Раздел II
О НЕЖИВОМ
Глава 10
ГОРЯЩЕЕ ВЕЩЕСТВО
С самого момента своего открытия горючий газ водород произвел на человечество революционное воздействие. С его помощью были повержены старые теории и установлены новые. Он уже два раза вел людей к звездам, а теперь этот газ предоставляет нам возможность получить безграничные запасы энергии, необходимой для будущих потребностей человека.
История водорода началась с пламени, поскольку в XVII веке первые химики получили при реакции железа с кислотой новый газ, который, как оказалось, взрывается при нагревании. Они назвали его «горючим газом».
Английский химик Генри Кавендиш, занявшийся изучением нового вещества в 1766 году, обнаружил, что тот способен порождать нечто более примечательное, чем пламя. Оказалось, что при сжигании этого газа и соединении его с чем-то, содержащимся в воздухе (как выяснилось позже — с кислородом), образуются капли жидкости, которая представляет собой не что иное, как воду. Вода, рождающаяся в пламени!
Мир химии был потрясен. Ведь тысячелетиями считалось, что вода — это первоэлемент, что ее невозможно получить из сочетания каких-то более простых элементов. Теперь же выходило, что вода — это продукт сочетания двух газов!
Горючему газу дали новое имя — «водород». Образование воды из водорода стало одним из козырей, позволивших французскому химику Антуану Лорану Лавуазье смести старые теории и заложить вместо них основы современной химии.
Но этим необычные свойства водорода не исчерпывались. Водород оказался не только горючим, не только источником воды, но и крайне легким по весу. Кубический метр водорода весит всего 90 граммов (для сравнения — кубический метр воздуха весит более чем в десять раз больше — 1 килограмм 300 граммов). На самом деле водород — вообще самое легкое вещество на свете.
В 1783 году французы братья Монгольфье наполнили горячим воздухом шелковый мешок и отпустили его вверх. Горячий воздух легче, чем холодный, поэтому получившийся шар поплыл по воздуху, как бревно — по реке. Когда же горячий воздух остыл, шар опустился.
Но зачем использовать горячий воздух, если новооткрытый газ, водород, оказался гораздо легче, чем любой воздух, даже в холодном состоянии? Его подъемная сила гораздо больше, и он вполне может нести гондолу по воздуху — вместе с сидящими в ней людьми.
В начале XIX века по всей Европе и Америке в воздух поднимались наполненные водородом воздушные шары. Для кого-то это были игрушки, захватывающее развлечение. Для ученых же это оказалось первой возможностью изучать небесные высоты — первым шагом на пути к звездам.
Кроме того, это изобретение можно было бы использовать и для коммерческого воздухоплавания, оставалось только обрести независимость от ветра. В 1900 году немецкий изобретатель граф фон Цеппелин построил воздушный шар сигаровидной формы с алюминиевым каркасом и снабдил его пропеллером. Так был изобретен дирижабль, и люди впервые в массовом порядке отправились покорять высоту на крыльях водорода.
Но нельзя забывать, что водород все же крайне огнеопасен. Огромный шар, наполненный водородом, всегда представляет собой хранилище взрывчатки, — и любой удар по такой цели будет безошибочен. А нанести такой удар может что угодно, например искра статического электричества. Так, в 1937 году вспыхнула наполненная водородом оболочка огромного дирижабля «Гинденбург», и весь корабль был уничтожен в течение нескольких минут.
Впрочем, к тому моменту дирижабли и так уже отживали свое. Ясно стало, что будущее — за летательными аппаратами тяжелее воздуха.
Так что похоже, что водороду найдется использование только на земле. Химики применяют его во множестве «восстановительных» реакций, например для превращения несъедобных овощных масел в полезные твердые жиры. А горючесть водорода нашла свое применение в водородных горелках, которые режут сталь, как масло.
Что же еще?
Несмотря ни на что, водород не сдался. Пламя горящего водорода заставило дирижабль рухнуть вниз, но оно же заставляет ракету лететь вверх! Конец эры дирижаблей совпал с началом эры ракет.
Обычный самолет может маневрировать только в воздухе, где содержится достаточное количество необходимого для сжигания топлива кислорода. Кроме того, воздух должен быть еще и достаточно плотен, чтобы поддерживать вес самой машины.
А вот ракета несет на борту и топливо, и кислород. Когда эти две составляющие объединяются, происходит взрыв и раскаленные газы вырываются из сопел вниз. По закону действия или противодействия, известному также как третий закон Ньютона в честь знаменитого английского ученого, открывшего этот закон в 1683 году, раз часть массы ракеты (газы) вылетает вниз, то вся остальная ракета должна лететь вверх, в противоположном направлении.
По мере того как выхлопные газы вылетают вниз, ракета движется вверх все быстрее. В конце концов она выйдет за пределы атмосферы (которая ей не нужна ни для поддержки, ни в качестве источника кислорода) и выйдет в космос.
Высота, на которую поднимется ракета, зависит, в частности, от того, каким образом выбрасываются выхлопные газы. Чем быстрее они вылетают (чем яростнее происходит реакция), тем больше скорость ракеты, а значит, и высота, на которую она поднимется. Поэтому ученые-конструкторы очень активно искали топливо, которое обеспечило бы наиболее бурную реакцию.
В первых ракетах, вроде игрушечных, что запускают на Четвертое июля, или почти игрушечных, которые применялись в военных действиях XIX века, топливом служил порох. В порохе содержится богатое кислородом вещество селитра, а также углерод и сера, которые под воздействием нагревания вступают в активную реакцию с кислородом селитры. То есть в порохе тоже соединены топливо и кислород.
Но порох — не очень мощное топливо. В 1926 году американский изобретатель Роберт Годдард понял, что с помощью жидкого топлива можно добиться большего. И 16 марта упомянутого года запустил на ферме своей тетушки Эффи в Обурне, штат Массачусетс, первую в мире реактивную ракету на жидком топливе. Использованное им горючее — смесь бензина с жидким кислородом — оказалось в пять раз мощнее, чем тротил. Вскоре ракеты на таком топливе стали подниматься на многие километры в воздух со сверхзвуковой скоростью.
Первыми ракету с реактивным двигателем придумали американцы, но зрелости эта идея достигла в Германии. Во время Второй мировой войны немцы создали боевую ракету «Фау-2». После войны, в 1946 году, мы вывезли к себе в США некоторых немецких конструкторов и взялись за дело всерьез. К сожалению, сам Годдард не дожил до этого всего год.
Сочетание бензина с кислородом продолжали использовать и далее, но ясно было, что эта смесь не является идеальным горючим. Изо всех видов химического топлива энергичнее всего горит водород (в сочетании с кислородом или фтором). Поэтому ракета на водородном топливе могла бы подняться гораздо выше и нести более тяжелый груз, чем на смеси бензина с кислородом той же массы.
Казалось бы, снова настал звездный час водорода, но оставалась одна проблема. В обычной форме водород использовать нельзя — килограмм водорода занимает 9 кубических метров, а объема в любой ракете маловато.
Поэтому надо было перевести водород в какую-то более компактную форму. Можно было бы добиться этого путем сжатия под давлением, но это сложно и опасно. Впрочем, существует еще один способ уменьшить газ в объеме без нагнетания давления — остудить его до жидкого состояния.
После Второй мировой войны компактный водород необходим был не только для ракетных двигателей — шли работы по созданию новой бомбы.
Обычная атомная бомба, выбрасывающая энергию за счет расщепления урана — вроде той, с помощью которой было сломлено сопротивление Японии, — в новой бомбе должна была служить лишь детонатором еще более страшного взрыва. Причиной последнего стало бы насильственное слияние атомов водорода в гелий. Такая бомба получила название «термоядерной», или «водородной».
Так что необходимость в больших количествах жидкого водорода имелась налицо. Однако на пути к достижению этой цели оставался ряд препятствий.
Водород — очень распространенное вещество. Именно атомы водорода составляют две трети от всех атомов как в бензине, так и в океанской воде. А в живой ткани, в том числе и в вашем собственном организме, водород составляет три пятых от общего количества атомов. Да и в земной коре почти каждый тридцатый атом — водород.
Однако сам по себе, не в соединении с другими элементами, водород не встречается. Выделение же атомов кислорода из различных молекул было поначалу процессом сложным и дорогим. Это делалось путем обработки некоторых металлов кислотами или пропускания электрического тока через воду — для скромных нужд XIX века таких технологий было достаточно.
Вскоре после Второй мировой войны представители группы нефтяных и газовых компаний собрались для разработки совместного проекта по производству горючего из природного газа. Ими была изобретена технология сжигания природного газа с последующим глушением пламени в нужный момент для того, чтобы реакция горения осталась незавершенной и вместо углекислого газа и воды ее продуктами оказались угарный газ и водород. Эти два газа при определенных условиях можно снова объединить с получением топлива.
Сработало. Но получение горючего таким образом оказалось экономически нерентабельным по сравнению с получением его из огромных естественных нефтяных месторождений, обнаруженных во время и после войны. Однако научная работа была проведена не зря. Разработанный учеными механизм оказался самым дешевым способом получения водорода.
Следовательно, когда в середине XX века возникла потребность в большом количестве водорода, ее было чем удовлетворить. А вот предоставить водород непременно в жидком виде оказалось сложнее.
На протяжении всего XIX века химики пытались сжижать газы. Некоторые, например хлор и диоксид серы, легко поддавались усилиям исследователей. Стоило чуть остудить их, и они сразу же переходили в жидкое состояние. Впрочем, достаточно было и некоторого увеличения давления, без снижения температуры.
Другие же газы, например кислород, азот и водород, упорно отказывались сжижаться, несмотря ни на значительное снижение температуры, ни на повышение давления. Их классифицировали как «постоянные газы». Однако уже в 1869 году химиками было обнаружено, что, если не опустить температуру ниже некоей «критической точки», то никакое давление не поможет перевести газ в жидкую форму. Получается, что для таких газов, как кислород, азот и водород, такая критическая точка находится на очень низкой отметке температурной шкалы.
