История Земли. От звездной пыли – к живой планете. Первые 4 500 000 000 лет - Роберт Хейзен

В 2007 г. запущенная НАСА многофункциональная автоматическая космическая станция Mars Reconnaissance Orbiter, используя радар, способный «видеть» сквозь грунт, представила изображение в достаточно высоком разрешении скрытой в глубинах Марса воды. Эти новаторские исследования обнаружили скопления льда размером с ледники в умеренных широтах южного полушария. Позднее европейская космическая станция Mars Express Orbiter, используя аналогичный радар, обнаружила глубинный лед на большей части территории планеты. В зонах, близких к южному полюсу, зафиксированы ледники толщиной более полукилометра. Поистине, Марс может располагать объемом воды в виде льда, которая могла бы покрыть всю планету океаном глубиной несколько сотен метров. Возможно, когда-то на Марсе существовали родственники земных океанов.

Наличие воды также может быть установлено по присутствию особых горных пород и минералов. Посадочный модуль Phoenix (НАСА), а также марсоходы Spirit и Opportunity обнаружили многочисленные дополнительные доказательства в виде минералов, образованных при взаимодействии горных пород с водой. В приповерхностных отложениях Марса часто встречаются водосодержащие глинистые минералы, и, возможно, именно они являются тем богатым источником водорода, который был обнаружен ранее с помощью нейтронного спектрометра. Эвапориты, минералы, которые обычно встречаются на месте высохших озер и морей, так же часто встречаются на Марсе, как и опал – слабо кристаллизованная разновидность кварца, которая обычно образуется при просачивании горячей воды сквозь осадочные породы.

Используя новые подходы к исследованию Красной планеты, ученые находят все больше и больше доказательств, что в былые времена на поверхности Марса была вода. Фотографии высокого разрешения показывают древние русла рек и промоины с разбросанными валунами, каплевидные острова, оползни и сеть проток. Эти формы рельефа врезаются в осадочные отложения, которые ранее, видимо, были отложены мелководными озерами или морями. Ведь террасы, похожие на морские, которые охватывают северное полушарие Марса, указывают на то, что когда-то этот регион мог быть больше чем на треть покрыт океаном. Если все обстояло так, то менее разогретый Марс, возможно, за миллионы лет до Земли был голубой планетой, пригодной для жизни.

И наконец, Луна – ключ к пониманию того, как сформировалась вода на ее большом брате – Земле. С общепринятой точки зрения, Луна сухая, как кость (на самом деле она даже суше кости, которая сохраняет в себе довольно много воды даже жарясь в пустыне на солнце). Многие данные подтверждают степень сухости Луны: земные телескопы не фиксируют характерного инфракрасного поглощения; в составе образцов лунного грунта, собранных «Аполлонами» со всех шести мест посадки, не обнаруживается следов воды (с учетом возможностей аналитического оборудования 1970-х гг.); находка железа, пролежавшего на поверхности Луны более четырех миллиардов лет, без признаков ржавчины, исключает малейшую возможность наличия агрессивной воды.

Хотя общепринятая точка зрения – вещь своеобразная. Наступает момент, и находится человек, подвергающий сомнению то, что всеми принималось за истину, и порой это приводит к интересным открытиям. В 1994 г. единственный полет Clementine предоставил радиолокационные измерения, показавшие наличие замерзшей воды, но это мало кого убедило. Четыре года спустя на Lunar Prospector была использована нейтронная спектроскопия, что позволило выявить значительную концентрацию атомов водорода, а следовательно, и вероятное наличие водяного льда или водосодержащих минералов поблизости от полюсов Луны. Но многие эксперты все же указали на солнечный ветер – как на более вероятный источник атомов водорода. В октябре 2009 г. специалисты НАСА спланировали падение последней ступени ракетоносителя Atlas в один из лунных кратеров (кратер Кабеус, вблизи южного полюса Луны) и тщательно исследовали шлейф обломков на содержание воды. Как и предполагалось, вынесенная пыль включала небольшое, но различимое количество животворящей влаги – вполне достаточное для возобновления интереса к вопросу о существовании воды на Луне. В том же октябре журнал Science опубликовал три статьи подряд, утверждающих, что теперь существует бесспорное доказательство наличия воды на Луне.

