Жизнь состоит из веществ, которые в основном обнаруживаются в разреженной прослойке газов и водяного пара на поверхности нашей планеты. Мы представляем собой углеродную форму жизни, состоим в основном из воды и очень зависим от растений, которые преобразуют углекислый газ и воду в сахарозу. Но в жизни есть вещи и посерьезнее сахарозы (а может, и нет, зависит от того, насколько вы любите сахар), и вскоре мы рассмотрим это подробнее. А для начала давайте зададимся вопросом, откуда вообще взялась эта оболочка из газа и воды. Судьба атмосфер (и, вероятно, океанов) планет земной группы была предопределена, когда Протосолнце создало планеты внутренней области Солнечной системы слишком горячими, чтобы на них могла конденсироваться жидкость из протосолнечного газового диска (см. главу 3). Внешняя область Солнечной системы, за пределами снеговой линии, сохранила много льда, жидкостей и таких газов, как водород и все, что может быть из него получено (например, вода, метан и аммиак). Внутренняя Солнечная система осталась с кучей «камней» и без каких‑либо предпосылок к образованию где‑либо существенной атмосферы. Однако в наши дни Венера имеет массивную атмосферу, у Земли она тоже достаточно плотная, а атмосфера Марса хоть и разреженная, но все же существенная (вот, например, Меркурий обладает слишком разреженной атмосферой, чтобы о ней упоминать). Откуда же взялись атмосферы у планет земной группы?
Имелись две точки зрения (хороший способ заменить оборот «шли бурные дебаты») на эту проблему. Одна из теорий, так называемая гипотеза позднего вмешательства, исходит из того, что поверхности Земли и других планет земной группы были подвержены сильным бомбардировкам астероидами, приходящими по эксцентричным орбитам из внешней области Солнечной системы. Эту эпоху (около 4 млрд лет назад) называют поздней тяжелой бомбардировкой (возможно, вызванной миграцией гигантских планет, см. главу 3), и эта бомбардировка должна была начисто смести все атмосферы. Состав существующих сейчас атмосфер и океанов мог образоваться только после этого разрушительного события, в результате которого из внешней области Солнечной системы вместе с астероидами были доставлены летучие (легко испаряющиеся) компоненты, такие как лед, углекислый газ и др. (В главе 3 говорилось о двух больших областях скопления комет в Солнечной системе – поясе Койпера прямо за орбитой Нептуна и расположенном очень далеко облаке Оорта.) Таким образом, внешний слой атмосферы был образован поздно.
Сторонники другой теории утверждают, что атмосфера и океаны образовались из самой планеты, и эта теория имеет менее привлекательное название – эндогенное происхождение, т. е. атмосфера образовалась на Земле без влияния извне. (Таким образом, теория позднего внешнего вмешательства может быть названа экзогенной.) Как мы уже говорили, вода может содержаться в гидратированных минералах поверхностных горных пород, а углекислый газ – в породах, называемых карбонатами, обычно встречаемых в форме известняка или мела. Большинство мантийных пород также могло присоединять воду и углекислый газ в различные гидратированные или карбонизированные формы, но в очень малых количествах; в большинстве своем эти породы могут поглощать летучие вещества в размере лишь доли процента от своего веса. Тем не менее мантийным породам не нужно было много воды, чтобы образовать океаны нашей планеты. Масса океанов Земли составляет в общей сложности около 0,03 % от всей массы мантии (масса атмосферы ничтожна по сравнению с океанами), и можно было бы спрятать наши океаны в мантии несколько раз, а горные породы даже не стали бы мокрыми (может быть, слегка влажными). Даже слегка увлажненные и карбонизированные породы астероидов и планетезималей, которые сформировали нашу планету, похоронили бы эти компоненты глубоко внутри Земли, поскольку она увеличивалась. Таким образом, мантия могла бы сохранить достаточное количество воды и двуокиси углерода, чтобы в конечном итоге эта вода вышла наружу, образовав океаны и атмосферу.