Тогда химики сосредоточили свои усилия на снижении температуры, и к 1880-м годам удалось перевести в жидкую форму кислород и азот. Азот дался труднее. Жидкий азот закипает при -195 °С, а водород даже и при этой температуре остается газом.
И только в 1895 году английский химик Джеймс Дьюар сумел первым получить жидкий водород. Температура кипения этого вещества оказалась -53 °С, лишь на 20 градусов выше абсолютного нуля — самой нижней точки температурной шкалы.
Итак, оказалось, что жидкий водород получать можно, а если затратить достаточно усилий — его можно получать и в большом количестве. Однако еще на протяжении пятидесяти лет он оставался не более чем лабораторным курьезом.
Главной проблемой в отношении жидкого водорода было то, что эта жидкость крайне нестабильна и в любой момент может испариться. Самая тщательная лабораторная изоляция помогала лишь до определенной степени, поскольку жидкий водород сам по себе генерирует некоторое количество тепла.
Это явление заслуживает отдельного объяснения. При обычных условиях водород существует в виде скопления молекул, каждая из которых представляет собой пару атомов.
Каждый атом водорода состоит в основном из одной центральной постоянно вращающейся частицы, именуемой «протоном». В одних молекулах водорода протоны обоих атомов вращаются в одном направлении; в других — в противоположном. Первая разновидность водорода получила название «ортоводород», а вторая — «параводород». В обычном газообразном водороде три четверти молекул — это ортоводород, а оставшаяся четверть — параводород.
В молекуле ортоводорода содержится больше энергии, чем в молекуле параводорода. При переходе водорода в жидкую форму ортомолекулы постепенно превращаются в менее энергичные парамолекулы. Разница в энергетическом уровне орто- и параводорода в таком случае высвобождается в виде тепла.
Постепенное превращение ортомолекул в парамолекулы приводит к постепенному же нагреванию общей массы жидкого водорода и выпариванию последнего со скоростью один процент в час, даже если камера с водородом идеальным образом изолирована. Более того, если камера не вентилируется, то давление в ней может при этом возрасти до опасного уровня.
Напрашивается решение проблемы путем предварительного превращения всех ортомолекул в парамолекулы. Тогда мы получим чистый параводород, который, при должной изоляции, можно держать в жидком состоянии очень долго.
Существуют вещества, способные послужить катализаторами процесса и ускорить такое превращение. К примеру, уже в 1929 году было обнаружено, что ускорению нужного превращения способствует угольный порошок. А в 1952 году, когда нужда заставила, ученые выяснили, что с помощью особым образом обработанного оксида железа можно за несколько секунд превращать ортоводород в параводород в больших количествах.
После доработки процедуры в промышленных масштабах стало возможным массовое получение жидкого водорода в такой форме, когда в условиях должной изоляции путем испарения жидкость теряет один процент не за час, а за трое суток. Цена производства такого водорода упала до одного доллара за килограмм, и сейчас строятся заводы, где будет вырабатываться по двадцать и более тонн водорода в сутки. Потребность человечества в водороде удовлетворена полностью и останется удовлетворенной, несмотря на свой постоянный рост.
Кажется, брезжит еще один, новый способ использования водорода — для производства электроэнергии. Как правило, электричество вырабатывается генератором, работающим на тепловой энергии горящего угля или мазута (или на энергии падающей воды). При переходе энергии из тепловой формы в электрическую значительная часть ее неизбежно теряется. Если бы можно было объединять топливо с кислородом напрямую в единой электрической батарее (так называемой «топливной батарее»), то весь процесс в целом можно было бы сделать более эффективным.
В экспериментах по созданию топливных батарей испытывались различные виды топлива: угольный порошок, угарный газ, метан. Трудности практического характера, лишающие такие батареи экономической рентабельности, велики, но преодолимы. Наиболее перспективной кажется на сегодняшний день водородно-кислородная топливная батарея. Такие батареи уже работают, по крайней мере в небольших масштабах, и, возможно, не за горами тот день, когда с помощью водорода электричество станет, таким образом, дешевле и доступнее.
После войны жидкий водород получил новое, экзотическое применение в пузырьковых камерах, предназначенных для отлавливания странных короткоживущих ядерных частиц, производимых мощными современными машинами, расщепляющими атомы. Изобрел эти камеры в 1952 году американский физик Дональд Глейзер. Одна пузырьковая камера находится в Калифорнийском университете — она имеет длину 1,2 метра и содержит 570 литров жидкого водорода.
Но и для топливных батарей, и для пузырьковых камер требуется сравнительно немного жидкого водорода. Основной расход всего жидкого водорода, который может произвести современная промышленность, — это использование в качестве топлива ракет и реактивных двигателей. В частности, жидкий водород может питать энергией те огромные ракеты, что унесут человека на Луну.
Одна из причин, побуждавших государства после войны в спешке производить жидкий водород в огромных объемах, исчезла. Да, в первых примитивных водородных бомбах действительно использовался жидкий водород, но это оказалось непрактичным. Соблюдение требований к изоляции приводило к настолько значительному увеличению размера и веса бомбы, что она превращалась в нечто чудовищное и неподъемное.
Очевидным выводом стало использование не самого водорода, а соединения водорода с легким металлом — литием. Соединение это, гидрид лития, оказалось не менее взрывчатым после взрыва запала, чем сам водород. При этом гидрид лития является твердым веществом при обычной температуре, представляя собой, таким образом, хранилище водорода в компактном виде безо всякой изоляции или нагнетания давления. В таком виде водородная бомба сразу стала готовой к размещению на борту самолета или в ракетной боеголовке.
Мы все, конечно, надеемся, что водородная бомба никогда не будет использована. Но вот другой вариант применения процесса слияния ядер водорода, напротив, является предметом надежд всего человечества. Если человек научится управлять этим процессом и сможет сделать его медленным и постоянным, то все энергетические потребности человека будут удовлетворены на неопределенный срок.
Необходимо всего лишь поднять температуру некоторого объема водорода до точки, при которой начнется слияние, а дальше процесс станет поддерживаться самостоятельно. Причем желательно обойтись при этом без атомной бомбы. Решить эту задачу было бы легче, если бы можно было заставить атомы водорода вступать в слияние при как можно более низкой температуре.
Этого можно добиться, если использовать водород достаточно редкого вида. Я уже упоминал о том, что в атоме водорода содержится частица, именуемая протоном. Однако примерно в одном атоме водорода из 7 тысяч содержится, помимо протона, еще одна частица, получившая название «нейтрон». Атом водорода, чье ядро содержит и протон, и нейтрон, имеет массу в два раза больше обычного атома, за что его и назвали «тяжелым водородом», или «дейтерием» (от греческого «второй», поскольку он содержит еще и «вторую», «дополнительную» частицу).
Дейтерий открыл в 1932 году американский химик Гарольд Юри. Разница в массе в два раза позволяет сравнительно легко выделить этот элемент из общей водородной массы, но в течение десяти лет его продолжали считать не более чем академически любопытным отклонением от нормы. И только во время Второй мировой войны выяснилось, что вода, в состав которой входит дейтерий (так называемая «тяжелая вода»), может представлять собой важный элемент ядерного реактора.
Но мало того — уже после войны выяснилось, что слияние дейтерия происходит гораздо легче, чем слияние обычного водорода. Поэтому при всех попытках овладеть реакцией слияния водорода стал использоваться только дейтерий.
Но даже в этом случае речь все еще идет о температуре в миллионы градусов, при которой атомы дейтерия распадаются на смесь элементарных частиц, именуемую «плазмой». Температура плазмы слишком высока, чтобы можно было давать ей соприкасаться со стенками камеры, из какого бы материала она ни была сделана. Но, пользуясь тем, что плазма электрически заряжена, ученые сумели удержать ее на месте не стенками, а электромагнитными полями.
Проблема сложная, но с каждым годом нам удается поднимать температуру дейтерия все выше и удерживать ее все дольше. Не за горами тот день, когда человек полностью овладеет слиянием водорода.
А тогда, может быть, еще до конца XX века по всей Земле появятся принципиально новые электростанции. Питаться они будут от небольших камер с жидким дейтерием, которые повсеместно придут на смену вагонеткам с углем и танкерам с нефтью. И именно водород, в той или иной форме, сможет не только пронести человека к звездам, но и помочь ему преодолеть бедность и несчастье на самой Земле.
Глава 11
ДА БУДЕТ НОВЫЙ СВЕТ!
В 1960 году американский физик Теодор Гарольд Мейман подверг брусок искусственного рубина облучению ярким светом. Оказалось, что поглощаемый материалом свет снова испускается наружу, но в измененном виде. Теперь весь свет представлял собой тонкий луч насыщенного красного цвета, исходящий из торца бруска.
Такого света еще никто никогда не видел. Более того, такого света раньше никогда не существовало ни на Земле, ни где-либо еще во всей Вселенной — насколько нам известно. Искусственный рубин Меймана стал первым в мире лазером — устройством, в котором мы сегодня видим как луч смерти, так и волшебный инструмент для хирургии, фотографии, коммуникаций, изучения космоса и еще с полдесятка областей.
Что же такого уникального в этом лазерном луче? С виду — просто цветной луч, каких и раньше люди видели предостаточно. Значит, есть в нем что-то, невооруженным глазом неразличимое? Чтобы понять, что именно, надо сначала вкратце рассказать о природе обычного света.
Представим себе свет как поток волн. Резонно было бы задаться в таком случае вопросом: «волн в чем?», и этот вопрос поставил бы нас в тупик, но сейчас мы в такие тонкости углубляться не будем. Просто представим себе некие волны, и все.
Не стоит думать, что представить свет в виде волн — значит нарисовать волнистую линию вдоль всей протяженности луча света. Свет от далеких звезд попадает к нам через триллионы километров, так что «вся протяженность» окажется в таком случае немалой. Вместо этого, представим себе волны разбитыми на маленькие отрезки, по несколько колебаний на каждом. В дальнейшем мы будем называть эти отрезки «фотонами», от греческого слова, означающего «свет».
