Мир астрономии. Рассказы о Вселенной, звездах и галактиках - Мухин Лев Михайлович - Страница 61

Что касается третьей «трещины», то она, по всей видимости, не столь опасна, как две предыдущие. Связана эта «трещина» с противоречием, на первый взгляд очевидным, между палеоклиматическими и геологическими данными и следствиями, вытекающими из теории внутреннего строения Солнца. Вспомним, в чем состоит суть дела.

Если современные представления о внутреннем строении Солнца справедливы, то с того времени, как Солнце «село» на главную последовательность, и до настоящего момента его светимость должна была увеличиться примерно на 30 процентов. Но тогда мы должны были 3–4 миллиарда лет назад «иметь» очень холодную Землю, сплошь покрытую льдом. В то же время геологические данные неопровержимо свидетельствуют о том, что уже 3,8 миллиарда лет назад на Земле были океаны, была жизнь. В этом парадоксе некоторые астрофизики усматривают серьезный камень преткновения для теории внутреннего строения Солнца. Но на самом деле парадокс этот совсем не носит устрашающего характера. Он без труда разрешается в рамках теории возникновения и эволюции атмосфер планет.

Посмотрим, как это делается. Сначала обратим внимание на тот принципиальный факт, что при дегазации из недр Земли на поверхность прежде всего выделяется вода и углекислый газ. Об этом свидетельствуют множество анализов состава вулканических газов и газов, содержащихся в магматических породах — базальтах. По оценкам разных авторов, отношение массы воды к выделившемуся из мантии углекислому газу — от 4:1 до 10:1. То есть углекислоты поступает достаточно много. Именно углекислый газ, интенсивно поглощающий тепловые инфракрасные лучи, мог создать парниковый эффект, хотя Солнце грело плохо.

Гранулированная структура фотосферы Солнца.

Чтобы не быть голословным в дальнейших рассуждениях, нужно рассчитать температуру поверхности Земли 4,5 миллиарда лет назад. Атмосфера тогда была разреженной, а ее давление в сто или тысячу раз меньше, чем нынче. Если это так, то среднюю температуру поверхности Земли нетрудно вычислить как функцию ее альбедо (отражательной способности).

Альбедо Земли, почти лишенной атмосферы, по аналогии с Луной и Меркурием можно принять за 0,1. И тогда мы получаем, что, если светимость Солнца была на 40 процентов ниже сегодняшней, температура поверхности Земли составляла 33° ниже нуля по Цельсию.

Постепенно атмосфера становилась массивнее. По мере выделения летучих компонентов из магмы наружу пары воды, замерзая, окутывали планету мощным слоем сверкающего льда и снега. Альбедо росло, и поэтому температура поверхности снижалась. Но нет худа без добра: основным компонентом земной атмосферы становился углекислый газ. И он, создавая парниковый эффект, начал подогрев. С ростом концентрации CO₂ в атмосфере поверхность Земли потихоньку разогрелась и льды начали таять.

Можно подсчитать, сколько CO₂ должно было накопиться в атмосфере, чтобы подогреть поверхность до 0 °C. Расчет гипотетического парникового эффекта был сделан известным советским астрофизиком В. Морозом. Такой расчет не прост, точной цифры не получишь. Поэтому в конце концов были найдены верхний и нижний пределы критического давления углекислого газа, давления, при котором начинается таяние льдов.

Мороз предположил, что альбедо Земли из-за того, что ее окутало снежное одеяло, изменилось от начального 0,1 до 0,45. Конечно, и эта цифра условна, потому что из-за неровностей рельефа и меняющейся облачности истинную величину альбедо почти невозможно определить. Но нам важно понять общее направление процесса.

Итог таков. Наименьшее давление углекислоты, при котором наступит таяние льда и снега, равно 0,3 атмосферы.

Что же происходит дальше? При выделении из мантии 10¹³ граммов углекислоты в год (полагают, что именно так оно и было) давление 0,3 атмосферы будет достигнуто через 440 миллионов лет. Затем начинается таяние, и альбедо быстро уменьшается, потому что отражательная способность воды меньше, чем у льда и снега. Становится немного теплее. Но, увы, углекислый газ начинает покидать атмосферу, происходит его растворение в воде, выщелачивание базальтов, образование карбонатов…

Потеря газа не может длиться долго, потому что с уменьшением количества углекислоты в атмосфере поверхность Земли остывает до нуля. Планету снова окутывают снег и лед. Вот мы и пришли к великим циклическим оледенениям, не раз сковывавшим поверхность Земли.

