 кг. Значит, кислород атмосферы и океана будет истрачен на окисление остывающих горных пород мантии и вещества ядра Земли через 30 миллионов лет после гибели всех растений на Земле (т. е. через 60 миллионов лет, считая от сегодняшнего дня). После потери кислорода атмосфера будет состоять исключительно из азота. Поэтому через 60 миллионов лет атмосферу Земли ожидает азотная стадия эволюционного развития.

2)Затраты кислорода на сжигание топлива. Ежегодно затрачивается 5 ·1012 кг кислорода атмосферы на сжигание цивилизацией органического топлива и в пожарах (лесные, на нефтяных скважинах и т. д.). Конечным продуктом сжигания являются углекислый газ и вода.

Органическое топливо + 3О 2 = СО 2 + 4Н 2 О.

Растения почти сразу трансформируют углекислый газ (от сжигания

20

топлив и пожаров) опять в кислород. Безвозвратно теряется только кислород при синтезе воды во время горения органических веществ, что составляет 2 ·1012 кг в год.

3)Кислород атмосферы потребляется в момент дыхания животных и людей в количестве около 109 кг в год. Выдыхается из легких животных и человека углекислый газ, который быстро трансформируется растениями опять в кислород.

4)ВЫВОД о темпах глобального поглощения кислорода. Если

суммировать массу поглощенного кислорода из атмосферы и массу растворенного кислорода в океанах, то получится величина около 6 ·1012 кг в год. При этом необходимо учитывать, что необратимо (безвозвратно) масса кислорода поглощается

вколичестве 3 ·1012 кг в год, а остальная его масса образует углекислый газ и вступает в круговорот.

3. Азот N2, которого сейчас в атмосфере 78% (или около 4 ·1018 кг), образовался по двум причинам. Азот выделяется в атмосферу в течение 5 миллиардов лет благодаря вулканическим процессам. Вулканические газы содержат от 0,1 до 2% азота. Газообразный азот обладает низкой химической активностью, поэтому он постоянно накапливается в атмосфере Земли. В водах океанов и морей растворено азота в 5 раз больше, чем в атмосфере – 20 ·1018 кг. Всего на поверхности Земли содержится 24 ·10 18 кг свободного азота. Кроме вулканического происхождения существуют другие механизмы поступления азота в атмосферу. Азот поступал в атмосферу при процессе окисления аммиака. Академик А. П. Виноградов отстаивает именно эту гипотезу возникновения азота в атмосфере Земли. По приблизительным расчетам, с 5 до 2 миллиарда лет назад в атмосфере Земли содержалось от 5 до 20% аммиака. Начиная с момента, когда растения начали выделять в атмосферу кислород, возник глобальный процесс окисления аммиака с образованием азота.

2NH4 + 2O2 = N 2 + 4H2O.

Азот, в отличие от углекислого газа и кислорода, не участвует в глобальных биохимических процессах. Его усваивают в незначительных количествах в год некоторые виды азотобактерий в почве и илистом дне водоемов. Азот внутри бактериальных клеток превращается в аммиак, цианистые соединения, окись и закись азота. Биологами подсчитано, что за год атмосфера безвозвратно теряет на микробиологические процессы 1011 кг азота. Тогда весь свободный азот Земли будет усвоен бактериями через 240 миллионов лет.

§ 47. Азотная стадия атмосферы.

Уже упоминалось о том, что примерно через 30 миллионов лет земная атмосфера потеряет углекислый газ, который весь поглотится растениями, а через 60 миллионов лет кислород атмосферы израсходуется на подземное окисление вещества мантии и ядра. После этого атмосфера будет состоять из азота. В течение 140 миллионов лет после потери кислорода наша планета будет окружена азотной атмосферой. Потом и эта газовая оболочка Земли исчезнет вследствие жизнедеятельности почвенных азотобактерий. Биологами подсчитано, что за год атмосфера безвозвратно теряет на микробиологические процессы 1011 кг азота. Тогда весь свободный азот Земли будет усвоен бактериями через 240 миллионов лет. Предполагаемые физические параметры азотной атмосферы через 200 миллионов

21

лет, считая от сегодняшнего дня, следующие: масса атмосферы около 1012 кг, в миллион раз меньше современной, толщина газовой оболочки около 100 километров, давление у поверхности 0,001 атмосфер.