Фотоны очень малы. Сорокаваттная лампочка, свет от которой, как мы все сами видели, слаб и тускл, испускает около квинтиллиона (1 000 000 000 000 000 000) фотонов в секунду.
Между собой фотоны не всегда одинаковы. Самое важное отличие одних фотонов от других в том, что одни несут больше энергии, чем другие. В подробности того, «что такое энергия», мы сейчас углубляться тоже не будем, ограничившись утверждением о том, что фотон с более высоким энергетическим содержанием может делать нечто, чего фотон с более низким делать не может.
К примеру, красный свет состоит из фотонов, энергия которых в два раза меньше, чем энергия фотонов фиолетовых. Попадая на обычную фотопленку, фотоны красного света, не имея на то достаточно энергии, не производят никаких химических изменений в покрывающем пленку составе. Если же на пленку попадают более энергетически насыщенные фотоны фиолетового света, то химикаты состава распадаются и пленка затуманивается.
Именно поэтому в фотолабораториях, где проявляют и печатают фотографии, используется освещение красным светом. Ведь такой свет безвреден для пленки.
В солнечном свете содержатся фотоны с самым разнообразным энергетическим содержанием. В нем присутствуют все фотоны, способные воздействовать на сетчатку наших глаз, которую можно рассматривать как живую и очень сложную фотопластинку, а кроме того — фотоны недоступного нашим глазам инфракрасного света, несущие меньше энергии, чем любой видимый свет, и также невидимого ультрафиолетового света, несущие больше энергии, чем фотоны любого цвета, доступного глазу. В целом же все формы света, как видимого, так и невидимого, можно рассматривать также как электромагнитное излучение.
Фотоны ультрафиолетового света несут так много энергии, что могут повредить сетчатку, именно поэтому опасно долго смотреть прямо на солнце. Энергии, содержащейся в фотонах ультрафиолетового света, хватает даже для того, чтобы приводить к химическим изменениям в нашей коже, благодаря чему кожа обретает загар.
Фотоны рентгеновских лучей и гамма-излучения, несущие энергии еще больше, чем ультрафиолет, могут пробивать путь прямо сквозь тело человека. Если при этом они повреждают определенные молекулы, то производимые при этом химические реакции приводят к тяжелым, часто смертельным последствиям для здоровья. Именно поэтому людям, работающим с радиоактивными веществами, и сотрудникам атомных электростанций приходится соблюдать столько предосторожностей, чтобы не подвергнуться облучению.
Раз мы представили фотоны короткими отрезками волн, то пора объяснить, чем же фотоны с высоким содержанием энергии отличаются от фотонов с низким. Обратим внимание на длину каждого отдельного колебания. Представим себе отрезок волны длиной в один дюйм и нарисуем столь плавный ее изгиб, что на всю длину получится только одно колебание. А рядом нарисуем другой отрезок, тоже длиной в один дюйм, но теперь на этом дюйме будет умещаться десять колебаний.
Количество колебаний на участке волны определенной длины является для этой волны важной характеристикой — частотой. Частота волны, в которой на дюйм приходится десять колебаний, — в десять раз выше, чем волны, где одно колебание занимает целый дюйм длины.
Чем больше энергетическое содержание фотона, тем выше частота соответствующего света. В фотоне красного света на сантиметр волны приходится около 14 000 колебаний, фиолетового — вдвое больше, около 28 000. Разница в частоте световых волн видимой части спектра и обеспечивает нам ощущение разных цветов.
Теперь давайте разберемся, откуда же берутся эти фотоны? Для этого нам придется рассмотреть строение самой материи, из которой состоит Вселенная.
Материя состоит из крошечных частиц, которые называют атомами. Атомы, как и более мелкие частицы, входящие в их состав, как и более крупные частицы, в состав которых входят сами атомы, содержат энергию. Чаще всего энергия проявляет себя движением — частицы, обладающие большей энергией, движутся или вибрируют быстрее.
Частицы материи не просто «могут обладать энергией» — они могут обладать лишь определенными ее объемами. Частицы каждого конкретного вида могут обладать энергией в типичном для них объеме, и ни в каком другом. Поэтому можно говорить о том, что каждая частица имеет некий характерный для нее энергетический уровень. Частица может иметь тот или иной, более низкий или более высокий, энергетический уровень, но ни в коем случае не некий промежуточный.
Можно провести аналогию с мелкой монетой. Если у вас в кармане звенят пятицентовики, то у вас может быть в общей сумме 45 или 50 центов, но 47 центов у вас быть не может. Если же ваши монетки — сплошь четвертаки, то 50 центов у вас в кармане по-прежнему может оказаться, а вот 45 — уже нет.
При сгорании куска дерева энергия, высвобождаемая при реакции соединения частиц дерева с частицами воздуха, переходит в энергию окружающего воздуха. Все частицы выбрасываются наружу с высоким уровнем энергии.
Однако они не сохраняют высокий уровень энергии навсегда. Все частицы имеют склонность к пребыванию на как можно более низком энергетическом уровне. Поэтому вскоре частицы, поднятые на высокий энергетический уровень, возвращаются обратно на низкий. При этом они отдают энергию в окружающее пространство в виде фотонов.
Если бы все частицы окружающей среды вокруг горящего дерева были бы одинаковы и все поднимались на один и тот же высокий энергетический уровень и возвращались на один и тот же низкий, то все отдаваемые фотоны имели бы одно и то же энергетическое содержание и одну и ту же частоту.
Но это не так. Дополнительную энергию получают абсолютно все виды частиц, и количество получаемой ими энергии может оказаться самым разным. Соответственно фотоны отдаются очень разные — некоторые из них (меньшинство, правда) лежат в видимой части спектра, поэтому пламя костра освещает окрестности. В солнечном свете тоже присутствуют фотоны самых различных частот, поэтому в нем представлен практически полный спектр всего света, который только существует в природе. Еще пару десятилетий назад ученые считали, что эта мешанина частот является практически неотъемлемым свойством любого света.
Теперь предположим, что все частицы, с которыми мы имеем дело, принадлежат исключительно к одному типу и что все молекулы, таким образом, получают один и тот же невысокий уровень энергии.
В таких условиях отдельные частицы постоянно будут то набирать достаточно энергии, чтобы переместиться на следующий энергетический уровень, то снова терять набранный излишек энергии в виде фотона определенной частоты. Среди рассматриваемых частиц всегда будут такие, которые уже набрали энергию и находятся в данный момент в процессе ее потери. Так что из такой системы всегда будут испускаться фотоны, причем одной и той же частоты, и в результате мы будем иметь луч постоянной частоты.
К примеру, было обнаружено, что аммиачный газ можно заставить испускать определенное низкочастотное излучение, получившее название «микроволна». Частота микроволнового излучения от аммиака — меньше одного колебания на сантиметр. Сравните с 14 000 колебаний красного света!
Эти колебания — ровны и неизменны. Они постояннее, чем колебания любых рукотворных маятников или даже небесных тел. В 1949 году американский физик Гарольд Лайонс показал, как можно с помощью этих колебаний управлять изменением времени, и изобрел атомные часы, гораздо более точные, чем любые другие часы, известные на тот момент. Но с помощью такого излучения можно не только измерять время.
Частицы, из которых состоит аммиак, перескакивают с более низкого энергетического уровня на более высокий тогда, когда поглощают фотон с соответствующим содержанием энергии. Но что происходит, если фотон попадает в частицу, которая уже и так имеет высокое энергетическое содержание? Может быть, оно становится еще выше? Нет!
В 1917 году Альберт Эйнштейн показал, пользуясь чисто теоретическими доводами, что, если фотон соответствующего энергетического значения попадет в частицу, уже находящуюся на высоком энергетическом уровне, он не будет поглощен; напротив, частица, в которую он попадет, снова перескочит обратно на нижний энергетический уровень.
При этом молекула, перемещающаяся уровнем ниже, испускает еще один фотон, в точности равный тому, который в нее попал. Более того, даже двигаться этот фотон будет в том же направлении, что и первый. В результате получится, что после удара фотона в молекулу мы будем иметь два фотона одной и той же частоты, движущиеся вместе.
Что же произойдет, если каждый из этих двух фотонов попадет в некие частицы, уже находящиеся на высоком энергетическом уровне? Каждая из них будет сброшена на более низкий энергетический уровень и при этом испустит по фотону, таким образом, всего мы будем иметь четыре фотона одинаковой частоты, движущиеся все вместе. Соответственно, если они все тоже попадут по частицам, находящимся на высоком энергетическом уровне, количество летящих вместе фотонов снова удвоится и т. д.
В обычных обстоятельствах вероятность такого хода событий крайне мала, поскольку на высоком энергетическом уровне частицы пребывают очень недолго. В любой отдельно взятый момент большинство частиц газа, скажем аммиака, находится на низком энергетическом уровне и, соответственно, вероятность попадания фотона в низкоэнергетическую частицу гораздо выше, чем в высокоэнергетическую.
Но американский физик Чарлз Гард Таунс придумал, как отделить частицы с высоким энергетическим уровнем от частиц с низким с помощью электрически заряженного устройства. В 1953 году ему удалось заполнить небольшую ячейку частицами аммиака, находящимися исключительно на высоком энергетическом уровне. Попадая в такую ячейку, фотон определенного размера неизбежно порождает путем попадания по частице еще один подобный себе фотон, затем — еще два, затем — еще четыре и т. д., по описанной выше схеме.
Один-единственный фотон может запустить лавину одинаковых фотонов за долю секунды. Соответственно, такое устройство можно использовать в качестве усилителя. Допустим, что из некоей точки в небе исходит очень слабое излучение, настолько слабое, что никакие приборы его не улавливают. Если это излучение попадает в ячейку, наполненную молекулами аммиака, находящимися на высоком энергетическом уровне, то оно вызовет лавинообразное испускание фотонов, которое уже нельзя будет не заметить, а уже из этого факта можно будет сделать вывод о существовании первоначального фотона, который эту лавину вызвал.
