Я. Жив
Оливиновый
термостат
В НАСА на протяжении девяти лет следят за состоянием льда и изучают погодные
условия в рамках миссии IceBridge. Сотрудники НАСА летают над Канадой,
Гренландией и Северным Ледовитым океаном. В начале марта 2017 года они
отрапортовали, что объём морского льда в Арктике достиг самого низкого
уровня за всё время наблюдений, а скорость таяния ледников превосходит
все прогнозы экспертов: за прошедшие десять лет количество многолетнего
льда уменьшилось на 15%, и такими темпами уровень мирового океана быстро
увеличится (по их расчётам) на 40 см. Казалось бы, проверенный факт, но...
это лишь «северо-атлантический»
факт.
Швейцарцы
оценили изменение площади суши на Земле за последние 32 года, проанализировав
более 3 млн. спутниковых снимков, и выяснили, что суши прибавилось:
90 тыс. кв. км «утонуло»,
а 184 тыс. кв. км «всплыло».
Что же происходит с уровнем океана? Куда девается вода ледников? Не ждёт
ли Землю судьба Марса?
На Марсе имеется
множество геологических образований, напоминающих водную эрозию, в частности,
высохшие русла рек. В прошлом атмосфера могла быть более плотной, а климат
– тёплым и влажным, и на поверхности Марса могла существовать жидкая
вода и идти дожди. Сейчас температура на Марсе колеблется от
– 153 °C на полюсе зимой и до более +20 °C на экваторе в полдень.
Средняя температура составляет – 50°C.
Атмосфера
Марса, состоящая, в основном, из углекислого газа, очень разрежена. Давление
у поверхности Марса в 160 раз меньше земного
– 6,1 мбар на среднем уровне поверхности. Примерная толщина атмосферы
– 110 км, давление атмосферы на среднем радиусе составляет 6,36
мб. Плотность у поверхности ~0,02 кг/м3,
общая масса атмосферы ~2,5·1016
кг. Считается, что около 4 млрд лет назад Марс практически полностью потерял
своё магнитное поле. С того времени вследствие слабости магнитного поля
в атмосферу Марса практически беспрепятственно проникает солнечный ветер,
он-то со временем и «сдул»
большую часть атмосферы.
К счастью, у Земли её главная линия обороны – магнитосфера, – неплохо с
ним справляется (сейчас в Солнечной системе магнитосферой обладают Меркурий,
Земля, четыре газовых гиганта и Ганимед – крупнейший спутник Юпитера).
Земная магнитосфера тормозит корпускулы солнечного ветра, гоняет их от
полюса к полюсу, создаёт красочные полярные сияния и, в конечном итоге,
добавляет их к массе Земли. То есть, «испарение» марсианского типа
отпадает. Вода остаётся на Земле!
Магнитосфера Земли
Конечно, о структуре Марса мы не знаем почти ничего, о структуре Земли
тоже очень мало, но всё-таки чуть больше. Недавно, например, мы достоверно
узнали, что в недрах Земли содержится огромное количество воды, в разы
превышающее объём Мирового океана. Ирландские, канадские и китайские
геофизики показали, что вода на Земле возникла в результате химических
реакций в её недрах, а не была занесена на планету астероидами или метеоритами.
Соответствующее исследование опубликовано в журнале Earth and Planetary
Science Letters.
Выяснилось, что на глубине от 40 до 400 километров при температуре около
14000С и давлении
20 тысяч атмосфер содержащийся в мантии диоксид кремния вступает в химическую
реакцию с водородом, что приводит к образованию воды и гидрида кремния,
то есть Земля способна сама производить воду. Как недавно выяснилось, есть
и хранилище воды не только снаружи, в гидросфере, но и внутри – в оливиновом
поясе.
Оливиновый пояс (второй
снаружи слой)
Оливин – один из самых распространённых на Земле минералов: он слагает
основные магматические породы и очень широко распространён в мантии, а
в «зелёнокаменном поясе» часто выходит на поверхность земной коры.
Одно из названий суперминерала – оливин – было присвоено ему в связи со
схожестью отшлифованных камней с оливками. Если опустить такой камешек
в воду, то он станет прозрачней и может даже показаться, что видна косточка
(прозрачную желто-зелёную разновидность оливина принято называть хризолитом).
