Глава V. Химия атмосферы

При упоминании о планетных атмосферах невольно является мысль, что эти небесные тела могут быть заселены если не вполне разумными созданиями, то во всяком случае живыми существами. Уже весьма давно фантазия людей занималась этим вопросом, и если сперва населяли человеческими существами Солнце и звезды, то позднее обратились к планетам, когда убедились, что Солнце и звезды слишком горячи, чтобы годиться как место для жизни. Разве другие солнца не могут быть также окружены планетами и всюду в мировом пространстве вызывать жизнь своим теплом и светом? Против этих прекрасных представлений восставала религия, для которой Земля была средоточием мира, а Солнце, Луна и звезды были созданы, чтобы освещать Землю и измерять для нее время. Иногда даже находящиеся в лоне церкви, свободные от предрассудков люди могли безнаказанно признаться, что убеждены в обитаемости других небесных тел: из них назовем только знаменитого кардинала Николая Кузанского (1401—1464). Однако настали времена, когда крепкая, как камень, ортодоксия получила перевес, и такой человек, как Джордано Бруно должен был взойти на костер, так как он, ссылаясь на Николая Кузанского, высказывал подобные мысли.

Без сомнения, и другие планеты построены из того же материала, что и Земля. Так учил уже великий Леонардо да Винчи. Спектральный анализ учит нас, что другие солнца состоят из тех же элементов, что и наше Солнце. Все наше знание приводит к убеждению в том, что планеты, обращающиеся вокруг Солнца, это — массы, отделившиеся от его первоначальной, далеко распространившейся массы. А потому все планеты не только должны состоять из одинаковых, перешедших к ним от Солнца элементов, но если они стоят на одинаковой стадии развития, т. е. находятся на одной и той же ступени охлаждения, то эти элементы и слагаться должны в одинаковые химические соединения. Образчики из мирового пространства, долетающие до нас метеориты удивительно сходны в своем составе с некоторыми каменными породами земной внутренности. У них нет ни малейшего признака действия воды, которое так дает себя чувствовать на земной поверхности и в лежащих под ней ближайших слоях; но ведь мы знаем, что вода скоро исчезает со всех сравнительно малых небесных тел, а метеориты принадлежат к малым и даже самым мелким из блуждающих по мировому пространству масс.

Итак, мы не имеем никакого основания сомневаться, что строительный материал планет один и тот же во всем свете. Самая внутренняя часть планет будет, конечно, всюду, как и у нашей Земли, состоять, главным образом, из железа, — и в Солнце и в метеоритах железо преобладает. Это металлическое ядро окружено скорлупой из силикатов, окислов, карбонатов, сульфатов и гидратов всякого рода металлов, в особенности алюминия. Здесь мы к металлам причисляем и водород. Точка плавления веществ, составляющих эту более легкую скорлупу, лежит выше 1000°. Пока эти массы не отвердеют и не охладятся достаточно, никакая жизнь на них возникнуть не может.

Жизнь, по крайней мере жизнь на Земле, связана с некоторыми, так называемыми органическими веществами, в которых существенным связующим элементом является углерод. Кроме него они содержат еще водород, азот и кислород, потом еще в меньших количествах: серу, фосфор, железо, магний и некоторые другие элементы; однако ни один из них не является основным веществом в такой мере, как углерод. Кремний химически весьма близок к углероду и может образовывать некоторые аналогичные соединения с другими элементами, но протоплазма, главная основная часть живой клеточки, не может возникнуть без углерода. Кремний, по своей способности к соединению напоминающий углерод, играет в неорганической природе, в бесконечном почти разнообразии силикатов, — но не в органической, — роль, которую в известном отношении можно сравнить с ролью углерода. Протоплазма не может существовать при температуре свыше 60°. Утверждают, что некоторые водоросли развиваются в горячих источниках еще при восьмидесяти и даже девяноста градусах. Свыше ста градусов это, наверно, невозможно. Условие для существования жизни — жидкая вода. Между 0 и 100° — собственно при всяких температурах между 0 и 365° — вода может остаться жидкой, но жизнь связана с небольшими пределами температуры между точками замерзания и кипения. Если вода имеет свободное пространство вокруг себя или над собой и не окружена твердыми или жидкими телами, то в этом свободном пространстве имеется и водяной пар с давлением, по меньшей мере, 4,6 мм. Поэтому на планете, поверхность которой отчасти покрыта водой, в атмосфере содержится и водяной пар.