Таунс назвал свое устройство «мазер» (maser), от первых букв английских слов в словосочетании microwave amplification by stimulated emission of radiation — «микроволновое усиление путем стимулированного испускания излучения».
Мазер с аммиаком будет работать только с фотонами одной определенной частоты, но ведь аммиак — не единственное вещество, на котором может работать мазер. Были найдены твердые вещества, в которых используются другие сочетания энергетических уровней. Короче говоря, ученые разработали мазеры для фотонов самых разных частот.
Сначала все мазеры могли работать только по сессиям. Систему надо было сначала каким-то образом наполнить частицами с более высоким энергетическим уровнем, а затем входящий фотон всю ее разряжал, и мазер переставал работать, пока его снова не наполнить частицами с высоким уровнем.
Голландско-американский физик Николас Бломберген сумел обойти эту проблему путем введения системы с тремя уровнями — низким, средним и высоким. Систему наполняют высокочастотными фотонами, способными перевести содержащиеся в мазере атомы с низкого уровня на высокий. Вторая группа фотонов, более низкой частоты, сбивает систему сначала с высокого уровня на средний, а потом — со среднего на низкий. Оба процесса могут проходить независимо друг от друга, так что получается, что одновременно первая группа фотонов поднимает систему на более высокий энергетический уровень, а вторая — сбивает на более низкий. В целом вся система работает, таким образом, непрерывно.
Однако нет никаких причин ограничиваться микроволновым излучением. Почему бы не начать работать на других энергетических уровнях, чтобы производить более энергичные фотоны, частоты которых окажется достаточно для производства видимого света? Мазер, производящий такой видимый свет, получил название «оптического мазера», или «лазера» (это слово образовано по тому же принципу, что и мазер, но вместо «м» от microwave — «микроволновый», в нем используется «л» от light — «световой»).
В 1958 году Таунс указал, что создание лазера теоретически вполне возможно, а в реальности это устройство впервые создал Мейман, о чем я уже написал в начале главы. Первый лазер Меймана работал по прерывистой схеме, и после быстрой разрядки его приходилось снова заряжать энергией. Однако не успел закончиться 1960 год, как физик Али Джаван в лаборатории Белла уже создал постоянный лазер.
Теперь понятно, чем свет лазерного луча отличается от любого другого известного нам света.
Во-первых, лазерный луч состоит из очень сильного света. При порождении обычного светового излучения испускаются фотоны самых разных частот, а лазерный луч состоит из совершенно одинаковых фотонов. Лишь малая их часть принадлежит видимому отрезку светового спектра.
Во-вторых, лазерный луч очень однороден. Обычный свет состоит из фотонов самых разных частот, а лазерный луч — из совершенно одинаковых фотонов. Поэтому на всем своем протяжении луч имеет один ровный цвет. Такой цвет называется «монохромным» (от греческих слов «один» и «цвет»).
В-третьих, лазерный луч очень узок. Фотоны обычного света движутся во все стороны, и луч обычного света из-за этого трудно удержать от рассеивания. А фотоны лазерного луча движутся все строго в одном и том же направлении. Поэтому обычный свет можно уподобить толпе людей, каждый из которых движется туда, куда надо лично ему, а луч лазера — колонне марширующих в ногу солдат.
Естественное стремление фотонов лазерного луча двигаться в одном и том же направлении подчеркивается и устройством производящей его трубки. Концы этой трубки сделаны со всей возможной точностью плоскими, ровными и параллельными. Один из них посеребрен и представляет собой идеальное зеркало, а второй посеребрен лишь слегка. Когда механизм лазера запускает производство фотонов, они движутся тоже во всех направлениях. Большинство таких фотонов сразу же свободно уходят сквозь стенки трубки. Однако те, которые оказываются направленными вдоль трубки, попадают сначала на одно отражающее зеркало, потом, отразившись от него, — на второе, оттуда — опять на первое, все время по пути лавинообразно порождая новые фотоны, движущиеся в том же направлении.
В конце концов, когда фотонов становится достаточно много, их лавина прорывается сквозь тот конец трубки, что посеребрен лишь слегка, и получается лазерный луч. Составляющие этот луч фотоны настолько одинаковы между собой по частоте и направлению, что переходят один в другой практически незаметно, так что весь луч можно изобразить как одну непрерывную волну. Такое излучение называют «когерентным», от английского слова, означающего «сцепленный, связанный».
Состоящий из когерентного света лазерный луч практически вообще не рассеивается. Пронизывая пространство, он тратит крайне мало энергии. Лазерный луч можно сфокусировать так, чтобы попасть им в чашку кофе, находящуюся на расстоянии в тысячу километров. В 1962 году лазерный луч, запущенный с Земли, достиг Луны. При этом он рассеялся до диаметра в три километра, пройдя расстояние примерно в четыреста тысяч километров.
Уникальным свойствам лазерного луча может найтись масса интересных применений. В частности, узость луча позволяет сфокусировать на малой площади достаточно большую энергию. Температура на этой площади так быстро возрастает до критических значений, что требуется прилично поработать, чтобы тепло успело в достаточном объеме улетучиться, не нанеся вреда.
В связи с этим лазер может стать средством профилактики некоторых глазных болезней — им можно успеть скрепить ослабевшую сетчатку так быстро, что окружающие ткани не успеют пострадать от высокой температуры. Точно так же можно уничтожать и опухоли на коже, не обжигая здоровой кожи.
Лазером можно выпарить кусочек металла, а пар — быстро подвергнуть спектрографическому анализу; можно быстро и чисто пробуравить отверстие в металле или даже в драгоценном камне. Возможно, с помощью лазерного луча удастся когда-нибудь добиться и температур, достаточно высоких, чтобы запустить управляемую реакцию слияния ядер водорода, и решить таким образом раз и навсегда энергетическую проблему (см. главу 10).
Разумеется, к сожалению, все то же самое, что и с куском металла, лазер может сделать и с человеком. В 1965 году были разработаны лазеры, в которых частицы подталкиваются на высокий энергетический уровень с помощью химических реакций. Значит, мы можем представить себе и пистолет, в котором энергия химической реакции будет не толкать по стволу свинцовую пулю, а испускать вспышку лазерного луча. Такой луч бесшумно поразит человека намертво, не оставив следов и улик в виде пули, по которой можно было бы впоследствии произвести трасологическую экспертизу. Вот это получился бы воистину тот самый луч смерти, о котором столько писали в фантастических рассказах.
А если появятся лазерные пистолеты, то почему бы не появиться и лазерным пушкам? Вспышка излучения огромного лазера вполне сможет продырявить броню танка или корабля. Такой «снаряд», состоящий из света, пролетит точно по прямой к цели со скоростью 300 000 километров в секунду, и не будут ему помехой ни ветер, ни температура, ни вращение Земли, ни сила тяготения, ни любой другой параметр из тех, что осложняют прицел материальных снарядов.
В качестве оружия дальнего радиуса действия луч смерти имеет ряд ограничений. Облака, туман, дым или пыль могут рассеять и ослабить его. А идеально прямая траектория делает неуязвимой для такого оружия любую цель, расположенную за горизонтом, ведь луч не будет изгибаться, повторяя округлость земной поверхности.
Но если попытаться заглянуть в будущее, можно увидеть там все условия для использования лучей смерти в космосе. В вакууме, лежащем за пределами атмосферы, нет ни облаков, ни тумана, ни пыли и никакие горизонты не ограничивают область применения оружия. Ожидают ли человечество в будущем, несколько поколений спустя, межзвездные баталии, где космические корабли будут обмениваться вспышками лазерных орудий и любое попадание будет означать смертельное поражение цели?
Для создания таких мощных лазерных лучей потребуется очень много энергии, но сейчас идет работа над созданием лазеров, которые будут получать энергию из солнечного света. В космическом пространстве Солнце никогда не скрывается и не заходит за тучу, так что там его энергия всегда под рукой.
Но будем надеяться, что к тому моменту общество созреет до такой степени, что лазерное оружие, ни тяжелое, ни легкое, никогда не будет использовано. Лазерному лучу найдутся и мирные способы применения. Например, можно использовать лазер в сфере коммуникаций, которая сейчас полагается на низкочастотные фотоны микроволн и радиоволн.
Эти низкочастотные фотоны можно модулировать, то есть заставлять поток фотонов регулярным образом изменяться для того, чтобы производить с их помощью механические вибрации диафрагмы, которые, в свою очередь, порождают звуковые волны в воздухе. Аналогично с помощью колебаний электрического тока можно порождать свет с изменяющейся заданным образом интенсивностью. Таким образом мы получаем радио и телевизионное изображение, тоже сопровождаемое звуком.
Чтобы сигналы разных передач не путались между собой, их следует передавать с помощью фотонов достаточно сильно различающихся между собой частот. В низкочастотном диапазоне спектра таких четко разделяемых участков мало, поэтому количество теле- и радиоканалов, способных вещать в длинноволновом диапазоне, ограниченно.
Если же использовать в качестве передаточных волн свет, частота которого гораздо выше, то появится возможность для передачи гораздо большего количества различных сигналов одновременно. Для наглядности представим себе, что диапазон радиоволн — от 1 до 10, а диапазон световых волн — от 1 000 000 000 до 10 000 000 000. И в том и в другом случае последняя цифра в десять раз больше, чем первая, но в первом случае в разницу между ними укладывается только десять целых чисел, а во втором — девять миллиардов и одно.
Для того чтобы служить каналом передачи информации, излучение должно иметь упорядоченную частоту и четкую направленность. Добиться этого от длинных радиоволн было несложно, но для очень коротких и высокочастотных световых волн — невозможно. Пока не появился лазер. Остается проблема модуляции световых волн лазерного луча, но над ней сейчас активно работают. В 1965 году в Нью-Йорке была создана рабочая установка, в которой по одному лазерному лучу толщиной в карандаш через целую комнату транслировались семь телевизионных каналов одновременно.
