Все, что движется быстрее второй космической скорости, которая в случае Земли составляет около 7 миль/с (11 км/с), способно преодолеть притяжение планеты и улететь в космическое пространство. По этой причине вещества с молекулярной массой (она равна сумме атомных масс элементов, из которых состоит молекула) меньше 10 не могут удержаться в атмосфере. Водород имеет молекулярную массу 2, а гелий — 4, поэтому рядом с Землей этих газов почти нет, хотя в космосе они встречаются чаще всего. В первичном газовом облаке из веществ с молекулярной массой больше 10 наиболее распространены метан, аммиак, вода и неон. Эти вещества мы наблюдаем сегодня в составе газовых гигантов: Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна — правда, они более массивны, так что вторая космическая скорость там выше, и эти планеты способны удерживать и более легкие газы, включая водород и гелий. У нас нет уверенности в том, что 4 миллиарда лет назад атмосфера Земли состояла из метана и аммиака, поскольку процесс сжатия первичного облака неизвестен нам в подробностях. Однако даже если в древности Земля и обладала такой атмосферой, впоследствии она ее утратила. В современной атмосфере метана и аммиака очень мало, и оба газа имеют биологическое происхождение.
В ранней атмосфере Земли кислорода было очень мало. Однако примерно 2 миллиарда лет назад его доля возросла до 5 %. Наиболее вероятной (хотя, вероятно, не единственной) причиной этому послужила эволюция фотосинтеза. В какой-то момент, вероятно чуть меньше 4 миллиардов лет назад бактерии, обитавшие в океане, в результате эволюции научились использовать энергию солнечного света, чтобы получать сахар и кислород из воды и углекислого газа. Прошло 2 миллиарда лет, прежде чем вырабатываемый ими кислород достиг заметной концентрации в атмосфере — в первую очередь, он был потрачен на окисление других газов и минералов. В наше время растения используют тот же метод и даже то самое вещество, которым пользовались древние бактерии — хлорофилл. Животные поступают прямо противоположным образом: они поглощают кислород, получая энергию в результате окисления пищи; углекислый газ же они не используют, а, наоборот, вырабатывают. Первые бактерии со способностью к фотосинтезу получали энергию из сахара, что позволило им быстро размножиться, однако для них кислород был чем-то вроде ядовитых отходов, которые всплывали и улетучивались в атмосферу. После этого содержание кислорода практически не менялось, пока примерно 600 миллионов лет назад не произошел резкий скачок, увеличивший его долю до современного значения в 21 %.
Содержание кислорода в современной атмосфере настолько велико, что объяснить его можно только влиянием живых организмов, которые не только вырабатывают кислород в огромных количествах, но и снова используют его, в частности, образуя углекислый газ. Поразительно, насколько наша атмосфер не сбалансирована в сравнении со сценарием, где жизнь отсутствуют и на Земле могут протекать только неорганические химические реакции. Доля кислорода в атмосфере меняется динамически, то есть чрезвычайно быстро по геологическим меркам — в течение даже не миллионов, а всего лишь нескольких столетий. Например, если бы некое стихийное бедствие уничтожило все растения, но оставило невредимыми животных, то в течение 500 лет доля кислорода уменьшилась бы в два раза — в наше время примерно столько кислорода содержится в воздухе на горных вершинах Анд. К похожему результату приводит и сценарий «ядерной зимы», предложенный Карлом Саганом: облака пыли, поднятые в атмосферу в результате применения ядерного оружия закроют землю от солнечного света. В этом случае, правда, растения все еще смогут поддерживать свое существование, но процесс фотосинтеза будет остановлен: при этом они будут поглощать кислород, как и микроорганизмы, разлагающие останки мертвых растений.
К подобному эффекту экранирования может также привести необычный рост числа действующих вулканов, столкновение Земли с кометой или удар метеорита. Когда в 1994 году комета Шумейкеров-Леви 9 столкнулась с Юпитером, сила удара была эквивалентна взрыву полумиллиона водородных бомб.