Но каким образом вода и углекислый газ смогли попасть на поверхность Земли, если они находились глубоко внутри планеты? Во‑первых, если океан магмы действительно существовал, что кажется вполне правдоподобным, то при его кристаллизации было бы выделено значительное количество летучих газов, таких как вода и углекислый газ. Можно предположить, что первоначально океан магмы содержал в себе летучие вещества из исходных строительных блоков планет, например хондритов. Если бы весь океан магмы единовременно остыл, летучие вещества остались бы растворенными в конечной твердой мантии в малых концентрациях и при этом были бы широко распространены. Однако океан магмы должен был представлять собой смесь различных компонентов, одни из которых остывали быстрее, чем другие. Жидкие части, которые застывали медленнее, сохраняли все большее количество воды и углекислого газа, так как жидкости растворяют гораздо больше этих летучих веществ, чем кристаллизующиеся вещества. (Хорошим примером того, что жидкости лучше растворяют большинство химических веществ, служит вода – она растворяет соль намного эффективнее льда, даже в морском льду соли почти нет.) К тому моменту, когда океан магмы окончательно остыл, остатки расплава содержали много летучих веществ. Легкие расплавы поднялись к поверхности, более глубокие и более плотные ушли вниз, сформировав нижний слой океана магмы (этот процесс описывался в главе 4). Так как плавучие жидкости поднимаются к зонам более низкого давления, они начинают хуже растворять летучие вещества и потому высвобождают их (вот почему бутылка газировки шипит, когда вы открываете крышку и давление падает: углекислый газ внезапно становится нерастворимым и создает пузыри). Последние плавучие расплавы в остывшем океане магмы вначале накопили бы, а затем выпустили много воды и углекислого газа, высвобождая их в виде газа на поверхность планеты и, вероятно, делая это довольно быстро (по геологическим меркам).
Весьма вероятно, что благодаря затвердению океана магмы образовалась бóльшая часть первоначальной воды и состоящей из углекислого газа атмосферы, однако мантия продолжала медленно выделять газы и воду даже после того, как затвердела. Даже если бы океана магмы не было, из мантии все равно просочились бы вещества, из которых впоследствии образовалась ранняя атмосфера, просто этот процесс был бы более продолжительным. Мы уже упоминали, что в твердой мантии процессы конвекции протекают медленно и, по мере того как горячие поднимающиеся горные породы приближаются к поверхности и входят в зоны более низкого давления, они плавятся легче (хотя ненамного, возможно, на десятые доли процента). Этот расплав остается на поверхности, образуя кору, почти всегда океаническую. Как отмечалось выше, когда расплав только формируется, он намного лучше твердой породы растворяет летучие вещества, такие как вода и углекислый газ. Таким образом, когда мантия плавится, вода и углекислый газ, растворенные в горных породах, стремительно переходят (если позволите так выразиться) в расплав, который наполняется этими летучими веществами. Поднимаясь к поверхности Земли, расплав входит в зоны более низкого давления и, как откупоренная бутылка газировки, начинает выпускать газ. Именно это заставляет вулканы извергаться – быстрое высвобождение воды и углекислого газа в поднимающейся магме. Застывая на поверхности Земли или вблизи нее, магма уже не может растворять газ, и оставшаяся часть газа высвобождается. Суть в том, что небольшое количество расплава твердой мантии вбирает в себя эти газы и доставляет их на поверхность, это происходит исключительно за счет всевозможных форм вулканизма – от мощных извержений вулканов до мирного выброса лавы глубоководными центрами спрединга. Что бы ни было причиной – океан магмы и/или вулканизм, не требуется много расплава, чтобы извлечь летучие вещества из гигантской мантии для создания океанов и атмосферы.
