Вторая атмосфера
Если бы Андерс сделал свой снимок Земли около 4 млрд лет назад, перед ним бы предстало адское зрелище. Изъеденная жаром, сопровождавшим ее бурное рождение, содрогающаяся от продолжающихся столкновений с планетезималями, наша планета представляла собой сгусток расплавленных горных пород, усеянный извергающими океаны магмы вулканами. Не случайно эта первая эпоха в истории Земли получила название «гадейского периода» — в честь Гадеса (Аида), бога подземного мира в древнегреческой мифологии.
Первоначальная газовая оболочка, сформировавшаяся вокруг Земли из протопланетного диска, просуществовала недолго. Гравитационное притяжение нашей планеты было слишком слабым, чтобы удержать первую атмосферу, состоявшую преимущественно из легких элементов, таких как водород и гелий. Когда Солнце вступило в стадию Т Тельца, стадию бурного взросления, на планеты земной группы обрушились ветры и потоки излучения молодой звезды, сорвав с них газовые покровы.
Лишившись своей примитивной атмосферы, расплавленная Земля начала извергать газы во второй раз. Благодаря подвижности расплавленных горных пород более плотные металлы начали опускаться к ядру, освобождая место для более легких силикатов, из которых сформировалась мантия. В процессе плавления горных пород из них высвобождались газы, вырываясь наружу в составе вулканических выбросов и образуя вторую атмосферу Земли. Новая атмосфера представляла собой смесь водяных паров, окиси углерода, углекислого газа и азота. В ней все еще не было свободного кислорода: для его появления требовались фотосинтезирующие формы жизни. Молекулы новой атмосферы были достаточно тяжелыми, чтобы удерживаться земной гравитацией и не покидать планету. Конечно, это была еще не та атмосфера, которой мы дышим сегодня, но она уже могла служить основой для зарождения жизни.
Впрочем, и тут без тайн не обошлось: откуда взялись водяные пары, которые выбрасывала гадейская Земля?
Тайна воды
На фотографии восхода Земли мы видим хрупкую голубую планету, 71% поверхности которой покрыт водой. В массе планеты доля воды существенно меньше: если к поверхностным водам добавить тот объем, который, по оценкам, заключен в мантии, мы получим менее 0,1% массы всей Земли. При этом, где бы на Земле ни встречалась вода, ее неизменно сопровождает жизнь. С нашей точки зрения, это означает, что вода — ключевой элемент жизни.
Но происхождение этой воды остается загадкой: из-за близости к Солнцу пыль, из которой формировалась Земля, была слишком теплой, чтобы в ней мог содержаться лед. Твердые частицы, в результате столкновения которых образовалась Земля, состояли главным образом из сухих силикатов. Чтобы стать участником процесса формирования планеты, лед должен был иметь форму затвердевших частиц, а в этой форме он существовал только за снеговой линией в холодном царстве газовых гигантов.
Последствия этого до сих пор можно наблюдать в поясе астероидов в виде полосы остаточных планетезималей, которая располагается между Марсом и Юпитером, то есть как раз там, где пролегает снеговая линия. Cтолкновения и взаимодействия астероидов приводят к тому, что некоторые из них направляются к Земле, падая на ее поверхность в виде метеоритов. Поэтому у нас достаточно информации об их свойствах. В частности, мы знаем, что в астероидах во внешней части пояса, находящихся на расстоянии 2,4–4 а.е., содержится значительное количество льда, составляющее до 10% их массы. Чем ближе к Марсу и Земле вдоль пояса, тем астероиды суше: доля льда в их массе не превышает 0,05% — 0,1%. Несмотря на неизбежное изменение количества льда за прошедшие миллиарды лет, тенденция говорит о том, что наша планета сформировалась из сухого материала. Но тогда откуда взялись океаны?
Мокрая Земля
Первый вариант ответа на этот вопрос — сценарий мокрой Земли. Согласно этому сценарию, в процессе формирования Земля аккумулировала воду так же, как газ.
Несмотря на отсутствие во внутренней части Солнечной системы твердого льда, водяных паров в протопланетном диске было в избытке. Они окутывали планетезимали, из столкновений которых родилась Земля. Если допустить, что какое-то количество паров «прилипало» к каменистым телам, то они вполне могли войти и в состав самой планеты. Когда в гадейский период в расплавленных недрах Земли начались сдвиги, пары воды могли выйти наружу через вулканы и, охладившись, сформировать океаны.
Согласно другому похожему сценарию, Земля могла удержать пары воды, аккумулированные в период формирования примитивной атмосферы. Легких водорода и гелия она лишилась, но более тяжелые молекулы воды смогла сохранить, и позже они присоединились к газам во вторичной атмосфере.
Вода определенно могла участвовать в формировании Земли, но в этой теории все-таки есть ряд нерешенных вопросов. Один из них — удержание газа, захваченного из протопланетного диска, и возник этот вопрос в связи с обилием инертных газов, то есть гелия, неона и аргона, которые отличаются низкой реакционной способностью. Отсутствие химических взаимодействий означает, что объем этих газов практически не меняется со временем. Если часть своей атмосферы наша планета действительно получила из протопланетного диска, тогда доля инертных газов в атмосфере Земли должна быть аналогична той, которая характерна для Солнца. Но на самом деле в земной атмосфере их намного меньше, то есть, скорее всего, она была дегазована и не является результатом удержания газов. Более того, для удержания достаточного количества воды примитивная атмосфера Земли должна была быть очень большой. Однако формирование Земли проходило весьма медленно, на него ушло больше времени, чем существовал протопланетный диск. Поэтому времени для накопления достаточного количества газа могло быть недостаточно. Это не означает, что вода не могла быть получена вместе с планетезималями, но указанных вопросов достаточно, чтобы предположить, что вода попала на Землю уже после завершения формирования планеты.
Сухая Земля
Источником воды могли стать скованные льдом метеориты. Эти каменистые объекты могли формироваться в окружении льда в отдаленных участках нашей Солнечной системы, а затем оказаться там, где находятся планеты земной группы. Изрытая кратерами поверхность Луны — свидетельство активной бомбардировки каменными глыбами, которые должны были сыпаться градом на планеты земной группы во время их формирования. Если на Земле атмосфера превращала в пар многие попадающие в нее метеориты, а поверхность обновлялась и разглаживалась благодаря вулканической активности, то Луна сохранила свой испещренный оспинами лик со времен бурной молодости. Если наша планета первоначально была сухой, то своими океанами она может быть обязана как раз нескончаемому потоку обледеневшего материала, барабанившего по ее поверхности.
Главными виновниками этого каменного града можно считать газовые гиганты. Благодаря своей огромной массе они создавали гравитационное притяжение такой силы, которая заставляла разлетаться по Солнечной системе остававшиеся вокруг них планетезимали подобно шарам в гравитационном бильярде. Поскольку эти каменные шары формировались по соседству с газовыми гигантами за снеговой линией, то, врываясь