Подведем краткий итог эволюции земной атмосферы. Существует естественный процесс уничтожения атмосферы Земли. Через 30 миллионов лет атмосфера потеряет углекислый газ, который поглотится растительным миром, через 60 миллионов лет - кислород, который будет истрачен на окисление остывших пород мантии и ядра планеты, а через 240 миллионов лет - азот, который будет поглощен азотобактериями почвы. Поэтому можно утверждать, что через четверть миллиардов лет земной шар потеряет атмосферу и станет похожим на Луну.

§ 48. Стадия безатмосферной планеты.

На конечном этапе своей эволюции все старые планеты теряют свои атмосферы по чисто космическим причинам. Земля также полностью потеряет атмосферу через 1 миллиард лет. Именно процесс распыления (диссипации) горячей, кремней-металлической плазмы (у молодой планеты) и холодных газов атмосферы (у старой, остывшей планеты) за миллиарды лет уменьшает массу каждой планеты в десятки раз. Из металлической плазмы молодой, только что образовавшейся планеты образуются её спутники. У Земли образовалась Луна, а Юпитер и Сатурн имеют более 10 спутников. Холодные газы в атмосферу постоянно выделяют вулканы из мантии планеты. Холодные газы в огромном количестве выделяются в атмосферу из коры планеты, диффузно просачиваясь через мелкие трещины на поверхность. Вот почему диссипация газов уменьшает массу не только атмосферы планеты, но и её твёрдой кристаллической части – литосферы.

1. Процесс медленного уничтожения атмосферы – это процесс диссипации, распыления газов по космическому пространству. Исследуя распределение яркости света по ночному небосводу с учетом влияния зодиакального света, академик В. Г. Фесенков в 1949 году подтвердил предположение некоторых ученых о том, что земная атмосфера имеет светящийся газовый хвост, как у комет. Хвост атмосферного газа вытянут в обратную от Солнца сторону, и стелется точно в плоскости эклиптики. От ночной стороны земного шара хвост атмосферы распространяется в мировое космическое пространство более чем на 200 тысяч километров в виде расходящегося конуса, имеющего раствор около 10˚. Плотность воздуха вдоль хвоста убывает довольно медленно, приблизительно в 2 раза на каждые 4,7 радиуса Земли. Причиной описанного явления (как и у комет) может быть только фактор давления «солнечного ветра» на верхние слои атмосферы в одном направлении. Смотрите рисунок 20. Это наглядный пример "принудительного" рассеивания атмосферных газов (диссипации) по космическому пространству, несмотря на то, что гравитационное притяжение планеты направлено на удержание вокруг себя атмосферы. В 1986 году канадские ученые и их коллеги из США с помощью спектрометра, установленного на спутнике, определили, что ежегодно из полярных областей ионосферы теряется около 50 миллионов килограмм кислорода (данные взяты из научного журнала «Science News», 1986). Атомы кислорода получают высокие скорости движения в полярных областях атмосферы от ударов заряженных частиц «солнечного ветра» и космических лучей, которые концентрируются к полюсам благодаря сходящимся магнитным силовым линиям

22

Земли. Дополним исследования рассуждениями. Кислород теряется не только с полюсов Земли, но и со всей поверхности ионосферы. Поэтому истинная масса годовой потери кислорода больше приблизительно в 20 раз, и достигает 1 миллиард килограмм в год. Общее количество кислорода в атмосфере составляет 1018 кг.

Следовательно, весь атмосферный кислород рассеется по космическому пространству через 1 миллиард лет. Одновременно с кислородом диссипации подвергаются азот, углекислый газ, неон, пары воды, водород и другие газы. Точные расчеты показывают, что за год атмосфера Земли теряет 5 миллиардов килограмм газов, в основном азота и кислорода. Вся атмосфера Земли массой 5×1018 кг уничтожится диссипацией газов за миллиард лет.

Рисунок 20. Диссипация атмосферных газов под действием солнечного излучения.

До сих пор многие астрономы придерживаются представления о диссипации атмосферных газов, как о разновидности теплового хаотического движения атомов газов в самых верхних слоях атмосферы. Однако на верхние слои атмосферы действует не только тепловой, но и множество других физических факторов, которые превращают процесс диссипации атмосферных газов в мощный и безостановочный механизм. Перечислим основные факторы диссипации атмосферных газов. Характерно, что эти факторы противодействуют единственной силе – силе гравитационного притяжения атмосферных газов массой Земли.

1)Вакуумный фактор. Планеты располагаются в космическом пространстве, которое можно сравнить с абсолютным вакуумом. Из аэродинамики известно, что газы стремятся от среды с высокой плотностью к более разреженной. Около 5 миллиардов лет назад толщина земной атмосферы достигала 500 000 километров (сейчас 1000 километров). Поэтому при избытке газов атмосферы, что происходит на первых стадиях ее эволюции, можно предположить о существовании перемещения миллиардов тонн газов в космический вакуум.

