Атмосфера Земли

14 апреля 1969 г. был выведен на орбиту зонд «Нимбус-3», предназначенный для исследования состояния земной атмосферы с высоты около 1050 км. Среди его инструментов имелся спектрограф IRIS, способный анализировать спектр получаемого света и идентифицировать химические элементы и соединения, через которые прошел этот свет.

IRIS выявил, например, наличие водяного пара (H₂O), углекислого газа (CO₂) и озона (O₃). Эти молекулы относительно легко обнаружить методом спектроскопии, поскольку они дают уникальный рисунок спектральных линий в инфракрасном диапазоне — полосе электромагнитного спектра непосредственно перед областью видимого света. Напротив, такие молекулы, как азот (N₂), составляющий около 78% земной атмосферы, и кислород (O₂, 21%), не выявляются спектрографом IRIS, поскольку не дают характерного расположения спектральных линий в инфракрасном диапазоне. Разумеется, состав атмосферы Земли был прекрасно известен задолго до измерений «Нимбуса-3», но благодаря этому спутнику мы впервые взглянули из космоса на свет атмосферы нашей планеты. Сегодня изучение атмосферы отдаленных планет вне Солнечной системы является одним из самых многообещающих направлений исследования в рамках поиска внеземной жизни. До сих пор нам не удалось напрямую обнаружить инопланетную жизнь, но, возможно, химические следы ее присутствия в дальних мирах позволят установить ее существование.

Именно этот вопрос я и хочу обсудить в данной главе: каким образом атмосфера планеты может рассказать о ее обитаемости? Для начала узнаем, как атмосфера нашей родной планеты пришла к своему нынешнему состоянию, поскольку она не всегда была такой, как сейчас. Когда Земля формировалась около 4,5 млрд лет назад, она состояла главным образом из водорода и гелия — самых распространенных газов в газопылевом диске, где образуются планеты. Скорее всего, эта примитивная атмосфера просуществовала недолго: водород и гелий очень легкие, и гравитационной силы относительно небольшой планеты типа Земли недостаточно, чтобы их удержать. Кроме того, эти газы сдувал в космос солнечный ветер — поток высокоэнергичных частиц от Солнца. В ту отдаленную эпоху он, вероятно, был интенсивнее нынешнего, поскольку протосолнце находилось на ранней стадии развития. Частые столкновения с другими космическими телами — астероидами и планетезималями — также приводили к потере первичного газового слоя вокруг Земли.

Изменение состава земной атмосферы произошло главным образом вследствие сочетания двух факторов: многократных вулканических извержений (они были обычны во времена, когда постепенно снижающаяся температура внутри Земли все еще оставалась очень высокой) и ударов комет и астероидов. Во время извержения вулкана в атмосферу поступает огромное количество водяного пара, углекислого газа и соединений серы, так что присутствие молекул этих веществ в современной атмосфере Земли не удивительно. Принято считать, что азот и большая часть воды попали на Землю с астероидами. Поскольку углекислый газ, молекулярный азот и водяной пар тяжелее водорода и гелия, атмосфера, состоящая из этих веществ, сохранялась лучше первичной. Этому способствовала и земная магнитосфера — магнитное поле, окружающее Землю вместе с атмосферой и защищающее их от солнечного ветра. Благодаря сочетанию подходящей температуры и наличия магнитосферы Земля обзавелась не только атмосферой, но и круговоротом воды. На нашей планете вода, испаряющаяся с поверхности суши и океанов, по большей части конденсируется на определенной высоте, образуя облака, откуда водяной пар возвращается на землю в виде осадков. Например, атмосфера Венеры является настолько горячей, что испарившаяся вода не может конденсироваться в облака. В сочетании с отсутствием у Венеры защитной магнитосферы это привело к тому, что планета миллионы лет безвозвратно теряла воду. На сегодняшний день Венера является чрезвычайно сухой планетой.

Эти процессы объясняют появление в земной атмосфере различных газов, за исключением двух — молекулярного кислорода и озона, ныне содержащихся в ней в значительных количествах. Между тем молекулярный кислород исключительно химически активен и с легкостью вступает в реакции с другими веществами. В рамках химии трудно объяснить тот факт, что он составляет чуть более одной пятой атмосферы Земли.

Но дело не только в химии.