Какая же гипотеза происхождения атмосферы верна – эндогенная или экзогенная? В естественных науках редко удается дать четкий однозначный ответ. Лучшим ответом, вероятно, будет то, что вода и другие летучие вещества попадали в атмосферу Земли, вероятно, обоими путями. Но какой путь – эндогенный или экзогенный – имел большее значение? Один из основных аргументов против экзогенной гипотезы (гипотезы позднего вмешательства) состоит в том, что химический состав комет (его можно измерить с помощью телескопов по спектру отраженного от комет света, а иногда и напрямую, с помощью космических аппаратов) отличается от того, что содержат океаны Земли. Наиболее очевидным признаком является соотношение количества дейтерия (тяжелого водорода с одним протоном и одним нейтроном в ядре) и обычного водорода (у которого в ядре только один протон). Это отношение обычно значительно больше на кометах, чем на Земле (т. е. на кометах больше дейтерия). Диапазон этого соотношения для комет, однако, довольно широк и превышает значения Земли не намного, так что это нельзя считать явным аргументом в пользу данной теории. Тем не менее другие подобные соотношения, например между изотопами азота, показывают, что их количество у комет и у Земли очень различается. В то же время химические и изотопные составы метеоритов из пояса астероидов, а именно хондритов, совпадают с земными. Таким образом, изотопные доказательства в целом указывают на то, что океан и атмосфера не «доставлены с запозданием» из космоса, а зародились внутри Земли и попали на поверхность в ходе ее аккреции хондритовыми строительными блоками. Кроме того, гипотеза позднего внешнего вмешательства основана на идее, что тяжелая метеоритная бомбардировка должна была уничтожить атмосферу не раньше чем 4 млрд лет назад (или даже немного позже). Но австралийские цирконы, которые мы упоминали выше, позволяют сделать вывод, что вода в состоянии жидкости уже имелась на поверхности Земли более 4 млрд лет назад, несмотря на горячую и враждебную окружающую среду.
Учитывая все имеющиеся на сегодняшний день доказательства, можно сделать вывод, что атмосферы на Земле появлялись в основном путем дегазации, т. е. «просачивались» изнутри нашей каменистой планеты при затвердевании океана магмы, а затем и во время вулканической активности или при обоих процессах сразу. Первичная атмосфера Земли не имела ничего общего с сегодняшней атмосферой: если ее образовал вулканический газ, она должна была состоять, главным образом, из углекислого газа и воды.
И углекислый газ, и вода являются парниковыми газами: они пропускают видимый свет от Солнца, который согревает землю; тепло от земли исходит в виде инфракрасного излучения, которое поглощается парниковыми газами, как одеяло нагревающими поверхность нашей планеты. При большом количестве углекислого газа и воды в атмосфере Земли могло скопиться много тепла, поэтому было очень жарко – температура поверхности, возможно, превышала 200–300 °С, что весьма отличается от современных 15 °С. Похожая по размеру и химическому составу на Землю, Венера могла бы иметь такой же состав атмосферы, но она расположена немного ближе к Солнцу, на ней намного более сильный парниковый эффект, и ее поверхность была еще горячее. Венера все еще близка к тому состоянию, имея температуру поверхности около 500 °С. Изначально на Земле и на Венере было примерно одинаковое количество углекислого газа в атмосфере и, возможно, воды. В наши дни массивная атмосфера Венеры все еще содержит большую часть того углекислого газа, а давление на ее поверхности в 90 раз больше, чем на Земле. (На Земле, чтобы испытать давление в 90 атм, нужно опуститься на подводной лодке на глубину 1000 м). Вероятно, в атмосфере Земли было почти такое же содержание углекислого газа, эквивалентное по меньшей мере давлению в 60 атм. Однако сейчас на Земле и Венере наблюдаются совершенно разные условия.
Сейчас на поверхности Венеры или в ее атмосфере почти нет воды. Атмосфера этой планеты до сих пор состоит в основном из углекислого газа, а ее поверхность настолько раскалена, что находящиеся на ней горные породы ночью излучают свет. Земля имеет гораздо более разреженную атмосферу с очень небольшим количеством углекислого газа, и, конечно, на Земле достаточно прохладно, чтобы здесь могли быть полные воды океаны и, следовательно, жизнь. Если раньше эти планеты были так похожи, почему они стали такими разными?