Придет ли время, когда лазерный луч будет служить человечеству, направляемый и усиливаемый с помощью специальных коммуникационных космических спутников? Если это случится, то таким образом можно будет передавать все существующие в мире теле- и радиоканалы и останутся ресурсы еще на сколько угодно новых.
Атмосферные помехи не будут оказывать никакого влияния в космосе. Космические корабли и орбитальные станции смогут основывать на лазерной связи все коммуникации друг с другом и со станциями на безвоздушных небесных телах (например, на Луне).
Передавать таким образом можно не только словесную информацию. Будучи абсолютно прямым, лазерный луч может стать средством четкого географического позиционирования одного корабля или станции по отношению к другому такому же объекту. Более того, отразившись от обследуемого объекта, луч немного изменит свою частоту в зависимости от того, удаляется объект или приближается, и насколько быстро при этом движется. Таким же образом по изменению частоты луча можно будет определить, вращается ли обследуемый объект, и если да, то с какой скоростью.
Конечно, запустить для обследования далекого предмета можно и обычный свет — если только его удастся каким-то образом сжать в плотный луч, обладающий достаточной энергией, чтобы преодолеть большое расстояние и вернуться обратно отраженным без значительных потерь. Но обычный свет состоит из фотонов столь широкого спектра частот, что в нем невозможно будет заметить те малые изменения частот, о которых идет речь. Представим себе толпу людей, где все куда-то спешат по своим делам. Если каждый в такой толпе сделает шажок влево, скорее всего, на фоне общего мельтешения это пройдет незамеченным. Если же колонна марширующих солдат сдвинется на тот же шаг влево, то это невозможно будет упустить. Думаю, аналогия достаточно наглядна.
Так что вполне вероятно, что к тому моменту, когда космическая эра достигнет своей зрелости, все коммуникации, которые неизбежно при этом возрастут до невероятных объемов, будут осуществляться с помощью лазерных лучей. Лучи эти будут непрестанно сновать в пространстве от одного форпоста человечества к другому. Скорее всего, без использования лазера полноценное освоение космоса попросту не состоится.
Но давайте спустимся с небес на землю. Область применения лазера, лежащая в самой ближайшей перспективе, — фотография. При обычном фотографировании свет записывается на пластинку или пленку благодаря оказываемому им воздействию на соответствующие химикаты. Чем ярче свет, тем сильнее его воздействие. Значит, на химических веществах образуется рисунок, соответствующий тому шаблону света и теней, который отображают световые волны, испускаемые или отражаемые предметом. Этот рисунок и есть фотография.
Теперь предположим, что лазерный луч попадает на зеркало, а с зеркала отражается без искажений на фотографическую пластинку. Одновременно с этим другой лазерный луч отражается от некоего фотографируемого предмета и тоже попадает на фотопластинку, но уже в искаженном виде. Искажение объясняется тем, что поверхность предмета неровна и отражается только часть луча, а другая часть — поглощается при попадании на предмет. Кроме того, отраженная часть луча еще и рассеивается, отражаясь в различных направлениях.
На фотографической пластинке оба луча, сохранившийся и искаженный, встречаются. При этом записывается, как и при обычной фотографии, общая яркость света. При пересечении и наложении друг на друга волн обоих лучей тоже вырисовываются точные подробности фотографируемого предмета. Такое наложение называется «интерференцией». На пластинке в таком случае запишется не только яркость света, но и шаблон интерференции.
Физики теоретически предполагали такую возможность уже много лет назад, но обычный свет не подходит для таких целей. Многочисленные разночастотные фотоны обычного света, двигаясь в различных направлениях, произвели бы такую мешанину интерференции, что извлечь из нее полезную информацию оказалось бы просто невозможно.
Но вот с помощью лазерного луча уже можно воспроизвести четкий рисунок интерференции, зависящий только от природы фотографируемого предмета. На пластинке сохраняется информация и о яркости света, и об интерференции — и такой фотографический процесс получил название «голография», где «голо-» означает «целостный».
Но при взгляде на саму пластинку мы ничего пока не поймем. Рисунок интерференции — микроскопичен.
Если теперь через эту пластинку, именуемую голограммой, пропустить лазерный луч, то образуется изображение, соответствующее первоначально сфотографированному предмету. Оно может быть частично трехмерным, если сфотографировать его под разными углами. Впервые это было осуществлено в 1964 году, а к 1966-му уже отпала необходимость в лазерном луче для создания изображения — теперь это можно делать и с помощью обычного света, так что весь процесс стал дешевле и практичнее. Однако в целом лазерный луч все же остается необходимым — для воспроизведения самой голограммы.
Теперь можно сфотографировать голографическим образом быстро движущийся предмет или, скажем, короткоживущий предмет, чтобы потом не торопясь изучить его голограмму (предоставляющую, понятно, гораздо более подробную информацию, чем просто фотография). Да и подробности на голограмме просматриваются гораздо четче, так что ученые ждут не дождутся появления микроскопической голографии, чтобы с небывалой прежде ясностью изучить микромир.
А может быть, придет день, когда голография будет настолько хорошо разработана, что полноценное трехмерное изображение можно будет транслировать по телевидению. Тогда на смену плоскому черно-белому изображению придет полностью правдоподобное трехмерное цветное представление.
Дождемся ли мы, чтобы при очередном конкурсе на звание «мисс Америка» красотки дефилировали из одного угла нашей собственной комнаты в другой? Даже если не забывать о том, что это лишь бестелесные изображения, бесплотные порождения лучей света, — все равно было бы неплохо!
Глава 12
ОКЕАН-ШАХТА
Наши шахты истощаются. При этом население растет скачкообразными темпами, а промышленность — еще большими, так что полезных ископаемых Соединенных Штатов хватит ненадолго. Самые богатые наши месторождения меди исчерпаны. Приходится искать способы довольствоваться более бедными рудами.
Но все не так уж плохо. Что касается некоторых видов полезных ископаемых, то их самое богатое и обширное месторождение находится прямо у наших дверей и к его разработке никто еще даже не приступал.
Речь идет об океане.
Площадь Мирового океана — более 360 000 000 квадратных километров, он занимает около семи десятых всей земной поверхности. Его средняя глубина — 3,7 километра, так что приблизительно можно сказать, что общий запас морской воды на Земле — 1 332 000 000 кубических километров.
Месторождением полезных ископаемых океан можно считать благодаря тому факту, что все эти миллионы кубических километров состоят не из одной лишь воды. Каждый, кто хоть раз в жизни купался в океане, знает, что океан — это не только вода. У «просто воды» вкус совершенно не такой.
На самом деле собственно вода составляет 96,75 процента состава океанской воды, а в этих 96,75 процента растворено 3,25 процента твердых веществ. Это очень много в абсолютном исчислении, — чтобы осознать, насколько много, нам не нужно даже рассматривать весь океан. Обойдемся и бассейном морской воды.
Итак, представим себе бассейн 15 метров в длину и 9 метров в ширину средней глубиной 1 метр 80 сантиметров. Если наполнить его морской водой, то в него поместится 285 тонн жидкости и девять с четвертью тонн из них будут составлять растворенные в воде твердые вещества. Если теперь всю воду из бассейна выпарить, то на дне останется девять с четвертью тонн осадка. Немало для скромного бассейна, верно?
Как явствует из вкуса морской воды, большую часть растворенных в ней твердых веществ составляет обычная поваренная соль — хлорид натрия. Так что одной поваренной соли на дне нашего бассейна останется 7,75 тонны; кроме этого, еще три четверти тонны будут весить соединения хлора с другими веществами, не с натрием.
Но даже если отбросить хлористые соединения, в нашем высушенном бассейне все еще останется три четверти тонны веществ, не имеющих отношения ни к натрию, ни к хлору. После соответствующей обработки из этого остатка мы извлечем 340 килограммов магния, 225 килограммов серы, 105 килограммов кальция, 100 килограммов калия, 16 килограммов брома и около 12 килограммов прочих веществ, среди которых — практически все элементы таблицы Менделеева: медь, серебро, золото, уран и даже радий.
Разумеется, не все так просто. Чтобы извлечь минералы из океана, необходимо собрать отдельные рассеянные атомы, а для этого требуется затратить энергию. Чем меньше концентрация искомого вещества в растворе, тем больше необходимо энергии затратить на его извлечение. От этого никуда не деться.
К счастью, во многих случаях само Солнце уже выполнило за нас часть работы. Периодически в результате геологических процессов получается так, что неглубокое море оказывается отрезанным от океана вздыбившейся косой суши. Если климатические условия способствуют тому, чтобы вода в получившемся внутреннем море испарялась быстрее, чем реки способны восполнять ее запасы, то оно постепенно высыхает и содержащаяся в нем соль становится все более сконцентрированной. В конечном итоге море может пересохнуть полностью, оставив после себя на поверхности все когда-то растворенные в ней твердые вещества.
Соляные копи — это остатки высохших когда-то морей. А нам известно, как велико значение соли. Ее не только кладут в пищу (что, впрочем, уже само по себе необходимо). Для нее существуют сотни способов промышленного применения. Именно поваренная соль является главным сырьем для производства таких важных химических веществ, как газообразный хлор, соляная кислота, гидроксид натрия, карбонат натрия, и многих других, каждое из которых, в свою очередь, тоже имеет множество применений.
Если внутреннее море пересыхает медленно, то соль откладывается слоями. Это происходит потому, что хлористый натрий — одна из самых слаборастворимых солей, содержащихся в морской воде. И она же присутствует в море в наибольшей концентрации. Поэтому по мере постепенного высыхания моря хлористый натрий начинает выпадать в осадок уже тогда, когда для сохранения других веществ в растворенном виде воды еще вполне достаточно. А на последних стадиях высыхания моря уже и другие вещества начинают осаждаться поверх хлористого натрия. Таким образом, Солнце не только отбирает минералы у моря для нас, но даже сортирует их для нашего удобства.
