Писатель Уильям Голдинг предложил Джеймсу Лавлоку назвать свою ныне знаменитую гипотезу в честь греческой богини Земли Геи. Это было хорошее совпадение: Лавлок верил, что живая и неживая части Земли образуют единую, взаимодействующую и саморегулирующуюся систему. Работа Лавлока частично выросла из исследований, которые он провел для НАСА и опубликовал в 1965 году в журнале Nature, о признаках жизни, которые мы могли бы искать на других планетах.
Сорок шесть лет спустя космический телескоп НАСА «Кеплер» обнаружил планету Кеплер-22b. Это была одна из первых планет за пределами нашей Солнечной системы, которая вращалась вокруг звезды, подобной солнцу, на расстоянии, которое позволяло бы существовать жидкой воде на ее поверхности. Наличие жидкой воды, которая необходима для всех известных нам форм жизни, повысило бы шансы на то, что на планете есть жизнь. Кроме того, расчетная плотность Kepler-22b предполагает, что он может состоять из горных пород, что означает, что он может воспроизводить условия, аналогичные тем, которые встречаются на Земле.
Теперь ученые начинают понимать важность еще одной характеристики любой планеты, способной поддерживать жизнь, и она полностью соответствует взгляду Лавлока на Землю как на динамичного участника, а не пассивного фона: активная система дрейфующих континентов, иначе известная как тектоника плит. На первый взгляд, связь между жизнью, с ее относительно короткими циклами и головокружительной сложностью, и тектоникой плит, с ее гораздо более медленными циклами и якобы более простыми взаимодействиями, кажется слабой. Но, по крайней мере, на Земле эта связь прямая и глубокая.
Вероятный кандидат: концепция художника планеты Кеплер-22b, которая вращается в обитаемой зоне своей звезды. Ученые пока не знают, имеет ли планета преимущественно скалистый, газообразный или жидкий состав. Вполне возможно, что в атмосфере мира будут облака, как показано здесь. НАСА/Эймс/JPL-Калтех
Континенты Земли движутся, потому что они расположены на отдельных плитах, состоящих из земной коры и верхней мантии, которые плавают как острова в «море» горячих, текучих пород внизу. Движения этих пластин являются частью гигантской машины, которая постоянно перемещает воду, углекислый газ и другие жизненно важные для жизни ингредиенты из глубоких недр на земную поверхность и атмосферу и обратно. Благодаря тектонике плит «элементы периодической таблицы постоянно пополняются на суше, в озерах и океанах», — отмечает геофизик из Стэнфорда Норман Сон. Жизнь зависит от этих циклов бесчисленными способами.
Более того, без тектоники плит на нашей планете не было бы климата, достаточно стабильного для поддержания жизни на протяжении миллиардов лет, в течение которых она развивалась. Это связано с тем, что тектоника плит является неотъемлемой частью грубого планетарного термостата, называемого циклом «карбонат-силикат». 1,2 Двуокись углерода в атмосфере растворяется в дождевой воде с образованием углекислоты, которая растворяет силикатные породы. Побочные продукты этой эрозии, или «выветривания», переносятся в океаны, где они поглощаются организмами, такими как крошечные планктонные фораминиферы, и включаются в известняковые (карбонат кальция) раковины. Когда эти существа умирают, они падают на дно океана и накапливаются в виде отложений.
Последний из предсказателей землетрясений
В конце зимы 1975 года сейсмолог по имени Цао Сяньцин отследил серию небольших землетрясений близ Хайчэна, Китай, которые, по его мнению, предвещали гораздо более крупное землетрясение в будущем. Утром 3 февраля официальные лица распорядились об эвакуации. ПОДРОБНЕЕ
На границах плит некоторые из этих отложений уносятся еще дальше вниз в результате субдукции (когда одна плита скользит под другой). В условиях более высокой температуры и давления, наблюдаемых в глубинах земли, выделяется газообразный диоксид углерода, который в конечном итоге попадает в атмосферу через вулканы, тем самым завершая цикл.
Когда температура Земли повышается, с поверхности испаряется больше воды, что, в свою очередь, приводит к большему количеству осадков, которые вымывают больше углекислого газа из атмосферы и отправляют его глубоко под землю по тектоническим путям. Это уменьшает парниковый эффект, приводящий к глобальному похолоданию. И наоборот, когда Земля остывает, выпадает меньше углекислого газа, а атмосферные концентрации накапливаются из вулканов и других источников, что приводит к усилению парникового эффекта и возможному потеплению. Тилман Спон, который руководит Институтом планетарных исследований в Немецком аэрокосмическом центре в Берлине, называет тектонику плит «наиболее эффективным известным механизмом переработки» такого рода.
Исключение жизни из уравнения привело к очень
планета выглядит по-другому.
Примечательно, что зависимость жизни от тектоники плит взаимна: ученые пришли к пониманию того, что тектоника плит зависит от жизни так же, как и жизнь зависит от нее. «Жизнь может стабилизировать тектонику плит, что, в свою очередь, может стабилизировать обитаемость планеты», — говорит Спон.