Как уже отмечалось, атмосферы Земли и Венеры первоначально были чрезвычайно густыми и состояли из углекислого газа и воды при очень высоких температурах и давлении на поверхности. На Земле, куда попадало чуть меньше солнечного света, температура, вероятно, была достаточно низкой, а давление на поверхности достаточно высоким, чтобы вода здесь имелась в виде жидкости. При нынешнем давлении на Земле в 1 атм вода закипает при 100 °С; если давление повысить, она закипит при более высокой температуре (по этому принципу работает скороварка). При давлении в 60 атм вода могла оставаться в состоянии жидкости при температуре на поверхности Земли 200–300 °С (ниже 270 °С, чтобы быть точным). Наличия этой воды в сочетании с изменением поверхности Земли в результате тектоники плит (мы обсудим это подробнее в следующей главе), возможно, было достаточно, чтобы количество углекислого газа стало сокращаться, поскольку он связывался с горными породами. Они постепенно остужали атмосферу, создавая условия для увеличения количества воды. А увеличение количества воды и все более остывающая поверхность планеты в свою очередь способствовали тектонической активности (мы обсуждали это в предыдущей главе), отчего содержание углекислого газа продолжало падать. В итоге лишь малая часть углекислого газа осталась в атмосфере Земли, остальная перешла в состав горных пород.
На Венере, залитой бóльшим количеством солнечного света, вероятно, было слишком жарко, чтобы вода могла выпадать в виде дождя. Вся она оставалась в атмосфере, поддерживая раскаленную температуру. Солнечный ультрафиолет разделил молекулы воды на водород, который улетучился в космос, и высокоактивный кислород, который связался с минералами на поверхности. В атмосфере Венеры осталось ничтожное количество воды. Кроме того, отсутствие воды в фазе жидкости и высокая температура поверхности, вероятно, мешали регулярному подъему из недр планеты новых пород, т. е. препятствовали процессу тектоники плит, который мог бы сократить количество углекислого газа. На Земле нужный баланс смог удерживаться – вода и тектоника плит, содействуя друг другу, уменьшали количество углекислого газа, в итоге создав пригодную для обитания поверхность. На Венере такой «кооперации» между водой и тектоникой не было, и поверхность планеты осталась адски горячей, сухой и бесплодной.
В наши дни атмосфера Земли намного более разреженная, чем во времена, когда она создавалась. Сейчас она почти на 80 % состоит из газообразного азота и почти на 20 % – из кислорода, а также небольшой примеси других газов (оставшегося углекислого газа, совершающей гидрологический цикл воды и инертного аргона, концентрация которого не меняется). Почти весь кислород в атмосфере биологического происхождения. В процессе фотосинтеза двуокись углерода (та ее часть, которая не ушла в горные породы) соединяется с водой. В результате получаются органические молекулы (сахар) и кислород (подробнее об этом в главе 7). Азот, вероятно, попал из мантии в атмосферу при извержениях вулканов вместе с водой и углекислым газом. Будучи относительно инертным (и при температурах, намного превышающих его точку росы), он остался в тех местах, где и был выброшен. До того как массивная атмосфера, состоящая из углекислого газа, была втянута в горные породы (а позднее и в живые организмы), азот был незначительным компонентом атмосферы, но, после того как это произошло, азот стал доминировать, кроме него в атмосфере мало что осталось.