Палеонтологи согласны в том, что жизнь началась в воде. Бесчисленные обитатели суши происходят от предков, плававших в океане, колыбели всего живого. Не вполне установлено, необходим ли кислород всем живущим существам; однако многие биологи склоняются к этому мнению. Иные бактерии умеют извлекать необходимый для их развития кислород из его соединений, даже из таких прочных, как, например, сернокислые соли. Эти бактерии считаются выродившимися растениями. Но свободный кислород безусловно необходим для существования животных, вероятно также и для существования растений, с только что названным исключением. Как мы увидим ниже, свободный кислород не может быть в наличности на планете, пока на ней не образовалась твердая кора. Итак, мы вправе сказать, что условия для существования живых существ на планете выполнены только тогда, когда ее окружает настоящая, содержащая кислород и воду атмосфера.

Поэтому, если мы хотим оценить условия для существования живых существ на какой-нибудь планете, мы должны прежде всего изучить, как кислород появился в атмосфере. Так как планеты суть отделившиеся от Солнца массы, то их состав вначале должен соответствовать солнечному, а именно составу внешних слоев Солнца. Они содержат, главным образом, металлы, но также некоторые окиси, в особенности, по исследованиям Фоулера (Fowler), окиси титана и магния, далее в больших количествах водород, кислород, углерод, циан и окись углерода. Редко бывает, чтобы свободный кислород мог существовать рядом с большим излишком водорода и натрия, из которых оба последние принадлежат к так называемым восстанавливающим веществам, связывающим кислород. Однако при высоких температурах, господствующих на Солнце, химические соединения восстанавливающих элементов — стало быть также соединение водорода с кислородом — вода, о которой у нас теперь идет речь, — разлагаются большей частью на свои составные части. Но если температура падает до 1000, — при чем еще не образуется никакой коры, — то опять наступает их соединение, и кислород потребляется. Большинство составных частей Земли, как и Солнца, принадлежит к восстанавливающим элементам, а потому ко времени возникновения земной коры в окружающей газовой оболочке не могло быть налицо никакого свободного кислорода. Мы можем представить себе состав этой атмосферы, если мы рассмотрим, с одной стороны, газы Солнца и других небесных тел, в особенности комет, а с другой стороны — те, которые были поглощены расплавленно-жидкой массой в недрах Земли. Прежде чем Земля получила свою кору, вся ее масса, за исключением самого внешнего газообразного слоя, была точно такова, как ее теперешние огненно-жидкие внутренние части. Расплавленная масса находилась в прямом соприкосновении с газами и поглощала часть их. Если при вулканических извержениях выступают расплавленные массы, то они освобождают часть поглощенных газов в воздух, между тем как остальная часть остается в застывшей лаве, и ее, применяя сильный жар ради целей исследования, можно извлечь из этого минерала и собрать. Француз Альбер Брён (Brun), американец Арчер Дэй (Day) и их товарищи по работе Перре и Шеферд (Shepherd) произвели по этому предмету изыскания в широком масштабе, причем Брён пришел даже к своеобразному выводу, что водяной пар, считавшийся прежде важнейшей частью вулканических газов, совсем не принадлежит к ним, но происходит от земной поверхности. Однако его окончательно опровергнул Дэй. Вот, как пример, анализы газов из кратера Галемаумау вулкана Килауеа на Гавайи по средним результатам многих определений:

Май 1912.

Углекислота — 55,4% по объему
Окись углерода — 4,3% по объему
Водород — 7,7% по объему
Азот — 29,6% по объему
Сернистая кислота — 2,9% по объему

Декабрь 1912.

Углекислота — 42,9% по весу
Азот — 25,8% по весу
Вода — 27,5% по весу
Сернистая кислота — 3,7% по весу

Последний анализ указывает на примесь воздуха, которой, однако, по найденному количеству азота, едва хватило для образования 8% по весу воды. В числа первого анализа не внесена вода. Впрочем, большое содержание воды в вулканических газах наблюдалось многократно. Эта вода при своей конденсации поглощает значительные количества газов. Соединения фтора и хлора, аммиак и сернистая кислота растворяются в ней особенно обильно. Газовая вода такого рода содержит, по анализу, почти на 10% более фтора, чем сернистой кислоты, и содержание хлора в ней равно двум пятым содержания фтора. Количество аммиака составляло только ½% количества хлора. В этих пробах газов не оказалось ни одного из редких газов воздуха: отсюда следует, что содержащийся здесь азот происходил только из магмы, а не из воздуха.

