Потеря атмосферного газа

Планета теряет газ пятью различными путями: тепловая утечка, сжижение (конденсация), бомбардировка, образование кратеров и (или) химические реакции.

Тепловая утечка. Запускаемые с Земли космические корабли весьма зрелищно покидают родную планету. Газовые молекулы тоже покидают Землю, но не столь шумно. Все на планете удерживается силой ее тяготения, которое у поверхности определяется ее массой и поперечником.

На каждой планете для преодоления ее гравитационных пут тело должно разогнаться до определенной, так называемой второй космической, скорости.

Планета	2-я космическая скорость, км/с
Марс	5
Венера	10,4
Земля	11,4

Атмосферные газы в зависимости от температуры и массы молекул имеют различные скорости. При более высокой температуре молекулы движутся быстрее: легкие — быстрее тяжелых.

Как видно из таблицы на с. 160-161, Марс вследствие тепловой утечки быстро расстанется с легкими газами вроде водорода и гелия, но сможет удержать двуокись углерода. Венере и Земле проще удержать свои газы.

Сжижение. Испарение жидкостей и возгонка твердых тел происходит при высокой температуре, но возможен и обратный процесс: при низкой температуре атмосферные газы в состоянии сжижаться с образованием жидкого или даже твердого состояния.

Наиболее показателен в этом отношении Марс, где двуокись кислорода на полюсах зимой сжижается, образуя твердую углекислоту, то есть сухой лед.

Сжижение происходит даже на Луне. В 1998 году орбитальный аппарат Lunar Prospector обнаружил замерзшую воду в глубоких кратерах близ обоих лунных полюсов. Лед, видимо, попал туда с хвоста комет и сохранился в недоступных солнечным лучам местах. Миллиарды лет назад лед мог оказаться там, где лежит и ныне.

Бомбардировка в состоянии породить атмосферу на планете, у которой ее изначально не было. Но она может и забирать газ у уже имеющейся на планете атмосферы. Солнечный ветер в силах помочь утечке газов в верхних слоях атмосферы. Солнечные фотоны способны разлагать молекулы на более мелкие составляющие (в ходе так называемой диссоциации), которые затем из-за более легкой массы покидают планету.

Образование кратеров. Падающие на планету более крупные тела тоже способны придать молекулам газа достаточно энергии, чтобы те покинули планету. Особо уязвимы в данном случае более мелкие планеты с меньшей, второй космической скоростью.

Химические реакции. В зависимости от химической активности молекул реакции между газами и поверхностными скальными породами или жидкостями могут приводит к их связыванию.

Химические реакции на раннем этапе образования нашей планеты связали значительное количество углекислого газа в известняки, удалив тем самым много этого газа из ее атмосферы.

Получение или утрата атмосферного газа

Теперь приложим данные закономерности к внутренним планетам и посмотрим, как их первичная атмосфера приобрела нынешние очертания.

Начнем с Венеры и Марса, а Землю прибережем напоследок.

Венера
Процесс	Деятельность	Примечание
ПОЛУЧЕНИЕ ГАЗА
Газовыделение	Приводит к образованию углекислого газа, воды, азота и сернистых соединений	На более крупной планете образовывалось больше газа
Испарение	Высокая температура приводит к переходу большей части воды на планете в парообразное состояние на раннем этапе становления ее атмосферы	Положительная обратная связь: пары воды, углекислый газ создают парниковый эффект, нагревают атмосферу, испаряется еще больше воды...
Бомбардировка	Второстепенное влияние
УТРАТА ГАЗА
Тепловая утечка	Атомы водорода высвобождаются из молекул воды под действием фотонов большой мощности; другие легкие газы покидают планету вследствие высокой температуры
Сжижение	Небольшое воздействие	Поверхность плане- ты слишком горяча для сжижения газа
Бомбардировка	Солнечный ветер выдувает кислород из верхних слоев атмо- сферы
Образование кратеров	Второстепенное влияние
Химические реакции	Атомы кислорода, высвобожденные из молекул воды под действием фотонов большой мощности, связываются в химических реакциях со скальными породами на поверхности планеты

Марс

Процесс	Деятельность	Примечание
ПОЛУЧЕНИЕ ГАЗА
Газовыделение	Приводит к образованию углекислого газа, воды, азота и сернистых соединений; поначалу плотная атмосфера	Из-за меньших размеров образовывалось меньшее количество газов, и планета остывала быстрее
Испарение Бомбардировка	Некоторое испарение воды, но не столь большое по сравнению с Венерой и Землей Второстепенное влияние	На Марсе сначала было много воды в жидком состоянии
УТРАТА ГАЗА
Тепловая утечка	Атомы водорода высвобождаются из молекул воды под действием фотонов большой мощности; другие легкие газы покидают планету вследствие высокой температуры
Сжижение Бомбардировка	Вода, собираясь, сжижалась Солнечный ветер выдувает кислород из верхних слоев атмосферы	По мере падения температуры вода превращалась в лед, а углекислый газ при сжижении образовывал сухой лед
Образование кратеров	Второстепенное влияние
Химические реакции	Атомы кислорода, высвобожденные из молекул воды под действием фотонов большой мощности, связываются в химических реакциях со скальными породами на поверхности планеты: красно-коричневая окись железа (ржавчина) придает Марсу красноватый оттенок, откуда название Красная планета; углекислый газ оказался заключенным в известняках

Основное различие между нашими соседними планетами и Землей определяется наличием воды. Вода на Венере испарилась вследствие высокой температуры. Испарение способствовало развитию парникового эффекта, после чего вода терялась из-за разложения ее молекул под действием солнечных фотонов на водород и кислород. Марсианская вода некоторое время была разлита по поверхности этой планеты. Однако ввиду слабовыраженного парникового эффекта она не испарялась, а сжижалась. По мере падения температуры вода превращалась в лед, который все еще присутствует на полюсах, большей частью скрытый под поверхностью.