Эволюция атмосферы Марса представляет собой любопытный контраст Земле и Венере. Сейчас атмосфера Марса почти полностью состоит из углекислого газа и примерно в 100 раз более разреженная, чем земная, при среднем давлении у поверхности менее 0,01 от давления земной атмосферы, измеренного на уровне моря. Окажись мы на поверхности Марса без скафандра, мы ощущали бы себя, как в вакууме. К тому же температура поверхности Марса весьма низкая, в среднем 60 °С. Полярные шапки Марса в основном состоят из водяного льда и некоторого количества сухого льда – замерзшей углекислоты. Вероятно, значительное количество льда содержится и в марсианской коре в регионах вечной мерзлоты. Экваториальные области могут получать достаточно тепла, чтобы лед таял, но атмосфера Марса настолько разреженная, что лед в основном сублимируется, т. е. испаряется, не проходя стадию жидкого состояния. Это значит, что в атмосфере Марса есть небольшое количество воды, которая выпадает в виде снега в более высоких широтах. Тем не менее исследования Марса показали, что на Красной планете когда‑то было значительное количество воды в жидкой фазе – судя по эрозии поверхности, напоминающей русла рек и древние овраги. В какой‑то момент прошлого атмосфера Марса была плотнее и теплее, этого было достаточно, чтобы на планете была вода в виде жидкости.
Имеются и некоторые признаки того, что в далеком прошлом на Марсе была тектоническая активность, возможно, в то время там имелась и жидкая вода. Быть может, Марсу был присущ взаимно поддерживающийся водно‑углеродно‑тектонический цикл, подобный тому, что наблюдается на Земле сейчас. Но это лишь догадки. В любом случае Марс потерял плотную атмосферу, сейчас его окружает разреженная газовая оболочка.
Одна из наиболее вероятных причин потери Марсом атмосферы – то, что он просто слишком мал, чтобы удерживать теплую атмосферу: молекулы газа легко достигали достаточно высокой скорости, выходили из гравитационного поля Марса, и таким образом атмосфера медленно улетучилась в космос. В то же время атмосфера Марса, вероятно, «сдувалась» солнечным ветром – потоком электрически заряженных частиц (ионов), который «обтекает» планеты. Эти частицы медленно выносят в космическое пространство атмосферу из ее верхних слоев. Сильное магнитное поле Земли отклоняет солнечный ветер и защищает атмосферу (и нас) от этих частиц и их десорбирующего эффекта. Венера не имеет магнитного поля, поэтому даже сейчас ее атмосфера постепенно улетучивается; но так как она очень плотная, а сама планета обладает достаточной массой, чтобы удерживать молекулы газа, они рассеиваются в космическое пространство довольно медленно. Возможно, Марс некогда имел сильное магнитное поле (данные спутников зафиксировали следы древней тектоники плит – полосовые магнитные аномалии, «замороженные» в коре планеты, так же, как в центрах растекания морского дна Земли). Однако сейчас там тектоники плит нет и, вероятно, не было на протяжении большей части марсианской истории, поэтому атмосфера Красной планеты рассеивалась солнечным ветром. То, что Марс утратил (а может быть, и никогда не имел) тектонику плит и магнитное поле, также лучше всего объясняется его размерами: он слишком мал, чтобы сохранить в недрах изначальное, оставшееся со времен его формирования тепло, и потому конвекция в мантии и ядре Красной планеты стала слишком слабой, чтобы питать и тектонику плит, и магнитное динамо.
Возникновение атмосферы и океанов Земли позволило сформироваться условиям, подходящим для возникновения жизни. Структура и движение океана и атмосферы играют важную роль в жизнепригодности Земли, уже не говоря о том, что они стабилизируют климат (мы обсудим это в следующей главе).
Самый нижний слой нашей атмосферы называется тропосферой, здесь, как мы полагаем, формируются погодные условия и ветры. Это слой толщиной в среднем около 10 км (он толще на экваторе и тоньше на полюсах). Атмосфера здесь подвергается тепловой конвекции, весьма напоминающей конвекцию земной мантии. Нагретая лучами Солнца Земля согревает приповерхностный воздух, он поднимается, остывает, а затем опускается где‑то в другом месте. Таким образом, в нижней части тропосферы теплее, в верхней – холоднее. Как мы вскоре увидим, конвективное движение в тропосфере – это сложный процесс, в основном он ответственен за движение ветров и погоду.
