Решение 62: У Земли уникальная система тектоники плит

Нам нужна история, которая начинается с землетрясения и достигает кульминации.

Сэмюэл Голдвин

В период 2000–2008 годов в среднем 50 184 человека погибали ежегодно из-за землетрясений.[339] Цунами в День подарков 2004 года, вызванное подводным землетрясением у западного побережья Суматры, унесло жизни почти четверти миллиона человек. Поэтому кажется странным, что некоторые геологи считают существование тектоники плит — процесса, который вызывает землетрясения и извержения вулканов — необходимым для существования сложной жизни. Но есть серьезная причина полагать, что три явления — жизнь, водные океаны и тектоника плит — связаны между собой. И эта связь может быть уникальной для Земли. Аргумент таков.

Различные планеты Солнечной системы имеют разные методы отвода внутреннего тепла. В случае Земли тепло, генерируемое радиоактивным распадом во внутренних слоях, переносится конвективным методом, который порождает тектонику плит[340] (или, на более разговорном языке, дрейф континентов). Рассмотрим, что происходит вблизи срединно-океанического хребта — подводного горного хребта, где образуется новая кора. Горячий материал из глубокой мантийной области Земли поднимается на поверхность в конвекционной ячейке, а на поверхности он растекается и затвердевает в океаническую кору — становится частью литосферы. В геологических масштабах времени новый материал плавает на горячей мантии под ним и удаляется от места своего рождения. Во время этого процесса он остывает и накапливает массы магматических пород. Материал становится тяжелее, и через многие десятки миллионов лет он под собственным весом погружается обратно, глубоко в мантию, в местах, называемых зонами субдукции. В конце концов, цикл повторяется. В геологических масштабах времени внешние области нашей планеты напоминают одну из тех китчевых лавовых ламп.

Некоторые ученые утверждают, что тектоника плит может быть самым важным требованием для развития жизни животных. Есть несколько причин, по которым тектоника плит может быть жизненно важна. Давайте рассмотрим только три из них. (В Решении 67 мы рассмотрим четвертую возможность.)

Во-первых, механизм тектоники плит, по-видимому, играет важную роль в создании магнитного поля Земли. Теория планетарного магнетизма чрезвычайно сложна, но, по сути, планеты генерируют магнитное поле посредством внутреннего динамо. Такое динамо требует трех вещей: планета должна вращаться, она должна содержать область с электропроводящей жидкостью, и она должна поддерживать конвекцию в области проводящей жидкости. Трудно быть уверенным, но в случае Земли кажется вероятным, что без тектоники плит конвекционные ячейки перестали бы выносить тепло на поверхность, динамо перестало бы функционировать, и магнитное поле Земли составило бы крошечную долю его нынешнего значения. Актуальность всего этого ясна: магнитное поле Земли помогает предотвратить рассеяние высокоэнергетических частиц солнечного ветра атмосферных частиц в космос; со временем такое распыление могло бы привести к рассеянию атмосферы Земли. Короче говоря, без магнитного поля Земли поверхностная жизнь могла бы не развиться.

Во-вторых, тектоника плит создала континенты Земли и продолжает их обновлять. Континенты важны. Мир со смесью океанов, островов и континентов с большей вероятностью предложит эволюционные вызовы, чем мир, в котором преобладает исключительно вода или суша. Кроме того, тектоника плит вызывает изменение условий окружающей среды и, таким образом, способствует видообразованию. Например, предположим, что отделение участка суши от континентального массива приводит к тому, что определенный вид птиц живет как на новом острове, так и на первоначальном континенте. Со временем среда на острове будет отличаться от континентальной среды; птицы столкнутся с разными проблемами и будут развиваться по-разному. Со временем появятся два вида там, где раньше был один. Таким образом, тектоника плит способствует биоразнообразию, которое, как мы видели, важно во время событий массового вымирания.

В-третьих, и, возможно, самое важное, в течение миллиарда лет или более тектоника плит играла ключевую роль в регулировании температуры поверхности Земли. Климат на нашей планете долгое время балансировал на острие бритвы. Если температура слишком сильно падает и ледяные шапки начинают увеличиваться в размерах, может произойти безудержный эффект ледникового периода: Земля замерзает. Если температура слишком сильно повышается и океаны начинают кипеть, то дополнительный водяной пар в атмосфере может вызвать безудержный парниковый эффект: Земля закипает. Некоторые прокариоты могут выжить в этих экстремальных температурах, но сложные формы жизни процветают только в гораздо более узком диапазоне температур. Тектоника плит, как утверждают некоторые ученые, имеет механизм тонкой настройки, который поддерживает планетарный термостат «как раз» для жизни животных.

Способ, которым тектоника плит контролирует температуру,[341] довольно сложен, и в нем задействовано более одного механизма. Однако ключевую роль она играет в регулировании содержания углекислого газа в атмосфере. CO2 является эффективным парниковым газом: если атмосфера содержит слишком много CO2, то глобальные температуры могут повыситься, что человечество, похоже, упорно демонстрирует экспериментально. С другой стороны, если атмосферного CO2 слишком мало, то Земля не может воспользоваться парниковым эффектом, и планета остывает.

Теперь CO2 не остается в атмосфере навсегда. Углекислый газ реагирует с водой, образуя угольную кислоту; таким образом, дожди «вымывают» его из атмосферы. Эта угольная кислота выветривает горные породы на поверхности Земли, и химические продукты этого выветривания переносятся реками в океан. Продукты оказываются в виде карбоната кальция (CaCO3) и кварца (SiO2) на дне океана, как за счет образования горных пород, так и за счет образования раковин живых организмов. В конце концов, механизм тектоники плит заставляет этот CaCO3 и SiO2 погружаться в глубины Земли. Таким образом, атмосферный CO2 удаляется. Но это еще не конец истории! Высокие температуры и давления глубоко внутри Земли преобразуют карбонат кальция обратно в CO2 и CaO. Затем тектоника плит перерабатывает CO2 — и множество других полезных материалов — создавая вулканы. (Вулканы выбрасывают огромное количество материала. В 2010 году труднопроизносимый исландский вулкан нанес ущерб международным авиаперевозкам. Хотя извержение Эйяфьядлайёкюдля было сравнительно небольшим, оно все же выбросило около 250 миллионов кубических метров пепла и шлака и порядка миллиона тонн CO2.)

Рис. 5.13 Небольшое извержение Сакурадзимы в 2009 году. На переднем плане город Кагосима. Сакурадзима — один из самых активных вулканов в мире; пока я пишу это, в апреле 2014 года, Сакурадзима — единственный вулкан с уровнем опасности 3 — активность такова, что людей предупреждают не посещать его. (Автор: Кимон Берлин)

Если бы атмосферный CO2 не восполнялся, Земля подверглась бы глобальному похолоданию. Но что, если в атмосферу попадет слишком много CO2? Не рискуем ли мы безудержным парниковым эффектом? Оказывается, по мере потепления планеты химическое выветривание горных пород усиливается, что