Брён исследовал, главным образом, лавы различных вулканов. Добытые при этом газы не дают столь ясного понятия о первоначальном состоянии земной атмосферы, как те, которые непосредственно извергаются из вулканов. Вот примеры состава газов, извлеченных из лавы: 1) извергшейся из Стромболи 4-го марта 1901 года; 2) лавы известного извержения Везувия в 1906 году. Указаны проценты по объему:

Как видно, состав газов обеих лав весьма различен. Свободного хлора в них, конечно, первоначально не могло быть, так как он, как и кислород, связывается восстанавливающими веществами. Он мог освободиться при высокой температуре из хлористого кальция действием находящейся в магме кремневой кислоты или силиката железа. Во всех случаях углекислота является главной составной частью; за ней идут сернистая кислота и хлороводород. Окись углерода, водород и азот могут быть налицо в довольно большом количестве, но иногда их почти совсем не бывает.

По Дэю и Шеферду, газы, вытекающие из горячей лавы в кратере Галемаумау, состоят из азота, воды, углекислоты, окиси углерода, сернистой кислоты, водорода и сероводорода при небольшом количестве хлористых и фтористых соединений, и, может быть, также аммиака. Приблизительно такой состав могла иметь атмосфера к тому времени, когда только что образовалась земная кора. Азот, водяной пар и углекислота были в ней главными составными частями; в высших слоях — водород. Кислорода совсем не было, на его месте имелись в большом количестве восстанавливающие газы, как водород, сернистая кислота и окись углерода. К этому нужно прибавить, что кометы содержат окись углерода, циан и углеводороды, а метеориты — аргон и гелий, и, таким образом, следует думать, что, хотя иные из этих газов не были найдены в извержениях Килауеа, но все-таки они содержались в древнейшей атмосфере, и что благородные газы нашего воздуха вместе с азотом перешли к нам из самых внешних солнечных слоев.

При такой атмосфере не могли бы существовать живые существа. Для развития организмов ей нужно было освободится от ядов — окиси углерода, сероводорода, циана и сернистой кислоты. И это в течение веков было сделано преобразующей силой солнечного света, который произвел углерод и кислород из углекислоты. Потом, благодаря электрическим разрядам, ядовитые газы были окислены кислородом. Ведь все мы знаем, что растения строят свое тело под действием солнечного света и притом потребляют углекислоту, воду и аммиак. Этот процесс ускоряется действием зеленого красящего растительного вещества, хлорофила, при чем наряду с кислородом возникают: крахмал, клетчатка, сахар и белки. Эти вещества, которые, за исключением белков, принадлежат к углеводам, окончательно распадаются при своем гниении на углерод и воду; и, таким образом, в конечном результате вызванного солнечным светом превращения углекислоты является распадение ее на обе ее составные части: углерод и кислород. Этот процесс, протекающий сравнительно быстро при посредстве хлорофила, мог бы совершиться и без него, только гораздо медленнее. В последнее время Даниэль Бертло произвел в этом смысле интересные опыты, и ему удалось без хлорофила, применяя свет с малой длиной волн, воспроизвести важный процесс, вызываемый растениями. В течение многих миллионов лет, которые геологи считают необходимыми для развития Земли, содержавшаяся в воздухе углекислота мало-помалу превратилась в кислород и углерод. Пока в воздухе еще оставались восстанавливающие газы, как вышеназванные яды, или большие количества углеводородов или водорода, кислород тратился на их перегорание. Если бы не образовалось никакой твердой коры и ничто не мешало бы выделяющемуся кислороду проникать в расплавленную массу Земли, то он проник бы туда и соединился бы там с восстанавливающими веществами. Следовательно, отделение земных недр от окружающей газовой оболочки твердой перегородкой было важным предварительным условием для сохранения свободного кислорода в воздухе. Вторым условием для этого было настолько медленное поступление горючих газов из жерл вулканов, что их оказалось недостаточно для связывания одновременно образовывавшегося кислорода, а третье условие состояло в том, что отделившийся углерод не мог снова окислиться и связать кислород. Пока воздух содержал еще много восстанавливающих веществ, это последнее условие не имело значения и выполнялось уже само по себе. Но когда земная кора образовалась и сильная деятельность вулканов ослабела, то дело пошло так, что свободный кислород стал удерживаться в воздухе. Находившиеся прежде в воздухе восстанавливающие газы почти целиком превратились сгоранием в воду, углекислоту и серную кислоту, а азотные соединения освободили азот, который присоединился к находившемуся уже в воздухе. Тогда первые растения — вероятно водоросли — смогли перемещаться и распространяться в океане. Углекислота и соляная кислота, равно как вновь образовавшаяся серная кислота, проникли в воды и вызывали быстрое выветривание каменных пород, образуя кремнезем и кислые силикаты. Дальнейшим развитием и распространением растений был ускорен процесс образования кислорода. Над омертвевшими растениями отлагался ил и защищал гниющие части от кислорода воздуха. Так началось образование ископаемых горючих веществ. Кёне в Брюсселе впервые указал на то, что существующих в земле скоплений угля и серных соединений было бы достаточно, чтобы связать весь кислород воздуха. Более близкие исследования показывают, что для этого достаточно ископаемого угля. Таким образом, как будто весь наличный кислород воздуха происходит от углекислоты, которая была в воздухе уже сначала или была доставлена вулканами из недр Земли.