Над тропосферой расположена стратосфера, температура которой возрастает с увеличением высоты. Воздух в ее верхней части теплый, плавучий и неподвижный, он не тонет, поэтому аэрозоли и вулканическая пыль задерживаются там. (Стабильность стратосферы также защищает ее от конвекции, в этой зоне почти нет турбулентности, поэтому самолеты гражданской авиации совершают полеты именно в нижней стратосфере.) Высокая температура стратосферы обусловлена наличием в ней озона – молекул, состоящих из трех атомов кислорода. И образование (из обычных молекул кислорода, которые имеют два атома), и разрушение стратосферного озона (до кислорода) происходит из‑за поглощения определенных видов ультрафиолетового излучения, поступающего от Солнца, в результате стратосфера нагревается. Этот эффект также очень важен, так как защищает жизнь на поверхности Земли от вредного ультрафиолетового излучения. Развитие жизни и выработка кислорода были укрепляющими друг друга процессами, так как благодаря последнему появился защитный озоновый слой. Этот процесс также напоминает, почему потеря озонового слоя приведет к катастрофическим последствиям. Наличие озоновых дыр над полюсами Земли, предсказанное в 1970‑х гг. и открытое в 1985 г., заставило международное сообщество регулировать процессы загрязнения воздуха для того, чтобы эти дыры затянулись.
Стратосфера простирается на высоту до 50 км, а то, что выше, является еще более разреженной мезосферой. Мезосфера простирается на высоту до 100 км, хорошо охлаждается излучением и потому холоднее, чем стратосфера. Следом за мезосферой располагается намного более горячая и гораздо более разреженная термосфера (примерно до 600 км), а еще выше – экзосфера (примерно до высоты 10 000 км или даже больше), за границами которой начинается космическое пространство. Верхняя мезосфера, термосфера и нижняя экзосфера, в которых высока концентрация ионизированных атомов, вместе образуют ионосферу, представляющую естественный канал для переноса радиоволн по всему земному шару.
Но давайте вернемся к тропосфере. Конвекция в этом слое приводится в движение солнечным теплом, максимально сильным вблизи экватора в тропиках, где солнечный свет падает на поверхность под прямым углом, и слабым на полюсах, куда солнечный свет почти не попадает. Если бы Земля не вращалась, конвекция представляла бы собой горячий воздух, поднимающийся от нагретой на экваторе поверхности в верхние части тропосферы, а затем переправляющийся к полюсам, где он бы остывал, опускался вниз и возвращался к экватору над поверхностью Земли. Однако наша планета вращается довольно быстро, и воздух, находящийся у поверхности на экваторе, движется по направлению на восток с очень высокой скоростью, проходя окружность Земли за сутки (т. е. 40 000 км за 24 часа, что равно 1700 км/ч). Воздух, находящийся у поверхности планеты у Северного и Южного полюсов, движется медленнее, проходя за 24 часа по меньшей окружности, чем на экваторе. На полюсах же почти полный штиль, ветер вращается очень медленно и локально. Таким образом, воздух, поднимающийся на экваторе, с высокой скоростью дует в восточном направлении, и, по мере того как он поднимается, а затем перемещается в сторону холодных полюсов, его движение на восток становится все быстрее по отношению к поверхности. Таким образом, в то время как этот теплый поднимающийся воздух пытается переместиться к одному из полюсов, он будет все больше, относительно окружающего его воздуха, отклоняться к востоку, поэтому по существу воздух будет двигаться исключительно в восточном направлении по окружности вдоль заданной широты. В конце концов он теряет тепло и опускается вниз между 30° с.ш. и 30° ю.ш. (Флорида, США до Перта, Австралия). Этот прохладный опускающийся воздух достигает земли и распространяется на север и на юг. Двигающийся у поверхности к экватору ветер отклоняется на запад по отношению к окружающему его воздуху, который, как и сама поверхность Земли у экватора, движется более быстро в восточном направлении. Эти отклоненные к западу воздушные течения образуют пассаты – преобладающие в тропиках ветра. Вся эта циркуляция теплого воздуха, поднимающегося от экватора и циркулирующего между 30° с.ш. и 30° ю. ш., которая затем охлаждается, опускается и уходит обратно к экватору, называется циркуляционной ячейкой Хэдли. С другой стороны, поверхностный воздух, распространяющийся из опускающегося прохладного воздушного течения, находящегося за пределами 30° с.ш. и 30° ю.ш. и уходящего по направлению к полюсам (подобно экваториальному апвеллингу), отклоняется на восток. Это создает западные ветра умеренного пояса, преобладающие на большей части континентальной части США и Европы. (Термины «восточный ветер» и «западный ветер» могут сбить с толку читателя: специалисты так называют ветра, дующие с востока или запада. Соответственно, западные ветра – те, что дуют на восток.)