Идет время, становится теплее, оледенения повторяются, уменьшая амплитуду и длительность, пока все ярче разгорающееся Солнце не подогреет Землю и не уменьшит количества углекислого газа в атмосфере до уровня, близкого к современному: углекислоту поглотит океан.

Правда, мы не учли весьма важного обстоятельства: жизнь, возникшая на Земле 3,5 миллиарда лет назад, могла внести свои поправки и в баланс углекислого газа в атмосфере, и в углеродные циклы оледенения.

Нижняя возможная граница атмосферного содержания CO₂ в цикле оценена нами в 1,5 × 10²¹ граммов. Самое неопределенное в уравнении этого баланса — время жизни молекулы CO₂ в океане (от момента попадания в воду до перехода в молекулу известняка). Но миллиона лет на это явно хватит. И расчеты строились на этом щедром допущении.

Отсюда и вывод: характерное время циклических оледенений на примитивной Земле было около миллиона лет.

Бесспорно, что конкретные цифры, полученные в этих оценках, несут на себе печать некоторого произвола. Однако поскольку эти оценки основаны на хорошей физике, они в принципе полностью цементируют одну из «трещин» в теории Солнца.

Закончив наше небольшое отступление, посвященное одной из загадок Солнца, вернемся снова к фотосфере, вернее — к «дефектам» сферы света. Эти дефекты — пятна на Солнце, пожалуй, самые легкие для наблюдения объекты из всех явлений, связанных с нашим светилом. О них очень много известно, но тем не менее специалисты считают, что до сих пор мы не можем понять два основных факта, прямо касающихся пятен: почему пятна темные и почему они вообще существуют. Ответ на первый вопрос может показаться очевидным, поскольку разгадку может дать любой человек, мало-мальски знакомый с физикой.

«Разумеется, — ответит он, — пятна темные, так как они холодные». Этот ответ будет абсолютно правильным, пятна холоднее окружающей фотосферы на 1500–2000 K. Но почему они холодные?

Ясно, что тем или иным образом дело здесь связано с магнитными полями. Вообще говоря, магнитные силовые линии в сравнительно слабых полях как бы «вморожены» в вещество и следуют за ним при всех его движениях. Это понятно, так как при высоких температурах фотосферы мы имеем хорошую проводимость вещества. Но в области пятен магнитные поля в тысячи раз сильнее, чем среднее магнитное поле Солнца, и поэтому ряд исследователей считает, что сильные магнитные поля в области пятна подавляют конвективные движения, вещество как бы приклеивается к магнитным силовым линиям, и это тормозит восходящие и нисходящие потоки вещества.

Однако подобное объяснение сталкивается с целым рядом трудностей. Отнюдь не все специалисты разделяют эту точку зрения, и проблему понижения температуры фотосферы в области пятен никоим образом нельзя считать полностью решенной.

Пятна редко появляются в одиночку, обычно возникает сразу группа пятен. Иногда в области пятен можно наблюдать магнитное поле одной полярности, иногда группы пятен биполярны. Интересно, что пятна имеют небольшие собственные движения на диске Солнца.

Появлению пятен в активной области предшествует рождение факела — более яркой области фотосферы. Затем уже в районе факела можно увидеть темные поры. Разрастаясь, они сливаются друг с другом в пятно. Диаметр пятна составляет 10–15 тысяч километров, но, как мы уже говорили, бывают и более крупные пятна. Пятна, по всей видимости, вращаются быстрее, чем окружающий их газ.

Очень интересны результаты анализа поведения пятен за историческое время. Этот анализ показал, что начиная с 1645 по 1715 год, то есть в течение 70-летнего промежутка времени, циклы солнечной активности практически исчезли. С 1672 по 1704 год в северном полушарии Солнца пятен не было видно совсем! Этот период времени был назван маундеровским минимумом.