Что как углекислота, так и вода постоянно освобождаются из магмы, этой огненно-жидкой части земных недр, следует несомненно из того, что кислые силикаты легче, чем основные, и потому собираются в верхних слоях магмы, где вследствие этого накопляется в большом излишке кремнезем. Соединения, содержащие воду и углекислоту, — гидраты и карбонаты — тоже легки и потому поднимаются в те же слои, что и кремнезем, разлагаются им и дают выделиться своим углекислоте и воде, которые обе летучи, между тем как происходящие из них силикаты остаются. Этот процесс происходит еще теперь всякий раз, когда появляется наружу магма, как, например, в вулканах. Магма содержит еще теперь летучие кислоты: сернистую кислоту, хлороводород и сероводород. Они также проникают с вулканическими газами в воду и способствуют процессам выветривания каменных пород; углекислота образует карбонаты, хлороводород — хлористые соединения. Первые, большей частью, извлекаются из океана черепокожими и собираются в осадочных слоях; растворимые хлористые соединения, большей частью хлористый натрий, остаются в воде. Сероводород, который образовался, вероятно, через окисление из находящегося в магме серного железа, соединился с многочисленными, находящимися в Земле тяжелыми металлами в трудно растворимые сульфиды; отчасти же он, подобно сернистой кислоте, окислился в серную кислоту, которая, содействуя процессу выветривания, производила сульфаты, из которых гипс отлагался в осадочных породах.

Геологи раньше были того мнения, что Земля медленно охлаждается. Факты говорят, напротив, что существовали холодные периоды, ледниковые эпохи, которые сменялись теплыми периодами. Эту трудность пытались сперва устранить тем, что, по предложению Кролля, признали, что каждому ледниковому периоду в северном полушарии соответствовал теплый период в южном и наоборот. Таким образом, средняя температура всего земного шара могла понижаться, несмотря на происходившие на обоих полушариях колебания. Однако, когда нашли следы ледникового периода на тропиках, вблизи экватора, на Килиманджаро, в Новой Гвинее и в других местах, такое объяснение стало несостоятельным. Теперь почти все склоняются к признанию того, что температура в течение последнего великого ледяного периода на всей Земле была ниже нынешней на 4—5°. Обледенение Северной Европы, Северо-Восточной Америки, Южной Америки вдоль Чилийского берега и Аргентины, равно как южного острова Новой Зеландии, происходило, по-видимому, одновременно. И в течение более древних периодов алгонкинской и пермской формаций имели место ледниковые эпохи. Последняя, обнаруженная в Австралии, Индии и Южной Америке, называется Гондванской, и можно было думать, что в течение ее совсем не имело место понижение температуры в других областях, кроме названных. Однако позднейшие изыскания — как выяснил Голланд в 1912 г. в своей председательской речи на заседании Геологической секции Британской ассоциации — делают вероятным, что и это оледенение охватывало всю Землю.

Алгонкинский период является одним из древнейших отделов истории Земли, и потому кажется, что, пока была на Земле жизнь, температура Земли, взятая в целом, сохранялась неизменной, хотя и были значительные колебания между холодными и теплыми периодами. Для объяснения этих колебаний не остается ничего другого, как допустить изменения состава атмосферы и ее способности сохранять тепло. Теплые периоды устанавливались, если увеличивалось содержание углекислоты благодаря беспрерывной живой деятельности вулканов; холодные устанавливались, если атмосфера была бедна углекислотой. Поднималась температура — возрастала также и влажность воздуха и увеличивалась способность сохранять теплоту.