Циркуляция атмосферы переносит теплый воздух из тропических зон к полюсам, а холодный воздух – в тропики. Однако из‑за вращения Земли циркуляция атмосферы делится на три ячейки, вращающиеся в противоположных направлениях в Северном и Южном полушариях. Поток воздуха в нижней части каждой ячейки отклоняется на восток или на запад из‑за вращения Земли (и в зависимости от того, направлен ли поток к экватору или в противоположную сторону от него). Эти потоки образуют преобладающие ветра в атмосфере Земли. (С разрешения Барбары Шеберл, Animated Earth LLC.)
Наконец, холодный воздух на полюсах, который движется по направлению к экватору, попадает в ветры, дующие гораздо быстрее в восточном направлении, и этот воздушный поток отклоняется на запад по отношению к этим ветрам. Эти воздушные течения называются полярными восточными ветрами, которые преобладают примерно на 60‑м градусе широты в обоих полушариях (например, на Аляске или в Антарктиде). В Северном и Южном полушариях Земли есть три вращающиеся в противоположных направлениях циркуляционные ячейки, которые охватывают Землю параллельно экватору. Они ответственны за перенос горячего воздуха от экватора к полюсам и прохладного воздуха от полюсов к экватору. В этом процессе они управляют преимущественными ветрами планеты, которые находятся, по сути, в нижней части каждой из этих ячеек. Эти преимущественные ветра в основном определяют метеорологические условия (а также высотные струйные течения, которые находятся в верхней части циркуляционных ячеек, а также между ними). Во времена плаваний под парусами они были чрезвычайно важны для моряков.
Сильные пассаты также перемещают тропические воды океана на запад, прижимая их к западным границам океанических бассейнов и тем самым смещая течения к северу и югу. Это приводит к образованию таких течений, как Гольфстрим, который приносит теплые воды в Северную Атлантику и обеспечивает мягкий климат Новой Англии и Западной Европы. Теплые воды Гольфстрима в конце концов охлаждаются в Северной Атлантике, где из‑за сухих и сильных западных ветров вода испаряется, отчего там она более соленая.
Очень холодная и соленая вода становится тяжелой и погружается ко дну. Этот процесс называется термохалинной циркуляцией. Морские течения, движимые и ветрами, и термохалинной конвекцией, в большой степени ответственны за глобальную циркуляцию океанов, так как перемешивают и перемещают водные массы. Весь этот процесс занимает столетия. Это длительное время перемешивания и перемещения необходимо, чтобы океан смог приспособиться к изменениям в атмосферной температуре и концентрации парниковых газов (мы поговорим об этом подробно в следующей главе).
Циркуляционные ячейки атмосферы также определяют перемещение воды по всей планете через атмосферу. Из‑за интенсивного нагрева в районе экватора испаряется много воды, благодаря чему формируются восходящие теплые потоки. Эти потоки поднимаются на большие высоты, а затем распространяются по горизонтали на север и юг. Воздух охлаждается, а вода конденсируется, создавая облака и дождь (поэтому в тропиках так влажно и дождливо). К тому времени, как этот воздух достигает своих нисходящих точек примерно на 30° с.ш. и 30° ю.ш., он теряет воду, становится очень сухим и высушивает землю в местности, на которую опускается. Это приводит к образованию аридных зон, таких как пустыни Сонора и Сахара и большинство внутренних районов Австралии, а также районы со средиземноморским климатом, в которых сухие природные зоны соседствуют с морем, например само Средиземноморье и бóльшая часть Калифорнии. Эти зоны различного климата и влажности сыграли важную роль в развитии сельского хозяйства, повлияв на ход человеческой истории и праистории.