2)Фактор механического выталкивания газов в космическое пространство. Атмосфера Земли 3 – 4 миллиардов лет назад была перенасыщена горячими газами и парами. Ее размеры достигали у Земли 300 000 километров, у Юпитера во время вулканической стадии - атмосфера была толщиной в несколько миллионов километров. Большая удаленность наружных слоев атмосферы

23

значительно ослабляет гравитационные силы, и газы беспрепятственно растекаются по космическому пространству. Постоянное пополнение атмосферы новыми порциями раскаленных вулканических газов в прошлом приводило к чисто механическому выталкиванию газов от планеты в окружающее пространство.

3)Тепловой фактор. Верхние слои атмосферы нагреваются до температуры 1000˚ К - 1500˚ К. Теплота - это хаотическое движение атомов вещества. При 10000˚ скорость движения атома азота достигает 10 километров в секунду. Только при 14000˚ атом атмосферного газа способен развить третью космическую скорость (17 километров/с) и покинуть пределы земной атмосферы. Из приведенных данных видно, что если ограничить расчеты массы диссипирующих газов тепловым фактором, то потери атмосферы действительно покажутся незначительными.

4)«Солнечный ветер». Солнце излучает огромное количество ядер элементов. Сталкиваясь с атмосферными газами, ядра элементов передают им свои высокие скорости. Под действием «солнечного ветра» атомы азота и кислорода приобретают скорости в несколько десятков километров в секунду, и улетают в космическое пространство.

5)Солнечное электромагнитное излучение. На верхние слои атмосферы

обрушивается мощное солнечное излучение, которое состоит из гамма-лучей (средняя энергия фотонов 108 эв), рентгеновских (104 эв), ультрафиолетовых лучей (10 эв), света видимого спектра (0,4 эв), инфракрасных лучей (10 – 2 эв), радиоволн (10 – 6 эв). Поток воздействует на молекулы газов атмосферы как мощное, постоянно действующее «световое давление».

6)Космические лучи. Космическое пространство заполнено космическими лучами, которые, представляют собой ядра атомов и элементарные частицы. Их скорость 300000 километров в секунду. В верхних слоях атмосферы происходит сталкивание этих частиц с молекулами газов, которым передается равное количество движения. Газы атмосферы приобретают скорости в несколько десятков километров в секунду и улетают в космическое пространство.

7)Магнитное поле Земли концентрирует заряженные частицы «солнечного ветра» и космических лучей на полюсах. Концентрированный пучок заряженных частиц мощной струей «бьет» газы верхних слоев атмосферы, и тем самым усиливает диссипацию атмосферных газов с полюсов планеты.

8)Воздействие на атмосферу Земли гравитационного притяжения

Луны, Юпитера и других планет также усиливает процесс рассеивания атмосферных газов по космическому пространству.

Все описанные механизмы достаточно быстро уничтожают атмосферу Земли и других планет.

2.Длительность существования атмосферы у планет. Указанные факторы диссипации преодолевают гравитационное притяжение атмосферных газов

кпланете и медленно «растаскивают» атмосферу по космическому пространству. Особенно быстро теряется атмосфера у планеты, которая расположена близко к

24

Солнцу (звезде). Атмосфера быстро теряется у малых по массе планет и дольше сохраняется у крупных планет, так как сила их гравитационного притяжения во много раз выше. Поэтому более мелкие небесные тела Меркурий (0,055 массы Земли), Луна (0,012), Марс (0,107 массы Земли) под действием описанных факторов давно потеряли (или почти потеряли) свои атмосферы. По приблизительным расчетам, 3 - 4 миллиардов лет назад они имели довольно обширные и плотные атмосферы из углекислого газа, аммиака, паров воды. В прошлом эти небесные тела были горячими, на их поверхности происходили тектонические явления. Вулканические извержения заполняли атмосферу газами. Астрономы получили некоторые данные в подтверждение того, что когда-то на поверхности Луны и Марса существовала и обширная гидросфера: океаны, моря, реки и озера.

Таблица 5. Физические параметры атмосферы Земли.

Таблица 6. Эволюционные изменения массы Земли.