Получается такое впечатление, что средняя температура земной поверхности за необъятное время, исчисляемое почти 500 млн лет, не изменилась настолько, чтобы об этом стоило говорить. Однако внутрь по направлению к центру, по всей вероятности, распространяется медленное охлаждение. Все большие массы выдвигаются из недр Земли вулканизмом. Осадочные отложения растут все больше и больше, а внутри Земля становится пустой, так что ее кора должна постепенно опускаться и трескаться во многих местах. Через эти трещины вырываются вулканические массы, и правильными рядами, вдоль трещин, располагаются вулканы. Там, где вулканизм предъявляет менее оживленную деятельность, расщелины сказываются горячими ключами, которые обыкновенно содержат много углекислоты, иногда сероводорода или сернистой кислоты. У трещин происходят сбросы, что проявляется землетрясениями. Сопоставляя все эти явления, удалось картографически установить местоположение трещин. Обыкновенно они идут лучеобразно и почти прямолинейно от одной точки, центра обрушивания, как трещины оконного стекла, получившего сильный удар по какому-нибудь месту. Позднее мы еще увидим, что такие характерные трещины и центры провала можно усмотреть на всех небесных телах, обладающих твердой корой и доступных для наблюдения с Земли.

Теперь мы можем дать картину развития нашей атмосферы. Сначала содержавшиеся в атмосфере газы, кроме водорода, азота и благородных газов, сильно поглощали свет и в особенности теплоту. Таким образом, и планеты, еще не окруженные никакой твердой корой, большие планеты нашей системы, обладают сильно поглощающей оболочкой из паров (сравн. рис. 12). По образовании коры воздух действием Солнца был постепенно освобожден от этих газов, — в нем остались только азот, кислород и немного благородных газов вместе с углекислотой и водяным паром, и температура стала быстро падать. Далее, как защита для тепла, осталась только углекислота. С увеличивающимся утолщением земной коры уменьшался приток углекислоты, которая, с другой стороны, тратилась на выветривание каменных пород, и температура медленно понижалась, но с явными колебаниями, так как деятельность вулканов, этих поставщиков углекислоты, не во все времена оставалась одинаковой по силе. Но так как процесс выветривания то усиливался, то ослабевал, в зависимости от увеличения и уменьшения углекислоты, то между приходом и расходом этого газа постепенно установилось равновесие. Все развитие, однако, могло итти только в направлении понижения температуры. Это было неизбежно уже потому, что должны были медленно понижаться запас энергии Солнца и, вместе с тем, излучение им теплоты. С утолщением земной коры уменьшался приток углекислоты, следствием чего было понижение растительной жизни и вместе с этим понижение пригона кислорода. Но кислород тратился также при выветривании, так как находившиеся в каменных породах железо соединения переходили в железистые соединения, связывая кислород. Таким образом, содержание этого газа в воздухе должно было пройти через максимум, а потом убывать. Было высчитано, что вся содержащаяся в воздухе углекислота была бы истрачена в несколько тысяч лет, если бы не было обеспечено постоянного ее притока из недр Земли. При процессе выветривания тратится также и вода, и к тому же тем больше, чем больше понижается температура, и чрез это ускоряется образование содержащих воду солей. Водная масса океанов между тем подавляюще громадна в сравнении с количеством углекислоты в воздухе и в морской воде, почти в 50 000 раз, и поэтому недостаток в углекислоте скажется гораздо скорее, чем в воде, хотя будет еще происходить постепенное и благодаря охлаждению все ускоряющееся высыхание планеты. Вместе с этим уменьшается влажность воздуха, а также количество осадков. Как и в ледниковый период, будут расширяться вокруг полюсов мощные ледяные поля и вмещать в себя значительную часть морской воды. Наконец, вся планета, может быть, целые миллионы лет вмещавшая в себе жизнь, станет ледяной пустыней с несколькими расщелинами на своей твердой поверхности, чрез которые будут подниматься теплые туманы, напитанные кислыми парами, и от них образуются небольшие оттаявшие пятна, отличающиеся своим более темным цветом от пустынных и ледяных поверхностей. Условия для органической жизни исчезли; планета мертва, но она не перестает совершать свой путь в небесном пространстве, предписанный ей силой тяготения.