По большей части циркуляция атмосферы Земли (и, следовательно, вод океанов) вызвана относительно быстрым вращением нашей планеты, как это описано выше. Венера вращается очень медленно и при этом в обратную сторону (относительно вращения Земли и большинства планет Солнечной системы). Один оборот Венеры вокруг своей оси занимает 243 суток, даже чуть больше, чем венерианский год (примерно 225 земных суток). Это медленное и странное вращение – одна из многочисленных загадок нашей планеты‑сестры. Несмотря на столь вялое вращение, на Венере дуют очень сильные ветры. В верхних приэкваториальных слоях атмосферы они дуют в противоположном вращению планеты направлении (на Земле, в верхней части ячейки Хэдли, ветер дует в направлении вращения). Период вращения Марса почти такой же, как и у Земли (вероятно, это случайность), и даже в его разреженной, в основном состоящей из углекислого газа атмосфере имеется ячейка циркуляции атмосферы, похожая на ячейку Хэдли, т. е. происходит перенос тепла и даже водяного пара от экватора к полюсам. Эта циркуляция также вызывает сильные ветры, что приводит к сильным пылевым бурям, которые иногда закрывают поверхность Марса на несколько месяцев.
Но я слишком долго распространялся о Земле. Было бы просто глупо не упомянуть о замечательных атмосферах Юпитера и Сатурна. Обе планеты имеют в значительной степени схожий химический состав, унаследованный от протосолнечной туманности, состав которой с некоторыми изменениями был идентичен составу Вселенной после Большого взрыва. Значит, Юпитер и Сатурн состоят в основном из водорода, меньшего количества гелия и малой доли тяжелых элементов, образованных в звездах‑сверхгигантах. Несмотря на огромные размеры, обе эти планеты вращаются в два с половиной раза быстрее Земли, с периодом оборота около 10 часов (Юпитер чуть быстрее), но по сравнению в Землей получают гораздо меньше тепла от Солнца: на каждый квадратный метр поверхности Юпитер получает в 25 раз меньше солнечной энергии, Сатурн – примерно в 100 раз. Обе гигантские планеты имеют полосы высотных струйных течений и облака, которые, в упрощенном смысле, представляют собой множество циркуляционных ячеек типа ячеек Хедли. Однако, вероятно, бóльшая часть энергии, приводящей в движение эту циркуляцию, вырабатывается за счет потери планетой ее внутреннего тепла. Полосы ветров, называемые зональными ветрами, очень быстры и на Сатурне, они могут достигать скорости более 1600 км/ч (самые быстрые ветры на Земле, вихри торнадо, не превышают 500 км/ч). На обеих планетах формируются огромные циклоны, они отдаленно напоминают земные, например ураганы и штормы, обрушивающиеся на северо‑восток Северной Америки, но гораздо, гораздо больше. На северном полюсе Сатурна действует массивный циклон, а знаменитое Большое Красное Пятно на Юпитере представляет собой ураган, размерами превышающий нашу планету и наблюдаемый уже более 100 лет.
И хотя атмосфера Земли не является самой большой, горячей, холодной, быстрой или медленной, она все равно уникальна для Солнечной системы по одной замечательной причине: ее атмосфера полностью отличается от той атмосферы, которая была в самом начале. Состав атмосфер всех остальных планет почти точно такой же, как и во время их образования – более 4 млрд лет назад. Но Земля «выворачивает себя наизнанку» благодаря тектонике плит, она излила всю свою воду на поверхность, чтобы там смогли образоваться океаны, и потому на Земле смогла развиться жизнь. Сегодня наша атмосфера ничем не схожа с той, что была изначально. Ни одна известная нам планета не изменила (не развила) свою поверхность и атмосферу так, как это смогла сделать Земля.