Оливин (второе название
минерала – перидот)
Один из «талантов» оливина – способность
извлекать углекислый газ из атмосферы и хранить его внутри микрогранул.
Второй его «талант» – оливин при высоких
температурах и давлениях, характерных для мантии на глубине 410-660 километров,
преобразуется в рингвудит и вадслеит. Рингвудит и вадслеит поглощают на
порядки больше воды, чем оливин – примерно до 2,5% их общей массы.
В 2014 году международный коллектив геофизиков сообщил в журнале Nature,
что в переходном слое между верхней и нижней мантией, на глубине 410-660
километров, имеются обширные запасы воды. Исследователи провели рентгеноструктурный,
рамановский и инфракрасный анализ образцов оливина, найденных близ реки
Сан-Луис в современной Бразилии, и выявили в минерале содержащие воду включения
рингвудита.
Оливин с включениями
Простые оценки показывают, что в недрах Земли воды хватит как минимум на
несколько Мировых океанов. Это подтвердила другая группа исследователей.
В 2015 году в журнале Nature они опубликовали статью с результатами исследования
рингвудита, найденного в «зелёнокаменном поясе»
Абитиби на Канадском щите Северо-Американской платформы. Этот пояс – один
из самых распространённых комплексов пород среднего и позднего архея. В
глубину такие комплексы могут достигать 20 километров, в ширину – 200 километров,
в длину – тысячу километров.
Распространённость оливина и его свойства делают его реальным кандидатом
на роль глобального регулятора температуры земной коры, ведь оба его «таланта»
– температурно-зависимые динамические равновесия. Причём, первый
(поглощение/выделение углекислоты) имеет отрицательную
производную, а второй – положительную.
То есть рост температуры понижает растворимость в оливине углекислоты и
повышает поглощение воды.
Работать «оливиновый
термостат» может примерно так: если через мантию от ядра течёт сильный
тепловой поток (теплоотдача Земли велика, кора перегрета), мантия нагревается,
при этом нагревается и её «оливиновый пояс».
Оливин мантии и его включения – рингвудит
и вадслеит – поглощают воду, теплопроводность
пояса уменьшается, растёт тепловое сопротивление, снижая тепловой поток,
идущий к коре. При этом оливин коры начинает остывать и поглощать углекислоту
из атмосферы. Тем самым, наряду со снижением теплопритока, теплоизоляция
Земли уменьшается и кора остывает (парниковый эффект слабеет).
При пониженной теплоотдаче (тепловой поток в мантии слабее нормы), верхний
слой мантии (и всё тот же оливиновый пояс) остывает, оливин, рингвудит
и вадслеит отдают воду. Следовательно, растёт масса теплоносителя (воды),
растёт теплопроводность пояса, а значит, растёт поток тепла из глубин мантии
к земной коре. Остывший к этому времени оливин коры в «зелёнокаменных поясах»
греется и отдаёт поглощённый ранее углекислый газ, усиливая парниковый
эффект. То есть параллельно растёт подогрев коры и повышается теплоизоляция.
Иначе говоря,
количество воды и углекислоты на поверхности земного шара целиком определяет
оливин.
Оливиновый термостат работает не очень
быстро (по человеческим меркам), но зато надёжно. Что же касается масштабов,
то человечеству со всеми его промвыбросами и углекислотными квотами до
него о-о-очень далеко...
Колебания количества свободной воды в мировом океане трудно заметить, зато
на участках суши, не связанных с океаном, например, в районах Каспия и
Ближнего Востока, это поглощение должно быть заметно. Именно на эти районы
и приходится 70% обнаруженных швейцарскими исследователями потерь водных
территорий.
Заметим, – в статье речь идёт не о климате. Климатические условия, то есть
состояние атмосферы и тонкого слоя гидросферы, обеспечиваются, в основном,
двумя факторами: солнечной радиацией и температурой литосферы. При этом
не следует переоценивать солнечную радиацию – Луна хорошо иллюстрироует
роль этого фактора. А вот те +40С,
которые имеет гидросфера на глубинах от десятков метров до дна Марианской
впадиты, и есть результат работы оливинового термостата, на фундаменте
которого «строит» климат солнечная радиация.
В оглавление