Важная часть обратной связи между биологией и геологией проистекает из цикла «глубоководья», который тесно связан с выветриванием. Жизнь на поверхности Земли способствует выветриванию различными способами, от выделения бактериальной кислоты, которая разрушает горные породы, до роста на скалах лишайников, мха и деревьев. «Скорость осаждения является функцией активности биосферы», — утверждает Спон. Другими словами, чем больше жизни на планете, тем больше будет выветривания.
Отложения, образующиеся в результате этого процесса, накапливаются на дне океана и содержат до 40 процентов воды по весу. 3 Когда субдукция происходит на границах плит, они переносятся вниз в мантию, примерно на 62 мили (100 километров) ниже поверхности Земли.
Вода, связанная в этих подземных слоях, в свою очередь, служит своего рода смазкой, которая делает возможным движение пластин. Это потому, что вода может разорвать связи, удерживающие камни вместе, делая их более податливыми и текучими. «Если бы у планеты не было воды в мантии, — объясняет Спон, — у нее не было бы тектоники плит, которая включает в себя медленное движение мантийных пород вверх к поверхности. Вместо этого у вас был бы застойный слой камней сверху». Это то, что мы видим на Меркурии и Луне.
Увеличение содержания воды в породе также снижает ее температуру плавления. Таким образом, доставка большего количества воды в мантию приведет к образованию большего количества расплавленного материала, что приведет к большему извержению вулканов. «Выход этой вулканической породы в основном является материалом, из которого образуется континентальная кора», которая в основном состоит из гранита, — говорит Спон. «Чем больше этого расплава вы производите, тем больше растет континентов». Учитывая, что процветающая биосфера может привести к тому, что больше воды достигнет мантии, он предполагает, что это также может способствовать росту континентов. 4
В 2013 году Спон, Деннис Хеннинг и двое других коллег представили, как могла бы выглядеть Земля без тектоники плит. Они использовали компьютерное моделирование, чтобы разработать два совершенно разных сценария — один с активной биосферой в сочетании, а другой без нее. В «биотическом» случае биологическое выветривание способствовало усилению осаждения, в результате чего в мантии образовалось около 300 частей на миллион воды. Это, в свою очередь, привело к более частым извержениям вулканов и появлению континентов, покрывающих около 40 процентов поверхности Земли, что примерно сопоставимо с миром, который мы видим сегодня.
Исключение жизни из уравнения привело к тому, что планета выглядела совсем по-другому. Уменьшение осадконакопления привело к снижению концентрации воды в мантии (всего около 40 частей на миллион) и, соответственно, к уменьшению образования континентальной коры. Модель предсказывает, что безжизненная Земля, по сути, будет водным миром с небольшой площадью суши, составляющей, возможно, всего 3 процента поверхности.
«Мы не можем сказать, что было первым, тектоника плит или жизнь», — говорит Спон. «Что мы можем сказать, так это то, что они в основном стабилизируют друг друга. Если бы мы внезапно отключили тектонику плит, это было бы не очень хорошо для нас. И если бы мы отключили жизнь, это не пошло бы на пользу тектонике плит».
Идея о том, что тектоника плит делает жизнь более вероятной, начинает направлять поиски внеземной жизни. Астроном Северо-Западного университета Николас Коуэн и его коллеги недавно продемонстрировали методику обнаружения присутствия океанов и континентов на экзопланете. До сих пор они проверяли этот подход только на Земле, используя телескоп на космическом корабле НАСА «Глубокий удар», который находился на расстоянии десятков миллионов миль, когда он проводил свои наблюдения. 5 Основная идея состоит в том, чтобы увидеть, как цвет планеты меняется с течением времени, когда она вращается вокруг своей оси.
Посмотрев на Землю в течение 24 часов с помощью небольшого телескопа Deep Impact, команда Коуэна смогла составить карту планеты, которая имела три цвета: синий, соответствующий океанам, оранжевый, соответствующий суше, и серый, соответствующий облакам. 6 Долгосрочные наблюдения показали бы, что серые пятна (или облака) движутся вокруг, чтобы ученые могли получить более точную картину того, где находятся океаны и континенты.
Этот метод еще не применялся к удаленным планетам, но Коуэн считает, что вскоре он может помочь астробиологам решить, на каких экзопланетах следует сосредоточиться. «Если на планете есть большие континенты и большие водоемы, это трудно сделать без тектоники плит», — говорит он. И тектоника плит с меньшей вероятностью будет существовать без жизни.
Стив Надис, писатель из Кембриджа, штат Массачусетс, является редактором журналов Astronomy и Discover. Он является соавтором книги «История в целом: 150 лет математики в Гарварде».
http://m.nautil.us/issue/12/feedback/why-aliens-and-volcanoes-go-together
Загрузка...