Обратимся теперь к Земле, Нам известно, что стало здесь с водой: она присутствует доныне в трех состояниях: газообразном, жидком и твердом. Вода не только делает Землю отличной от наших соседних планет, она придает изменчивость здешней погоде, которую мы не в состоянии предсказать.

Земля в сопоставлении с Марсом и Венерой

Для уяснения погодных условий на Земле сравним ее с Венерой и Марсом.

Свойство	Земля	Венера	Марс
Поперечник, %	100	95	53
Масса, %	100	82	11
Плотность, %	100	95	66
Сила тяготения на поверхности, %	100	91	38
Время обращения вокруг собственной оси	24 ч	243 сут	24,5 ч
Наклон оси	23,5°	2°	25°
Альбедо	0,36	0,72	0,25
Температура:
без атмосферы	-23^0С	+38°С	-55°С
с атмосферой	+ 15°С	+470°С	-50°С
Состав атмосферы, %	77 (азота),	96 (углекислого газа),	96 (углекислого газа),
	21 (кислорода)
		3(азота)	3(азота)

Поскольку все три планеты поначалу имели одинаковую атмосферу, образовавшуюся в результате вулканического выделения большей части углекислого газа и паров воды, необходимо ответить на ряд вопросов.

Почему Земле удалось сохранить свою воду, тогда как Венера и Марс ее лишились? Мы уже знаем, из-за чего Венера с Марсом теряли воду: Венера была слишком горячей; Марс же оказался чересчур холодным. На Земле вода участвует в ряде круговоротов, из которых более всего бросается в глаза известный всем влагооборот, когда вода испаряется из океана, ветрами выносится на сушу, выпадает в виде снега или дождя (отчасти в океан), вновь стекает в океан, и все начинается сначала. Данный круговорот воды вызывается не только умеренной температурой, но и перемещениями (циркуляцией) в атмосфере, которым в свою очередь способствуют наклон земной оси и вращение самой планеты вокруг нее.

Что произошло с углекислым газом на Земле? Углекислый газ Земля не растеряла; он лишь оказался сокрытым под действием находящейся в жидком состоянии воды. Углекислый газ из воздуха растворяется в океанической толще. Там при взаимодействии с силикатами он образует известняки, которые оседают на морское дно. Вот куда девается углекислый газ. Но здесь он не задерживается, ведь перед нами лишь этап одного из круговоротов. Плиты земной коры перемещаются под влиянием течений в мантии, на которой они покоятся. Карбонаты увлекаются внутрь мантии, где нагреваются. Углекислый газ выходит в атмосферу в ходе вулканических извержений. Оказавшись там, он снова растворяется в океанической толще и... Кстати, как силикаты попадают в океан? Они выветриваются с поверхности под действием дождей. Этот процесс именуют карбонатно-силикатным круговоротом. Поскольку данный круговорот вещества требует воды в жидком состоянии, он может происходить лишь на Земле.

Откуда Земля получила свой кислород? Изобилие кислорода в земной атмосфере вызвано одним источником: жизнью. Однако подоплека значительно сложнее. С возникновением живых организмов не замедлила появиться форма жизни, черпавшая энергию от Солнца для сборки сложных углеводородов из присутствующих молекул воды и углекислого газа. Такого рода фотосинтез, похоже, начался на заре жизни, а его побочным продуктом стал кислород.

Кислород химически очень активен, так что примерно 2 млрд. лет после начала фотосинтеза получавшийся кислород просто взаимодействовал с поверхностными породами. Лишь после полного их окисления кислород стал накапливаться в атмосфере, что повлекло за собой два последствия. Во-первых, поднявшийся к верхним слоям атмосферы кислород разлагался под действием солнечных фотонов. Получавшиеся в итоге атомы кислорода привели к образованию новой и неустойчивой молекулы, именуемой озоном (О₃). Озон так и представлял бы собой химический курьез, если бы не его способность поглощать ультрафиолетовое излучение. После накопления в верхних слоях атмосферы достаточного количества озон начал служить укрытием Земли от смертельного для жизни ультрафиолета. Стало возможным утверждение на суше жизни и кислородного дыхания, а это сочетание привело к появлению новых форм жизни, например нас с вами.

Воздействие жизни на атмосферу началось давно и продолжается по сию пору. Сегодня приходится решать вопрос с выбросом нашей цивилизацией в атмосферу углекислого газа, что может привести к парниковому эффекту (см.: Список идей, 10. Парниковые газы).

Земная атмосфера — то сырье, из которого синоптики готовят свои отчаянные прогнозы. Она совершенно непохожа на атмосферу наших соседних планет, и присущие ей особенности делают прогнозирование трудным и кропотливым занятием. Предсказание погоды оказывается значительно запутанней, чем кажется на первый взгляд.