В качестве известного примера процесса подобного расслоения можно назвать соляные месторождения под Стассфуртом в Германии. Это было самое лучшее в мире месторождение калиевых солей, и поэтому калиевые соли в Германии стоили дешевле, чем где-либо в мире. На севере Чили есть высохшие соляные озера, которые служат богатыми источниками нитрата натрия и нитрата калия. До Первой мировой войны эти месторождения служили главным источником нитратов, необходимых для производства удобрений и взрывчатых веществ.
Существуют также и соляные озера, еще не пересохшие окончательно. По периметру этих озер уже образовались соляные месторождения, а вода в них содержит очень высокие концентрации растворенных веществ. Самыми известными примерами такого рода являются Мертвое море в Израиле и Большое Соленое озеро в штате Юта. Минералы Мертвого моря — важный ресурс Израиля.
Кроме того, на свете есть множество солончаков и подземных водоемов с соленой водой, из которых добывают в промышленных масштабах, к примеру, йод.
Но вернемся к самому океану — насколько реально действительно добывать минералы непосредственно из него? Смогут ли ученые разработать искусственный аналог процессу пересыхания?
Возможно. Как минимум два вещества уже добываются из морской воды в необходимом количестве.
Одно из них — магний. Его атомы являются третьими по распространенности в морской воде после атомов натрия и хлора. Извлекают его следующим образом: морскую воду закачивают в огромные резервуары, куда добавляют окись кальция (негашеную известь). Кстати, сама окись кальция берется тоже из моря, ведь ее получают путем прокаливания раковин устриц. Окись кальция вступает в реакцию с водой и растворенными в ней ионами магния, в результате чего образуется гидроксид магния и выпадает в осадок.
Этот осадок отфильтровывают и путем реакции с соляной кислотой переводят в хлорид магния, который пропускают через различные фильтры и сушилки, а в конце концов с помощью электрического тока разлагают на газообразный хлор и металлический магний. Хлор впоследствии снова включается в состав соляной кислоты и используется для обработки следующей партии гидроксида магния.
Второе вещество, получаемое человеком из морской воды, — бром. Бром добывать труднее, чем магний, ведь его концентрация в океане в двадцать раз меньше. Однако задача по его сбору тоже уже решена учеными.
Для этого сначала окисляют большой объем морской воды, а потом добавляют в нее хлор в газообразном виде. (И хлор, и соляная кислота сами также добываются при этом из морской соли.) Хлор вступает в реакцию с ионами брома, содержащимися в морской воде, и в этом состоянии его можно «выдуть» из воды. То есть сквозь морскую воду пропускается воздух, который, поднимаясь наверх, «прихватывает» с собой некоторое количество паров брома. Этот воздух пропускают через трубы, устланные карбонатом натрия. Газообразный бром при этом поглощается с образованием бромистого натрия и бромата натрия. После того как бром концентрируется таким образом в малом объеме, его уже легко оттуда извлечь.
Существует еще и третье вещество, добываемое тоже из морской воды, но не так напрямую. Это йод. Содержание в мировом океане йода в тысячу раз меньше, чем содержание в нем брома. Во взятом нами для примера бассейне после выпаривания останется пуд брома, но вот йода там окажется чуть менее пятнадцати граммов. Для рентабельной промышленной добычи этого слишком мало.
Вернее, слишком мало для добычи с использованием технологий, доступных человеку. Живым существам, обитающим в море, водорослям например, йод необходим для собственной жизнедеятельности, и они постепенно, неторопливо собирают его атом за атомом из морской воды, которой омываются. Поэтому человеку остается только собирать сами водоросли. Затем собранные водоросли сжигаются в специальной печи, и в получившейся золе уже содержится один процент чистого йода. Эта зола, содержание йода в которой в двести тысяч раз выше, чем в морской воде, является вполне подходящим сырьем для коммерчески рентабельной добычи йода. Впервые йод был обнаружен в золе от сгоревших водорослей еще в 1811 году.
Океан — неистощимый источник этих веществ. Мало того что уже содержащегося в нем количества их более чем достаточно для удовлетворения всех потребностей человечества, но даже если предположить, что человек однажды полностью опустошит океан, то дожди и реки, постоянно смывающие в него все необходимые составляющие, очень быстро снова насытят воду всеми элементами.
Скорее всего, в будущем начнется промышленная добыча из океана и других необходимых веществ, помимо трех перечисленных. Причем не обязательно, чтобы концентрация добываемых веществ была высока. Оказалось, что на больших площадях океанского дна есть месторождения самородного магния, никеля, кобальта и меди. Разработка месторождений на дне моря станет обычным делом в будущем.
Давайте посчитаем, насколько богата и перспективна «океанская шахта». Одного кубического километра воды хватит, чтобы наполнить более четырех миллионов таких бассейнов, а кубических километров воды в океане, как я уже говорил, — 1 332 000 000. Так что неудивительно, что в океане содержится пятьсот квадриллионов (500 000 000 000 000 000) тонн твердых веществ. В том числе
2 000 000 000 000 000 тонн магния,
100 000 000 000 000 тонн брома и
75 000 000 000 тонн йода,
и этого запаса человечеству хватит надолго.
Кроме того, в океанской воде растворено и огромное количество некоторых других металлов (не считая запасов, кроющихся под морским дном). В частности, это
15 000 000 000 тонн алюминия,
4 500 000 000 тонн меди,
4 500 000 000 тонн урана,
1 000 000 000 тонн тория,
450 000 000 тонн серебра,
45 000 000 тонн ртути,
6 000 000 тонн золота и
45 тонн радия.
Однако эти огромные запасы разбросаны по всему океану, и мы еще не знаем рентабельных способов их добычи.
Глава 13
ЭВОЛЮЦИЯ АТМОСФЕРЫ
1960-е годы принесли нам новые знания об атмосфере соседних планет. Наблюдения, полученные с зондов, поднявшихся высоко над нашей собственной атмосферой, предоставили свидетельства того, что облака на Венере состоят из ледяных частиц. Mariner 4, пролетая в 1965 году мимо Марса, сообщил нам, что его атмосфера гораздо тоньше, чем считалось раньше.
Но все эти недавние наблюдения лишь подтверждают предположения астрономов, выдвинутые давным-давно. Наша земная атмосфера уникальна и не похожа на атмосферу ни одной планеты из тех, что находятся в зоне досягаемости.
Атмосферы известных нам планет можно классифицировать по четырем категориям:
во-первых, у планеты или другого холодного небесного тела может вообще не быть атмосферы или атмосфера может быть столь тонкой, что различить ее из космоса невозможно;
во-вторых, атмосфера может быть богатой водородом и его соединениями и являться, таким образом, благоприятной для восстановительных реакций. Такую атмосферу можно назвать «восстановительной»;
в-третьих, атмосфера может быть богатой кислородом, и тогда ее можно назвать «окислительной»;
в-четвертых, в атмосфере может не содержаться ни водорода, ни кислорода, а только те газы, которые не участвуют ни в окислительных, ни в восстановительных реакциях. Такую атмосферу можно назвать «нейтральной».
Планеты нашей Солнечной системы (за исключением Плутона, об атмосфере которого мы вообще не знаем ничего) распределяются по вышеперечисленным категориям таким образом:
1) отсутствующая или почти отсутствующая атмосфера: Меркурий;
2) восстановительная атмосфера: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун;
3) окислительная атмосфера: Земля;
4) нейтральная атмосфера: Венера, Марс.
Из 31 спутника планет Солнечной системы единственный, о котором известно, что у него есть атмосфера, — это Титан, крупнейший спутник Сатурна. Его атмосфера — восстановительная. Все же остальные спутники, включая нашу Луну, атмосферы не имеют или почти не имеют.
Короче говоря, нигде в нашей Солнечной системе, кроме самой Земли, окислительной атмосферы нет. Нигде больше нет свободного кислорода.
Почему?
Начнем с рассмотрения того облака пыли и газа, из которого, как принято считать, возникла наша Солнечная система. По мнению астрономов, около 90 процентов этого облака составлял водород, а еще 9 процентов — гелий. В оставшийся 1 процент вошли кислород, неон, азот, углерод, кремний, магний, железо, сера и аргон, скорее всего, именно в таком порядке убывания концентрации, и прочие элементы — в еще меньшем количестве.
Углерод, кремний, магний, железо и сера при обычной температуре — твердые вещества и образуют друг с другом твердые же соединения (карбиды, силициды и сульфиды). По мере образования в облаке завихрений атомы и молекулы этих веществ начали слипаться с образованием сначала песчинок, затем камней, а в конце концов — и так называемых «малых планет». Вокруг этих последних со временем сформировались планеты. Что касается Земли, то на ней тяжелые металлы осели в самом ядре, а каменистые вещества образовали толстую внешнюю кору.
Водород, ввиду своего подавляющего количественного преобладания, вступал в соединение с чем угодно. Он соединялся с кислородом, образуя воду (Н20), с азотом, образуя аммиак (NH2), с углеродом, образуя метан (СН4), с серой, образуя сероводород (Н2S). Вот с гелием, неоном и аргоном водороду соединяться не удавалось, поскольку эти три газа являются так называемыми «благородными» (инертными) и вообще не вступают ни в какие соединения, насколько нам известно.
Все эти вещества — водород, гелий, неон, аргон, вода, аммиак, метан и сероводород — имеют низкую температуру плавления, то есть при обычных температурах являются газами, за исключением воды, которая, впрочем, тоже представляет собой легко испаряющуюся жидкость.
При тех низких температурах, при которых образовывались планеты, некоторые из этих веществ (в первую очередь это относится к воде и аммиаку) могли быть твердыми и наравне с металлами и камнями образовывать ядра малых планет. Да и те вещества, что сохраняли газообразную форму, тоже могли попадать в эти ядра, заполняя полости в них.
Но затем в центре Солнечной системы огромная масса вещества сконденсировалась до такой степени, что внутреннее нагревание породило ядерный взрыв. Родилось Солнце.