Здесь на сцену вышел Эрик Хаури с коллегами из Института Карнеги. Используя ионный микрозонд – высокочувствительный прибор, не существовавший во времена первого поколения ученых, исследовавших образцы лунного грунта, – команда Хаури вернулась к исследованию цветных стеклянных шариков, вроде тех лунных образцов, с которыми я впервые работал в далеком 1976 г. Лет за десять до Хаури эти шарики изучали на наличие признаков воды другие ученые, но приборы, бывшие в их распоряжении, не могли соперничать в точности с ионным микрозондом, с помощью которого можно вести измерения в масштабе одной тысячной миллиметра. Хаури и его коллеги пришлифовали «бисерины» таким образом, что в ионном зонде стало возможно увидеть их концентрические структуры. Наружный слой образца содержал очень мало воды – одну миллионную объема, но сердцевина крупнейших образцов содержала в сто раз больше воды. За миллиарды лет большая часть воды, содержавшейся вначале в стеклянных бусинах, испарилась в космос, причем с поверхности в большей степени, чем из сердцевины. Как бы то ни было, учитывая факт значительного содержания оставшейся внутри воды, Хаури с коллегами считают, что исходное содержание воды в лунной магме было не менее 750 миллионных объема – огромное количество воды, сопоставимое со многими вулканическими породами на Земле и более чем достаточное для вулканической активности, в ходе которой взрывные извержения вулканов выбрасывали магму на поверхность миллиарды лет назад.

Если вулканы Луны в прошлом извергались под воздействием воды, то где-то внутри мерзлых лунных недр должны храниться огромные массы Н2О. Поскольку Луна образовалась из отколовшегося при столкновении с Тейей куска земной мантии, можно предположить, что наша планета также располагает громадными скрытыми запасами воды глубоко внутри.

Зримый круговорот воды

Сколько бы воды мы ни обнаружили на Луне или на Марсе (похоже, ее там много), единственным водным миром в Солнечной системе остается Земля. Рассказ о земной воде – ее запасы на планете, в каких формах она существует, где находится и как перемещается – дело нелегкое. Еще в 1990-е гг. считалось, что океаны являются самым крупным хранилищем воды, вмещающим около 96 % всей водной массы Земли. На втором месте с большим отрывом располагаются ледяные шапки и ледники, которые на сегодня содержат примерно 3 % (и, вероятно, не более 5–6 % во времена расползания ледников на пике ледникового периода). Грунтовые воды (вся близкая к земной поверхности вода, как в хорошо очерченных водоносных слоях, так и в дисперсном виде) составляют примерно 1 %, тогда как вода озер, рек, ручьев, прудов и атмосферы, вместе взятых, составляет не более сотых долей процента всей поверхностной воды на Земле.

Вся эта вода находится в постоянном движении, перемещаясь из одного водоема в другой за временной интервал от дней до миллионов лет. Динамичный, поддерживающий земную жизнь круговорот воды является самой очевидной причиной изменений на нашей вечно меняющейся планете. Представьте себе перемещение одной-единственной молекулы Н2О – молекулы, состоящей из одного атома кислорода и двух атомов водорода, – возрастом много миллиардов лет. Начнем прослеживать путь нашей молекулы из могучего Тихого океана, где наибольшая часть приповерхностных молекул воды проводит весь отпущенный им срок существования. Мощное и холодное Калифорнийское океанское течение уносит эту молекулу от побережья Аляски на юг, вдоль побережья Калифорнии до Байи и далее к экватору. По мере прогрева и подъема глубинных слоев наша молекула поднимается почти к поверхности океана и начинает грандиозное путешествие по часовой стрелке вокруг северной части Тихого океана – вначале в Северном экваториальном течении, по направлению на запад, огибая Японию, затем в Северном тихоокеанском течении, направляясь на восток к Северной Америке. Когда наша молекула снова оказывается вблизи Калифорнии, она окончательно поднимается на поверхность океана и испаряется в атмосферу, где участвует в образовании облаков.

Преобладающие ветры несут массу дождевых облаков на восток, пересекая пустынный Юго-Запад в направлении Скалистых гор. По мере того как облака поднимаются в более холодные слои атмосферы, они начинают проливаться дождем. В конце концов, наша молекула достигает земной поверхности в составе дождевой капли; извилистым путем она переходит из ручейка в ручей, затем в речушку, затем в полноводную реку. До этого момента молекула двигается быстро – примерно год-два уходит на пересечение Тихого океана, день-другой на подъем к облакам и выпадение вместе с дождем, около недели на пересечение холмистой местности вместе с потоком. Однако, погрузившись в почву, она попадает в обширный водоносный горизонт и может провести там тысячи лет, путешествуя в подземном царстве.