Мы до сих пор не вполне понимаем, какие статьи прихода и расхода составляют «бюджет» кислорода и связанный с ним, но в целом независимый бюджет углерода. Этот вопрос чрезвычайно важен, так как именно от него отталкиваются споры по поводу глобального потепления. В процессе человеческой деятельности, особенно работы электростанций, промышленных предприятий, автомобилей и даже просто нашего существования происходит выделение углекислого газа. Углекислый газ — это один из «парниковых газов», которые удерживают падающий на землю солнечный свет подобно тепличной пленке. Если мы вырабатываем слишком много углекислого газа, температура на планете будет повышаться. Это приведет к неприятным последствиям, начиная с затопления низинных регионов, таких как Бангладеш, и заканчивая изменением ареала насекомых, которые могут нанести серьезный ущерб урожаю зерновых. Вопрос состоит в том, действительно ли деятельность человека увеличивает содержание углекислого газа в атмосфере или же планета каким-то образом компенсирует этот рост? В зависимости от ответа может потребоваться наложить строгие ограничения на образ жизни людей в развитых странах (и развивающихся тоже), или оставить все как есть. Пока что общепринятая точка зрения состоит в том, что увеличение доли углекислого газа в результате человеческой деятельности подтверждается вполне ясными, хотя и трудноуловимыми фактами. По этой причине ряд международных соглашений ограничивает выработку углекислого газа (Правда дать обещание мало — нужно его еще выполнить, но это уже другая история).
Попытка дать более-менее уверенный ответ сталкивается с множеством трудностей. Мы не располагаем достаточно надежными данными об изменении уровня углекислого газа в прошлом, поэтому лишены подходящей «точки отсчета», с которой можно было бы сравнить современный уровень. Правда, мы стали лучше понимать общую картину, благодаря образцам древней атмосферы, заключенной в ледяных кернах, добытых в Арктике и Антарктике. Даже если «глобальное потепление» действительно имеем место, оно не обязательно должно проявляться в повышении температуры (так что название звучит немного легкомысленно). Настоящим проявлением являются климатические возмущения. В Великобритании самое теплое лето за XX век восемь раз приходится на 1990-е, но это не означает, что «становится теплее», а глобальное потепление — доказанный факт. Как бы то ни было, в глобальных масштабах климат меняется бесконтрольно — что бы изменилось, если бы нас здесь не было?
В проекте под названием «Biosphere 2» была предпринята попытка выяснить основные пути обмена кислорода/углерода в глобальной экосистеме путем построения «замкнутой» экологии — системы, не получающей извне ничего, кроме солнечного света, и ничего не передающей наружу. Внутри она была похожа на гигантский садоводческий магазин будущего с растениями, насекомыми, птицами, млекопитающими и людьми. Основная идея состояла в том, чтобы поддерживать экосистему за счет проектирования ее таким образом, что все материалы подвергались вторичной переработке.
Вскоре проект столкнулся с проблемой: для того, чтобы система функционировала, необходимо было постоянно добавлять кислород извне. Исследователи решили, что кислород каким-то образом теряется. Оказалось, что это действительно так, но настоящая причина была весьма неочевидной. Несмотря на то, что основной целью было наблюдение за процессами (включая химические реакции) в замкнутой системе, исследователи не рассчитали массу углерода, привнесенного в экосистему перед ее запуском. Причины были вполне разумными — в первую очередь, это чрезвычайно трудно осуществить, так как потребовалось бы оценить количество углерода, исходя из полной массы живых растений. Так как изначальное количество углерода было неизвестно, отследить объемы углекислого и угарного газов тоже не представлялось возможным. Тем не менее, «пропавший» кислород можно было бы заметить по увеличению объема углекислого газа, так что они могли бы просто следить за его уровнем.
В конечном счете выяснилось, что «пропавший» кислород не покидал здания «Биосферы 2», а переходил в углекислый газ. Почему же ученые не заметили увеличение его концентрации? Как оказалось, никто не знал, что углекислый газ впитывался в бетон, из которого было построено здание, по мере его затвердевания. Любой архитектор знает, что затвердевание бетона продолжается в течение десяти лет с момента его закладки, но с точки зрения архитектуры это знание не так важно. Экологам-экспериментаторам об этом ничего не было известно, потому что изучение мистических свойств наливного бетона обычно не входит в образовательную программу по экологии. Однако в их случае это знание оказалось принципиально важным.