Солнечное тепло испарило все вещества, имеющие низкую температуру кипения, и из недр формирующихся планет начали выделяться газы. Эти газы не вступали в химическую реакцию с твердым веществом планеты — их удерживала теперь только сила тяготения. Если молекулы газа двигались медленно, то слабой гравитации оказывалось достаточно, чтобы удержать их; если же они двигались быстро, то планета теряла их.
Чем выше температура газа, тем быстрее движутся его молекулы и тем легче их потерять. Малые планеты, находившиеся близко к Солнцу, получая от него больше всего тепла, стали быстро терять атмосферу. Газы, сдуваемые солнечным ветром (состоящим из вылетающих из Солнца частиц), уносились во внешние, более холодные регионы Солнечной системы.
По мере формирования внешних планет они обретали значительную атмосферу, не только за счет собственного газа, но и за счет газа, поступающего из более теплых глубин Солнечной системы, утраченного более близкими к Солнцу планетами. Именно поэтому Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун так велики по сравнению с «внутренними» планетами. Они состоят по большей части из водорода и его соединений, которых было так много в первоначальном газовом облаке. Эти планеты имеют толстый слой восстановительной атмосферы, состоящей из водорода, гелия, аммиака и метана.
А вот внутренняя группа малых планет полностью утратила свою первоначальную атмосферу. Свободный водород и инертные газы улетучились навсегда. Часть молекул воды, аммиака, метана и водорода осталась на планетах только за счет удержания слабыми химическими связями с твердой корой.
Но процесс образования полноценных планет из древних малых планет продолжался — планеты увеличивались и их гравитационные поля — тоже. Внутренние ядра планет нагревались, молекулы газов высвобождались из химических соединений и устремлялись наружу, вылетая на поверхность под действием внутреннего давления или в результате вулканической деятельности. Меркурий так и не увеличился до достаточных размеров, чтобы удерживать эти газы в условиях непрекращающегося нагревания со стороны близко расположенного к нему Солнца. Из-за малого размера и слабого гравитационного поля он и сейчас практически лишен атмосферы.
Другие близкие к Солнцу планеты — Венера, Земля и Марс — увеличились в размерах больше, чем Меркурий, и при этом сохраняли менее высокую температуру, так что им удалось удержать часть газов при себе. Сравнительно небольшой Марс удержал лишь тонкий слой атмосферы, Земля и Венера смогли сохранить больше. Молекулы аммиака, метана и водорода окутали Венеру, Землю и Марс тонким слоем «вторичной атмосферы», восстановительной по своим химическим свойствам.
Из недр планет вырвалась наружу и вода. Некоторое количество ее так и осталось в газообразном виде в атмосфере, но большая часть все же сконденсировалась в жидкость. На Земле медленно образовывались огромные океаны, но на Венере, которая меньше и горячее Земли, и воды осталось явно меньше, а на совсем небольшом Марсе — еще меньше.
Именно в условиях восстановительной атмосферы и зародилась жизнь. Более того, именно такая атмосфера и является обязательным условием для зарождения жизни (см. главу 9). Для того чтобы жизнь могла зародиться, сначала должны были сформироваться сложные молекулы, состоящие в основном из атомов водорода и углерода. Если бы атмосфера тогда была бы насыщена, как сейчас, свободным кислородом, то эти молекулы не смогли бы сформироваться.
Кроме того, такие молекулы могли образоваться только за счет энергетически насыщенного ультрафиолетового излучения Солнца, которое без помех обрушивалось на древнюю атмосферу и океан. Если бы в атмосфере содержался кислород, он отразил бы ультрафиолет и океан не получил бы необходимой энергии.
Да, та же самая энергия ультрафиолета, которая помогла сформироваться первым сложным углеводородным молекулам, послужила бы разрушению тех из них, что стали бы слишком сложными. Так что простейшие формы жизни, имевшие уже очень сложный молекулярный состав, могли существовать только в океане на глубине нескольких десятков метров, куда уже не проникали ультрафиолетовые лучи. В верхних слоях воды могли формироваться умеренно сложные молекулы, чтобы потом, опускаясь вниз, служить пищей первым живым существам.
Но даже по мере развития жизни на Земле атмосфера продолжала эволюционировать. Ультрафиолетовое излучение, пробиваясь сквозь атмосферу, разлагало молекулы воды на свободный водород и свободный кислород (этот процесс называется «фотодиссоциацией»).
Чем меньше масса молекулы газа, тем быстрее она движется при любой заданной температуре и тем легче ей вырваться за пределы гравитационного поля. Атомы водорода, высвобожденные после распада молекулы воды, постепенно покидали нашу планету, улетая в межпланетное пространство.
А вот атомы свободного кислорода оказались достаточно массивны, чтобы гравитация Земли смогла удержать их. Они соединялись между собой, образуя молекулярный кислород (где каждая молекула состоит из двух соединенных между собой атомов кислорода), который далее уже вступал в соединение с другими веществами. Соединение кислорода с каменистыми веществами, содержащимися в почве, давало окислы минералов — в основном силикаты. Соединялся кислород и с атмосферными газами — аммиаком, метаном, сероводородом, образовывая в ходе реакций в первом случае азот и воду, во втором — углекислый газ и воду, а в третьем — серу и воду.
Образованная в ходе этих реакций вода также подвергалась фотодиссоциации, и процесс продолжался. Сера входила в состав твердой коры, образовывая сульфиды или в соединении с кислородом — сульфаты. Атмосферные аммиак и метан постепенно полностью перешли в азот и углекислый газ за счет постепенного уменьшения водных запасов. Так восстановительная атмосфера сменилась нейтральной.
На Марсе аналогичный процесс на этом и закончился. Его тонкая атмосфера состоит сейчас практически целиком из углекислого газа, а водные запасы планеты снизились настолько, что воды еще хватает на образование тонких полярных ледяных шапок.
На Венере атмосфера сейчас состоит, предположительно, из азота и углекислого газа. Воды на этой планете достаточно много и сейчас, но все же ее водные запасы ученые оценивают как 1/10000 от земных.
Атмосфера Венеры всегда была толще, чем атмосфера Марса, поэтому и сейчас в ней гораздо больше углекислого газа, чем в марсианской, и это принципиально важный момент.
Углекислый газ практически не поглощает свет видимой части спектра, но инфракрасное излучение поглощает в значительной степени. Солнечный свет проходит сквозь атмосферу, содержащую углекислый газ, попадает на сушу и море и поглощается в форме тепла. Нагретая поверхность отдает часть тепла обратно в виде инфракрасного излучения, но атмосферный углекислый газ поглощает его, и тепло не уходит; в результате атмосфера нагревается.
Планета, атмосфера которой бедна углекислым газом и другими газами, поглощающими излучение, будет оставаться холодной, упуская инфракрасное излучение в космос, а другая планета, пусть даже находящаяся на таком же расстоянии от Солнца, но богатая атмосферным углекислым газом, будет, удерживая инфракрасное излучение, нагреваться. Такое действие углекислого газа называется «парниковым эффектом», поскольку стекло или пленка в парнике выполняют ту же функцию пропускания света и удержания инфракрасного излучения, благодаря чему в парнике тепло и влажно даже зимой.
По мере того как атмосфера Венеры становилась нейтральной и в ней образовывалось все больше и больше углекислого газа, температура этой атмосферы становилась все выше и выше. В конце концов температура и атмосферы и самой планеты достигла такой точки, при которой вода стала испаряться, образовывая облака. Сейчас эти облака вечно покрывают всю территорию планеты. Водяные пары тоже поглощают инфракрасное излучение, так что присутствие облачного слоя в атмосфере Венеры еще больше усилило парниковый эффект.
Создается впечатление, что такой процесс может продолжаться и дальше, при условии, что изначально имелось достаточно воды. Кислород будет и дальше выделяться в атмосферу, а когда весь аммиак и весь метан будут превращены в азот и углекислый газ, а все каменистые вещества поверхности планеты — в силикаты, поступающий с этого момента кислород начнет накапливаться в атмосфере как таковой. Однако этого не происходит.
Как только свободный кислород попадает в атмосферу, он начинает поглощать ультрафиолетовое излучение, в процессе чего двухатомные молекулы обычного кислорода превращаются в более энергетически насыщенные трехатомные молекулы озона.
Озоновый слой образовывается в верхних слоях атмосферы и поглощает ультрафиолет. По мере накопления озона все меньше ультрафиолетовых лучей пробивается через его слой и достигает нижних слоев атмосферы, где находятся водяные пары. В конце концов фотодиссоциация прекращается. Таким образом, фотодиссоциация — это процесс саморегулирующийся. С ее помощью восстановительная атмосфера может превратиться в нейтральную, как и произошло на Марсе и на Венере, но не в окислительную.
Как же получилась окислительная атмосфера на Земле?
Сначала на Земле имела место такая же фотодиссоциация, как и на Венере, только, наверное, она проходила медленнее, так как Земля находится дальше от Солнца и получает меньше ультрафиолета. Но запасы воды на Земле все равно уменьшались, а атмосфера ее постепенно становилась нейтральной, так что планета потеряла в конечном итоге около половины от общих своих запасов воды. К счастью, Земля могла себе это позволить — на ней осталось еще достаточно воды, чтобы хватило на тот океан, который мы имеем сегодня.
Но на этом процесс на Земле, в отличие от Венеры, не закончился. Появился новый фактор, связанный с эволюцией океанских живых форм первобытной Земли. Без этого фактора первые формы жизни ждал бы невеселый конец — появись они на Марсе, им оставалось бы лишь безропотно ждать, пока пересохнут дающие им жизнь водоемы, а возникни они на Венере — быстро сварились бы насмерть в кипящей воде перегретой планеты.
