В основе необоснованных предположений о «Биосфере 2» лежало правдоподобное убеждение в том, что раз для образования углекислого газа требуется кислород, то эти два газа противоположны. То есть в кислородном бюджете сам кислород проходит по статье прихода, а углекислый газ — по статье расхода. Когда углекислый газ исчезает, это интерпретируется как погашение долга, т. е. приход. На самом деле углекислый газ сам содержит некоторое количество кислорода, поэтому при потере углекислого газа кислород теряется тоже. Однако если вы следите только за увеличением уровня углекислого газа, то небольшую потерю вы не заметите.
Обманчивость этого подхода к рассуждениям имеет гораздо более широкое значение, чем судьба «Биосферы 2». Важным примером в рамках более общей проблемы углеродно-кислородного бюджета является вопрос о роли тропических лесов. Скорость расчистки и сжигания амазонских тропических лесов в Бразилии вызывает тревогу. Против этого есть множество аргументов: разрушение места обитания многих организмов, образование углекислого газа в результате сжигания деревьев, уничтожение культурного наследия местных индейских племен и так далее. Однако часто повторяемое утверждение о том, что тропические леса — это «легкие планеты» совершенно не оправдано. При этом подразумевается, что «цивилизованные» области (то есть области с развитой промышленностью) являются основными производителями углекислого газа, а девственные тропические леса, напротив, создают нежный, но мощный кислородный ветерок и при этом еще и поглощают избытки углекислого газа, выработанного этими негодными людьми со своими машинами. Они ведь должны это делать, разве нет? В лесу же полно растений, а растения вырабатывают кислород.
На самом деле это не так. Суммарный объем кислорода, вырабатываемого тропическим лесом, в среднем равен нулю. По ночам, когда фотосинтез останавливается, деревья вырабатывают углекислый газ. Да, они фиксируют кислород и углерод в виде сахаров, но когда они погибают, то углекислый газ все равно высвобождается в процессе разложения. Леса могут косвенным образом снижать уровень углекислого газа, изымая из него углерод и фиксируя его в виде каменноугольных или торфяных отложений — кислород при этом возвращается в атмосферу. По иронии судьбы, именно эти отложения являются источником большей части выработки углекислого газа в результате деятельности человека — мы добываем их и сжигаем, тратя на них то же самое количество кислорода.
Если верна теория о том, что нефть образована останками растений Каменноугольного периода, то наши автомобили сжигают углерод, который когда-то был частью растений. Даже если окажется альтернативная теория, набирающая популярность, и нефть — это продукт жизнедеятельности бактерий, проблема все равно остается. В любом случае, сжигание тропического леса приводит к однократному высвобождению избытка углекислого газа, но способность Земли создавать новый кислород от этого не уменьшается. Если вы хотите навсегда изъять часть углекислого газа из атмосферы, а не просто сократить краткосрочные выбросы, лучшим решением будет зафиксировать углерод в бумаге, построив большую домашнюю библиотеку, или покрыть побольше дорог асфальтом. Эти примеры не очень похожи на «зеленую» деятельность, но по факту это так. Можете ездить на велосипеде, если от этого вам станет лучше.
Другим важным компонентом атмосферы является азот. За бюджетом азота следить намного проще. Любой садовод знает, что растениям необходим азот для роста, однако поглощать его непосредственно из воздуха они не могут. Он должен быть «связан», то есть включен в состав химических соединений, которые могут использоваться живыми организмами. Некоторое количество «связанного» азота приходится на азотную кислоту, которую проливается на землю вместе с грозовыми ливнями, но большая его часть имеет биологическое происхождение. Многие простые организмы связывают азот, включая его в состав своих аминокислот. Впоследствии эти аминокислоты могут быть использованы для построения белков других живых существ.
