Элен Черски - Физика и жизнь. Законы природы - от кухни до космоса

Глубоко под нашими ногами прямо сейчас происходит движение горных пород. Б о льшая часть массы планеты приходится на мантию Земли – толстый слой между наружным ядром и тонким слоем земной коры, плавающим поверх мантии. Мантия – жидкая, но достаточно вязкая и медлительная субстанция. Этот расплав все время подогревается как горячим ядром Земли, так и медленным распадом радиоактивных элементов, скрывающихся глубоко в ее недрах. Движение энергии в мантии Земли происходит прямо сейчас, у нас под ногами. Слои горных пород, из которых состоит мантия Земли, по мере нагрева поднимаются, а более холодные слои горных пород опускаются; в результате горячие и холодные слои меняются местами. Но на перемещения расплавленных горных пород при столь высоких температурах и давлениях уходит очень много времени. Глубоко под нами подъем столба магмы на два сантиметра может занять целый год. На полный цикл подъема от нижнего уровня мантии до ее верхнего уровня может понадобиться 50 миллионов лет. Но центр Земли подчиняется тем же физическим законам, что и атмосфера и океан: теплые массы (воздуха, воды или расплавленных горных пород) поднимаются, а более холодные – опускаются.

Огромное количество тепловой энергии непрерывно движется от центра Земли наружу, но оно ничтожно по сравнению с количеством световой энергии, доставляемой Солнцем на Землю. Почти на каждом земном пейзаже есть зеленый цвет. Он может прятаться по углам или доминировать в ландшафте, но будет присутствовать практически всегда. Это могут быть едва заметные следы мха на кирпичной стене или «зеленый ад» тропических джунглей, но растения повсеместно обитают на нашей планете. Каждый листик служит поддерживающей структурой для слоев клеток, богатых хлорофиллом, каждая из которых представляет собой миниатюрную молекулярную фабрику, преобразующую солнечный свет и углекислый газ в сахар и кислород. Какая-то часть энергии в потоке света, омывающем каждый листик, усваивается растением и накапливается в виде сахара (запас топлива на будущее). Даже в самые безмятежные солнечные дни в поле, где все кажется неподвижным и неизменным, растения напряженно трудятся. Молекула за молекулой они вырабатывают кислород, которым мы дышим, поддерживая атмосферу, состоящую на 21 % из кислорода, и обеспечивая жизнь всем остальным живым существам на Земле. Эти миниатюрные молекулярные фабрики непрерывно восстанавливают пятую часть атмосферы на планете. Вглядываясь в окружающий нас воздух, мы не видим (и, конечно, не можем видеть) молекулярную продукцию многочисленных папоротников, деревьев, водорослей и трав, вырабатываемую на протяжении многих тысячелетий, – щедрый подарок этой зеленой армии.

С занимаемой нами позиции на Земле, когда мы выходим из дома, мы можем видеть лишь ничтожную часть планеты. Умея летать, мы увидели бы гораздо больше. Чем дальше от поверхности Земли, тем разреженнее атмосфера и тем меньше в ней молекул воздуха. Гравитация притягивает молекулы воздуха к Земле. Вблизи земной поверхности она может удерживать лишь очень тонкий его слой. На высоте примерно 20 километров от земли 90 % молекул в атмосфере окажутся под нами. Самая глубокая точка в океане находится на расстоянии 11 километров от уровня моря. Ниже ее располагаются плотные горные породы. Чтобы добраться до центра Земли, вам придется преодолеть примерно 6360 километров таких пород. Если бы не космические ракеты, люди не смогли бы подниматься выше каких-то жалких 30 километров. Слой лакокрасочного покрытия шарика для пинг-понга имеет такую же толщину по сравнению со сферой, которую он покрывает.

Принято считать, что на высоте 100 километров мы находимся на границе между Землей и открытым космосом и можем видеть ее как зеленую, коричневую, белую и голубую, вращающуюся в черноте бескрайнего космоса. С этой границы особенно заметно, что наша планета – это главным образом океан, состоящий из простых молекул воды. Вода – холст для картины жизни, но лишь в «зоне Златовласки [85]», то есть энергетическом диапазоне, в пределах которого движение молекул обеспечивает существование в форме жидкости. Придайте этим молекулам дополнительную энергию, и они разрушат любые сложные молекулы, которые окажутся в воде. Придайте им еще большую энергию, и они испарятся, то есть превратятся в газ, непригодный для защиты хрупкой жизни. На нижнем конце «зоны Златовласки», к которому мы приближаемся по мере снижения энергии, колебания молекул замедляются и в конечном счете молекулы замыкаются в кристаллической решетке льда. Такая неподвижность – враг жизни. Даже сам по себе процесс формирования этих негибких кристаллов льда может разрушить любую живую содержащую их клетку. Наша планета выделяется среди подавляющего большинства других планет не только наличием воды, но и тем, что эта вода в основном пребывает в жидком состоянии. Со стокилометровой высоты особенно заметно, что самый ценный актив Земли, вода, преобладает на ее поверхности.