Вселенная океана. Как устроена стихия, которая формирует нашу планету - Хелен Черски

в торфяном болоте), со временем могут образоваться поистине колоссальные залежи сложных углеродных соединений. Молекулы, построенные на углеродном скелете, – основа всей живой материи, недаром человеческое тело примерно на 18,5 % состоит из углерода. При таких количествах углерода нам как будто не может грозить его дефицит. А если вдруг возник избыток, так ведь живые организмы не обязаны его использовать. Откуда же тогда столько разговоров об углеродном балансе?

Углерод действительно чрезвычайно важен для жизни и вплетен во все биологические ткани, но вместе с тем существенно влияет и на физические процессы. Чтобы лучше понять, о чем идет речь, нам потребуется предельно широкий ракурс. Давайте мысленно поднимемся над Землей, и ее атмосферой, и Луной – и взглянем на Солнечную систему из далекого космоса.

Из этого черного безмолвия нам будет удобно наблюдать за тем, как неторопливо вращаются шестерни космического механизма. Центральный герой спектакля – Солнце, в котором сосредоточено 99,86 % всей массы Солнечной системы. Планеты вращаются вокруг этого плотно сбитого тяжеловеса, удерживаясь на своих орбитах силой взаимного притяжения. Любуясь грандиозной картиной, мы непременно обратим внимание на разительный контраст между небесными телами и практически полной пустотой между ними. Каждая из планет, танцующих вокруг звезды, есть своеобразный сгусток вещества – сферический мир, населенный триллионами и триллионами атомов. Природа располагает эти частицы в определенном порядке, соответствующем твердому, жидкому и газообразному состоянию, складывая из них горы, вулканы, атмосферные покровы… Но каждая планета остается одиноким странником в космической ночи. А Солнце прорезает эту тьму светом, несущим энергию. Достигнув небесного тела, лучистая энергия может быть усвоена и преобразована в тепло или энергию химических связей, что активизирует все планетарные процессы. Вместе с тем часть солнечной радиации может уходить обратно в космос, преимущественно в форме инфракрасного излучения. Каждая планета – своего рода энергетическая ванна, которая наполняется потоком, льющимся из «крана» (Солнца). Инфракрасный свет распространяется во все стороны и утекает в космическое пространство, действуя как сливное отверстие. А значит, мы вправе задаться вопросом: каково количество энергии в этом резервуаре, или ванне? Если условия на интересующей нас планете стабильны, приток энергии уравновешен оттоком. Другими словами, уровень ванны остается постоянным, несмотря на непрекращающиеся процессы энергообмена. Учитывая, что основная масса энергии удерживается в форме тепла, за обобщенную меру количества энергии на планете можно принять температуру. Заполненная до краев планетарная ванна будет иметь более высокую температуру, чем полупустая. И тут в дело вступает еще одна уникальная особенность углерода.

Интенсивность поступления лучистой энергии зависит от размера планеты и ее расстояния от светила. Так как оба параметра фиксированы, то норма притока энергии, льющейся из солнечного крана, неизменна. Скорость оттока, напротив, может меняться в зависимости от характера атмосферы, окружающей ту или иную планету. Если атмосфера препятствует утечке тепла, то сливное отверстие оказывается сравнительно небольшим – в итоге энергетическая ванна успевает довольно заметно наполниться, прежде чем исходящий поток сравняется с входящим[215]. Иначе говоря, планета нагревается. Эффективно задерживать тепловую энергию способны далеко не все газообразные вещества. Лучше всего с этим справляются водяной пар и углекислый газ[216].

Атмосфера соседней с нами Венеры более чем на 96 % состоит из углекислого газа, так что сливное отверстие планетарной ванны здесь крошечное. А потому Венера неуклонно накапливала тепловую энергию, все более нагреваясь, пока не раскалилась до нынешней температуры 464 °C, когда излучаемое тепло наконец пришло в равновесие с теплом, поступающим от Солнца. Так выглядит парниковый эффект в его крайнем проявлении: канал для отвода энергии в космос почти полностью заблокирован.

У нас на Земле картина принципиально иная, хотя на начальном этапе существования обе планеты были почти близнецами. Без атмосферы (или при отсутствии в ее составе углекислого газа) тепловая энергия с поверхности нашей планеты могла бы беспрепятственно улетучиваться в космос и средняя температура составляла бы порядка –18 °C, а вовсе не 15 °C, как сегодня[217]. Так что умеренный парниковый эффект нам просто необходим, поскольку предохраняет Землю от остывания. В противном случае она была бы необитаемой ледяной пустыней. Чтобы ограничить отток тепла и создать на планете комфортную для нас температуру, всего-то и понадобилось, что немного водяного пара (0,2–4 % от суммарного объема атмосферы) и углекислого газа (0,04 %). И вот тут мы подходим к самому неприятному. Дело в том, что сливное отверстие планетарной ванны очень чутко реагирует на количество углекислого газа в атмосфере[218]. Даже минимальное увеличение концентрации существенно усиливает «подогрев» поверхности. Вот почему так важно контролировать уровень углерода в атмосфере: от этого напрямую зависит температура Земли.

Атмосфера – далеко не единственный резервуар углерода. Запасы этого химического элемента присутствуют также в океане, в почвах, в живых организмах. Словом, углерода вокруг нас полно. Углерод многолик и вездесущ. Он претерпевает бесконечные метаморфозы: постоянно кочует между экосистемами суши и океана, переходит из диоксида углерода в сахара, а оттуда в белки и снова в углекислый газ. Но для температуры на нашей планете существенно лишь одно: содержание этого элемента в атмосфере. Потому-то так и важен пресловутый углеродный баланс. Количество атомов углерода на Земле фиксировано, и только строго определенная часть общей массы участвует в геохимическом круговороте, циркулируя между живой материей, океаном, атмосферой и сушей. А значит, единственный способ понять, сколько этих частиц присутствует в данный момент в атмосфере с высокой вероятностью там остаться, – вести учет количества всех прочих атомов углерода. Куда и с какой скоростью они мигрируют? Когда ожидается их возвращение в атмосферу в виде углекислого газа? Их текущая дислокация – вопрос далеко не праздный, если нас волнует состояние того самого резервуара, который определяет планетарную температуру. Где же обитают эти атомы? Думаю, вы не удивитесь, узнав, что львиная их доля находится в океане и путешествует в качестве пассажиров сквозь водную толщу.

Но прежде внутрь этой жидкой машины надо как-то проникнуть. И если мы хотим зафиксировать процесс перехода атомов углерода из атмосферы в океан, то должны обратить самое пристальное внимание на границу раздела двух сред. Иногда газообмен между океаном и атмосферой протекает мерно и упорядоченно. А иногда случаются драматические события, в результате которых углеродные пассажиры лавиной врываются в океан, так что этот поток почти невозможно отследить.

Океан делает глубокий вдох

– На что мне безумцы? – сказала Алиса.

– Ничего не поделаешь, – возразил Кот. – Все мы здесь не в своем уме – и ты, и я.

– Откуда вы знаете, что я не в своем уме? – спросила Алиса.

– Конечно, не в своем, – ответил Кот. – Иначе как