В Мировом океане содержится огромное количество воды — примерно треть миллиарда кубических миль (1,3 миллиарда км3). Мы плохо представляем себе, сколько воды было на Земли на ранних этапах ее развития и как она была распределена по поверхности планеты. Тем не менее, существование окаменелостей, датированных 3,3 миллиардами лет тому назад, говорит о том, что вода к тому времени уже была на поверхности и, возможно, в довольно больших количествах. Как уже было сказано, Земля вместе с Солнечной системой и самим Солнцем образовалась из гигантского газопылевого облака, основным компонентом которого был водород. Водород легко вступает в реакцию с кислородом, образуя воду, но он также образует метан при соединении с углеродом и аммиак при соединении с азотом.
В атмосфере древней Земли содержалось довольно много водорода и водяного пара, однако сначала планета была слишком горячей, чтобы вода могла перейти в жидкую форму. По мере того, как планета остывала, температура ее поверхности опустилась ниже точки кипения воды. Вполне возможно, тогда температура кипения воды была иной — собственно говоря, она и сейчас не фиксирована, так как вода кипит при разной температуре в зависимости от давления и других факторов. При этом атмосфера не просто остыла, а еще и изменила свой состав, поскольку благодаря вулканической активности в нее проникли газы из внутренностей планеты.
Важным фактором было воздействие солнечного света, из-за которого часть молекул водяного пара распались на водород и кислород. Водород покинул слабое гравитационное поле Земли, поэтому доля кислорода в атмосфере возросла, в то время как доля водяного пара уменьшилась. В свою очередь, это привело к увеличению температуры, при которой происходит конденсация водяного пара. По мере того, как атмосфера охлаждалась, точка кипения воды постепенно увеличивалась. В итоге температура атмосферы опустилась ниже точки кипения, и вода начала переходить в жидкую форму, проливаясь на землю в виде дождя.
Этот дождь, наверное, лил как из ведра.
Попав на камни, дождевые капли сразу же превратились обратно в пар, но при этом они забрали часть тепла, заключенного в земле. Теплота и температура — разные вещи. Теплота является эквивалентом энергии: когда что-то нагревается, оно получает дополнительную энергию. Температура — это только один из способов выражения этой энергии, зависящий от скорости колебаний молекул. Чем быстрее колеблются молекулы, тем выше температура. Как правило, при нагревании температура вещества повышается, так как избыток теплоты ускоряет молекулярные колебания. Однако в процессе перехода из твердого состояния в жидкое или из жидкого в паро-газообразное дополнительное тепло тратится на изменение агрегатного состояния, а температура при этом не увеличивается. Иначе говоря, можно передать веществу большое количество тепла, и при этом оно не нагреется, а перейдет в другое состояние — произойдет так называемый фазовый переход. И наоборот, если фазовый переход сопровождает охлаждение, происходит выделение большого количества тепла. В результате охлаждения пара большое количество тепла было передано верхним слоям атмосферы, где оно в виде излучения могло уйти в космическое пространство. При контакте воды с горячей землей она испарилась, и камни быстро остыли. За короткое по геологическим меркам время температура горных пород опустилась ниже точки кипения воды, после чего большая часть дождевой воды перестала испаряться обратно в атмосферу.
Вполне возможно, дождь продолжался в течение миллионов лет. Неудивительно, что Ринсвинду было «немного мокро».
Благодаря силе притяжения, вода стекает вниз, поэтому вся дождевая вода в конечном счете собралась в наиболее глубоких вмятинах на неровной поверхности Земли. Так как на тот момент доля углекислого газа в атмосфере была достаточно высокой, дождевая вода приобрела свойства слабой кислоты. Кроме того, она могла содержать соляную и серную кислоты. Кислотная среда начала разъедать горные порода на поверхности Земли — в результате растворения минералов в океане вода стала соленой.
Поначалу уровень кислорода в атмосфере увеличивался медленно, так как солнечный свет оказывает лишь незначительное воздействие. Но когда на Земле появилась жизнь, кислород стал вырабатываться в ходе фотосинтеза. Соединяясь с оставшимся атмосферным водородом как в свободной форме, так и в составе метана, кислород образовал еще большее количество воды. Эта вода также выпадала в виде дождя, пополняя океаны и увеличивая численность бактерий, которые, в свою очередь, вырабатывали еще больше кислорода — так продолжалось до тех пор, пока запасы водорода не были исчерпаны практически полностью.