Но после потери атмосферы быстро испарилась вода океанов и морей, а испарившиеся в атмосферу молекулы воды также рассеялись по космическому пространству. Аналогичный эволюционный финал ожидает атмосферу Земли, Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна и Плутона. Для них конечным этапом эволюции также является стадия безатмосферной планеты. Каждая планета Вселенной через определенный период своего существования, исчисляемый миллиардов ми лет, полностью теряет атмосферу. Земля лишится ее через 250 – 1000 миллионов лет, Венера - через 10 - 15 миллионов лет, Юпитер и Сатурн - примерно через 2000 миллионов лет, а Меркурий, Марс и Луна уже потеряли атмосферу 3000 миллионов лет назад. Потеря атмосферы планетой - неотвратимый эволюционный процесс! От возникновения до своей гибели Земля будет существовать 10 миллиардов лет, а атмосфера вокруг нее будет присутствовать только 8 миллиардов лет, то есть 80% всего времени существования. Последние 2 миллиарда лет старая Земля не будет окутана атмосферой! Если сравнить физические характеристики атмосферы Земли по описанным эволюционным стадиям в §§ 42 - 47, то можно сделать заключение о постоянном уменьшении массы атмосферы, ее толщины и давлении у поверхности планеты. Смотрите таблицу 5.

Аналогичный процесс постоянного разряжения атмосферы происходит с каждой планетой во Вселенной. Это диалектический космический закон, который пока плохо изучен астрономией и геофизикой. Под действием факторов диссипации Земля потеряет свою атмосферу через 1 миллиард лет. Каков будет внешний вид

25

нашей планеты в ту стадию? Внешне она станет похожей на Луну. Одновременно с потерей атмосферы испарится вода морей и океанов с поверхности Земли, а молекулы воды рассеются по космическому пространству. Исчезнут океаны, моря, реки, озера, ледники и снега. Для стороннего наблюдателя ее поверхность будет состоять из светлых «континентов» и темных поверхностей на месте бывших океанов и морей, как на современной Луне. На «континентах» можно будет найти сухие русла рек: Амазонки, Нила, Дуная, Волги, Енисея и так далее. Конечно, никакой биологической жизни к тому времени уже не будет, поскольку она на Земле погибнет через 30 миллионов лет.

3. Диссипация уменьшила общую массу Земли в 10 раз. В заключении исследования эволюции атмосферы планеты Земля обратим внимание на то, что процесс диссипации уменьшает общую массу планеты, так как уменьшает массу ее атмосферы. Уменьшение массы планеты проходит два этапа. Смотрите таблицу 6.

Во-первых, только что образовавшаяся планета (из атмосферных газов звезды) содержит огромное количество водорода. После сильного радиоактивного нагревания планеты огромные массы газообразного водорода покидают ее тело, заполняя атмосферу и рассеиваясь по космическому пространству. Поэтому масса первичной литосферы, содержащей водород, в несколько раз выше кремний - металлической литосферы планеты.

Во-вторых, на протяжении всей дальнейшей эволюции планеты миллиарды тонн вулканических газов покидают ее недра, насыщая атмосферу, а процессы диссипации рассеивают эти газы по космическому пространству. Все планеты состоят на 85% по весу из легких элементов, образующих газовые молекулы при соединении с кислородом и водородом. Металлы содержатся только в коре, которая по массе составляет 15% от массы всей планеты. Поэтому потеря общей массы планеты из-за механизма диссипации газов в космическое пространство на протяжении 5 миллиардов лет составляет приблизительно 90%. Так уменьшается масса литосферы планеты.

Диссипация уничтожает и гидросферу планеты. В табл. 6 приведены данные уменьшения массы Земли на протяжении всей ее эволюции. Все объекты неживой природы (планеты, звезды, галактики и другие) в процессе эволюционного старения уменьшают свою массу. Объекты живой природы (растения, животные) от рождения до смерти, наоборот, увеличивают свою массу.

4. Физические условия существования безатмосферной Земли. Через 1

миллиард лет Земля потеряет атмосферу. Конечно, нельзя говорить о наличии какого-то климата при отсутствии атмосферы у планеты. Однако и у безатмосферной планеты будет определенная динамика изменений физических условий. Поверхность планеты будет очень холодной. Дело в том, что звезды гаснут, теряют свою способность излучать электромагнитные волны (§ 24). Через 3 миллиарда лет Солнце превратится в карликовую звезду с очень слабой светимостью. Земля и другие планеты будут получать ничтожное количество тепловой энергии. Поэтому можно предположить, что в то далекое время планеты Солнечной системы будут иметь постоянную температуру, близкую к абсолютному нулю по Кельвину (или минус 273 ˚ по Цельсию). Холод и темнота, отсутствие живых организмов, океанов и морей, отсутствие атмосферы – такое печальное зрелище будет представлять собой Земля через 3 миллиарда лет.

26