Земную жизнь ждала бы такая же печальная участь, если бы не пришло неожиданное избавление. В то время существовала еще только одноклеточная жизнь, не сложнее современных бактерий. Эти существа безвольно плавали в океане на определенной глубине, питаясь кусочками сложных молекул, падающими сверху. Питание первобытных одноклеточных зависело от того, с какой скоростью ультрафиолетовое солнечное излучение может производить для них пищу.
И вдруг появилась молекула, которую мы знаем под названием «хлорофилл». Эта молекула строится вокруг сложного, но стабильного атомного кольца, которое создается из более простых молекул под воздействием ультрафиолетового света. Иногда у такого кольца появляются короткие радикалы — цепочки атомов, торчащие в разные стороны от самого кольца. Из определенного сочетания таких радикалов и получился хлорофилл — вещество, способное поглощать свет видимой части спектра, лучше всего красной. Зеленый свет хлорофилл отражает, так что внешне он имеет яркий зеленый цвет. Поглощая видимый свет, хлорофилл получает из него энергию, и эта энергия производит определенные химические изменения.
Когда в клетках живых существ появился хлорофилл, они обрели важный инструмент, позволивший им делать то, чего они раньше никак не могли. Теперь первобытные одноклеточные получили возможность, поглощая энергию видимого света, проводить с ее помощью ряд химических реакций, заканчивающихся образованием сложных пищевых молекул, которыми клетка может питаться, не дожидаясь получения пищи извне. Этот процесс известен нам как фотосинтез.
Одним из следствий распространения фотосинтеза стало то, что теперь энергия уже видимого света стала широкомасштабно использоваться для разложения воды на водород и кислород. В отсутствие хлорофилла видимый свет, энергетическое содержание которого ниже, чем ультрафиолетового, таких реакций вызывать не может.
Под воздействием множества клеток, оснащенных хлорофиллом, вода распадается гораздо быстрее, чем под действием ультрафиолета. Клетки, в которых использовался хлорофилл, получали больше пищи и размножались быстрее, чем клетки, в которых хлорофилла не было. Со временем, по прошествии множества лет, практически все первобытные живые существа стали использовать хлорофилл, и фотосинтез стал основным способом существования. Поскольку хлорофилл зеленого цвета, то и все живое на Земле позеленело.
Может показаться, что фотосинтез должен был лишь ускорить процесс распада воды и приблизить тем самым переход от восстановительной атмосферы к нейтральной. Но нет, фотосинтез способен на большее!
Теперь стадия нейтральной атмосферы перестала быть конечной для эволюции. После окончательного формирования нейтральной атмосферы и появления излишков кислорода в свободном виде в верхних слоях атмосферы действительно сформировался защитный кислородный, а затем и озоновый слой. Ультрафиолетовое излучение перестало достигать поверхности планеты, и фотодиссоциация прекратилась. Но видимый свет по-прежнему продолжал проникать в глубь атмосферы, и фотосинтез продолжался. Фотосинтез, в отличие от фотодиссоциации, не саморегулирующийся процесс в этом отношении. В воздух выделялось все больше и больше кислорода, и атмосфера Земли, пройдя стадию нейтральности, стала окислительной.
Пусть так, но почему углекислый газ, накапливаясь в атмосфере, не привел к парниковому эффекту и земные океаны не закипели, подобно венерианским?
К счастью, распад молекул воды не единственная химическая реакция, вызываемая фотосинтезом. Образующиеся в результате распада молекулы водорода не попадают в атмосферу, чтобы потом постепенно улетучиться в космос. Вместо этого, водород принимает участие в ряде химических реакций, заканчивающихся соединением его с углекислым газом для образования крахмала и других составляющих растительных клеток.
Таким образом, фотосинтез, хоть и приводит к выбросу в атмосферу кислорода, не выбрасывает при этом и водород, а использует его для очистки атмосферы от углекислого газа. В итоге земная атмосфера стала практически полностью состоять из азота и кислорода.
Когда именно все это происходило — точно неизвестно. Самые правдоподобные предположения, основанные на химическом составе древних камней, говорят о том, что свободный кислород появился в атмосфере один-два миллиарда лет назад, а жизнь на Земле к тому моменту уже существовала еще один-два миллиарда лет.
Примерно 600 000 000 лет назад количество кислорода в атмосфере составляло уже как минимум одну десятую от сегодняшнего. Это вызвало биологическую революцию, и наступил, по терминологии геологов, кембрийский период.
До кембрийского периода, когда в атмосфере не было или почти не было кислорода, простейшие формы жизни получали энергию из сложных органических молекул путем разложения их на более простые без произведения каких-либо принципиальных изменений в их химическом строении. Такой процесс называется «ферментация».
Однако, когда в атмосфере появилось более-менее значительное количество кислорода, живые существа, в метаболизме которых используется объединение питательных веществ с атмосферным кислородом, смогли получать из того же количества питательных веществ в двадцать раз больше энергии.
Получение доступа к такому объему энергии стало для жизни сильнейшим толчком к развитию. За сто миллионов лет кембрийского периода появились первые сложные живые формы и разнообразие их многократно возросло.
Возникли первые многоклеточные организмы из собравшихся воедино клеток. Оказавшись в составе таких организмов, определенные группы клеток получили возможность специализироваться. Некоторые из них научились быстро сокращаться, другие — проводить электрические импульсы. Так появились мышцы и нервы. Для придания организму структуры, не позволяющей погибнуть под собственной тяжестью, а заодно и для защиты от внешних воздействий появились раковины и другие жесткие конструкции. Казалось, нет предела изобретательному разнообразию форм жизни, получившей наконец-то доступ к настоящим объемам энергии.
Эти раковины и другие жесткие конструкции оставались и после смерти самого организма и за тысячи лет окаменели. Камни кембрийского периода хранят очень много подобных останков, именуемых «окаменелостями», в то время как в камнях, датируемых более ранними периодами, окаменелости отсутствуют.
Предположительно, примерно 400 000 000 лет назад содержание кислорода в атмосфере достигло сегодняшнего уровня. Озоновый щит прочно прикрывал планету, и ультрафиолетовые лучи достигали ее поверхности в столь малом количестве, что живые формы вполне могли долго находиться на открытом солнце без вреда для себя.
Тогда живые существа впервые в истории вышли на сушу, чтобы заселить континенты.
Но эволюция атмосферы не закончилась, придя к сегодняшнему состоянию. Содержание то одного, то другого вещества в ней периодически колебалось, и самые важные последствия имели колебания содержания углекислого газа.
Сегодня углекислый газ составляет лишь 0,03 процента атмосферы, но его значение непропорционально велико. Не только потому, что он представляет собой единственный продукт питания всей растительной (а следовательно, и животной) жизни на Земле, но и ввиду обеспечиваемого им парникового эффекта. Даже небольшие колебания концентрации углекислого газа могут оказывать сильное влияние на температуру Земли.
В истории были периоды, когда благодаря вулканической активности по всей планете в воздух выбрасывалось необычно большое количество углекислого газа и его концентрация несколько повышалась. В атмосфере накапливалось при этом чуть больше тепла, и Земля начинала нагреваться. В тепле и в условиях большого количества углекислого газа по всей планете начинался расцвет растительной жизни, сушу устилали густые леса. Именно после таких периодов и появлялись угольные и нефтяные месторождения, обязанные своим происхождением живым существам таких лесов.
А бывало и так, что в периоды активного горообразования огромные объемы каменистой породы выталкивались из недр Земли на поверхность. Вещества этих новых гор, ранее никогда не входившие в контакт с воздухом, начинали вступать в соединение с атмосферным углекислым газом для образования карбонатов. В результате количество свободного углекислого газа в атмосфере падало, парниковый эффект ослабевал и Земля остывала. Если она остывала ниже определенного порога, начинался ледниковый период. Сейчас мы находимся в конце затянувшегося периода горообразования и нашествия ледников.
Однако теперь человечество и само, посредством собственных технологий, оказывает влияние на климат.
Человек добывает из земли уголь и нефть, которые откладывались миллионами лет, и сжигает все за пару веков. При этом снова образовывается углекислый газ, тысячи лет назад встроенный растениями в собственные ткани, ставшие потом углем и нефтью.
Ежегодно сжигается шесть миллиардов тонн угля, нефти и природного газа, и уровень углекислоты в атмосфере медленно растет (несмотря на то что в основном она растворяется в океане и потребляется растениями). Подсчитано, что если темпы производства человеком углекислого газа останутся на прежнем уровне, то к 2000 году его будет содержаться в атмосфере на 25 процентов больше, чем сейчас, а к 2300 году — вдвое больше.
От наличия в воздухе 0,06 процента углекислого газа никто из нас не отравится, конечно, но что же произойдет с парниковым эффектом? Средняя температура на Земле медленно поползет вверх. Она уже несколько поднялась в первой половине XX века, возможно, именно благодаря увеличению содержания углекислого газа в воздухе.
Если на Земле станет чуть теплее, можно ожидать таяния полярных льдов, в результате чего уровень воды в Мировом океане поднимется. Даже если считать, что увеличившееся давление воды продавит океанское дно, все равно после полного таяния ледниковых шапок уровень моря будет метров на 60 выше, чем сейчас.
Все прибрежные территории континентов, где сейчас проживает больше всего людей, окажутся затопленными. Правда, по предварительным подсчетам, даже при самом резком развитии ситуации полностью полярные шапки растают не быстрее чем лет за 400, так что у человечества будет время подготовиться. Например, справиться с ситуацией помог бы полный отказ от сжигания угля и нефти в пользу применения атомной энергии. Специально разработанные устройства для широкомасштабного устранения углекислого газа из атмосферы могли бы остужать Землю, а по океанам можно было бы рассеивать вещества, с помощью которых удавалось бы эффективнее отражать солнечный свет.
В качестве последнего средства можно было бы переселить людей из некоторых районов поближе к полюсам — ведь эти пустынные сейчас местности смогут в случае потепления прокормить множество людей.
Атмосфера Земли, не раз уже устраивавшая кризисные ситуации всему живому на нашей планете, грозит уже в ближайшем будущем разразиться еще одним небывалым кризисом.
