Биосфера и космос

В соответствии с современными представлениями межзвездное пространство представляет собой разреженную газопылевую среду, в 1 см³

которой находится примерно 1 частица (атом, молекула), в гаком же объеме воздуха находится 2,7 • 10¹⁹ частиц. В самых современных вакуумных камерах количество частиц в 1 см³ не меньше 1 • 10³.

Химический состав межзвездного газа достаточно хорошо исследован. Преобладают атомы водорода и гелия, атомов металлов сравнительно немного. В довольно заметных количествах присутствуют молекулы простейших соединений, например СО, CN.

Кроме газа, в состав межзвездной среды входит космическая пыль. Размеры пылинок составляют 10^-4—10~⁵ см. Газ и пыль в межзвездном пространстве перемешаны, причем средняя плотность газа почти в 100 раз выше средней плотности пыли. Космическая межзвездная среда существует в виде облаков с плотностью на порядок выше, чем средняя плотность данной среды. Эти облака расположены преимущественно в спиральных ветвях Галактики и участвуют в галактическом вращении. Окружная скорость некоторых из них достигает 6—8 км/с. Наиболее плотные из газопылевых облаков наблюдаются в виде светлых или темных туманностей. Масса межзвездного газа в нашей Галактике приближается к 2 • 10³⁹ кг, что составляет чуть больше 1% от полной массы Галактики, обусловленной в основном звездами [62, с. 39—41].

В конце 1963 г. в одной из туманностей были обнаружены молекулы Н₂0, довольно сложные многоатомные молекулы СН₃НСО, CH₃CN и др. Эти открытия относятся к важнейшей проблеме происхождения жизни во Вселенной. Возможно, в обозримом будущем будут найдены межзвездные молекулы ДНК и РНК.

Земля входит в планетную систему звезды спектрального класса G2 (желтый карлик) под названием Солнце. Солнце представляет собой раскаленный плазменный шар (диаметром 1,4 • 10⁹ м), в котором происходит термоядерная реакция превращения водорода в гелий с выделением огромной энергии. Температура его поверхности примерно 5770 К, в недрах — более 10 млн К.

Мощность излучения (светимость) современного Солнца составляет 3,83 • 10²³ кВт. К Земле ежесекундно поступает только около 2 • 10¹⁴ кДж энергии солнечного излучения. Однако этой энергии достаточно для обеспечения сложных процессов на нашей планете, в том числе и для существования жизни. Химический состав Солнца представлен в основном водородом (90%) и гелием (около 10%), содержание всех остальных элементов крайне незначительно. Масса Солнца, равная 2 • 10³⁰ кг, в 750 раз больше массы всех планет солнечной системы и в 3,3 • 10⁵ раз — массы Земли.

Солнце светит не абсолютно ровно и постоянно. На его поверхности постоянно возникают солнечные пятна — области с относительно более низкой температурой. С солнечными пятнами связана так называемая солнечная активность, период которой примерно 11 лет. Кроме того, наблюдаются солнечные вспышки — внезапное увеличение солнечной светимости. Первым о солнечной вспышке сообщил в 1859 г. английский астроном Р. Кэррингтон. Сразу после сообщения начали поступать сведения о странном поведении стрелок магнитных компасов и об увеличении яркости северных сияний. С тех пор была твердо установлена связь между такими магнитными бурями и солнечными вспышками.

При вспышках происходит выброс в космическое пространство значительного количества субатомных частиц. Поскольку вспышки на поверхности Солнца происходят постоянно, то оно окружено сферой заряженных частиц высоких энергий от 0,5 до 2 • 10⁹ зВ. Это так называемый солнечный ветер, скорость которого может достигать более 700 км/с. Приближаясь к Земле, заряженные частицы взаимодействуют с ее магнитным полем. В результате вокруг Земли образуется область заряженных частиц повышенной плотности.

В космическое излучение вносит вклад не только солнечный ветер. Магнитное поле солнечного ветра модулирует приток космического излучения. Вклад в образование космического излучения вносят все звезды нашей Галактики, а также и других галактик. Известно, что сверхновые звезды при вспышках могут выбрасывать до 0,01% своей массы. При этом происходит выброс субатомных частиц с колоссальной энергией, превосходящей энергию частиц солнечного ветра в 10⁹ раз. Так, в соответствии с китайскими хрониками в июле 1054 г. на небе появилась «Звезда-гость». Она была настолько яркой, что ее видели даже днем в течение нескольких месяцев. Затем она постепенно погасла. В 1754 г. французский астроном Ш. Месье обнаружил на этом месте туманность, которая впоследствии была названа Крабовидной. На сегодня установлено, что скорость разлета образующих ее газов достигает 1500 км/с. Все это дает основания утверждать, что Крабовидная туманность — не что иное, как остаток грандиозной космической катастрофы — вспышки сверхновой звезды в 1054 г. В настоящее время известно более 600 сверхновых звезд, находящихся вне нашей Галактики.

Космические частицы, возникающие при вспышках звезд и иных процессах в бескрайних просторах Космоса, взаимодействуют с магнитными полями различных космических объектов, изменяют свои первоначальные траектории, поэтому наблюдается широкий спектр энергетических уровней частиц. Замечена определенная зависимость между солнечной активностью и процессами жизнедеятельности растений и животных, состоянием здоровья и погодно-климатическими аномалиями. Вместе с тем следует отметить, что эта взаимосвязь изучена крайне недостаточно и еще ждет своих исследователей.

Земля связана с Космосом обменом энергии и вещества. На Землю попадает космическая пыль, метеориты и отдельные атомы, а из атмосферы Земли в космическое пространство уходят атомы легких газов — водорода и гелия («дыхание Земли», по выражению В. И. Вернадского).

Большую экологическую опасность для биосферы Земли представляют астероиды и кометы. В последние годы происходит революция в открытии малых небесных тел. Если в XIX в. было открыто около 400 астероидов, то в XXI в. благодаря автоматическим системам слежения за звездным небом ученые открывают более тысячи крупных астероидов в месяц. В настоящее время имеют порядковые номера 130 тыс. астероидов, 15 тыс. из них даны свои названия.

Встречный удар космического тела диаметром около 1 км с Землей равносилен одновременному взрыву всех ядерных и термоядерных бомб, накопленных на данное время. При ударе космического тела диаметром 10 км произойдет экологическая катастрофа с уничтожением до 90% всей флоры и фауны. В месте удара температура повысится до 1000 °C и более, возникнут массовые пожары и разрушения. В атмосферу попадут миллиарды тонн пыли и сажи, она станет непроницаемой для солнечных лучей. Наступит резкое похолодание, минусовая температура может удерживаться на Земле от нескольких месяцев до нескольких лет. От мощнейшего удара литосферные плиты Земли могут прийти в движение, что приведет к многочисленным землетрясениям и извержениям вулканов. В воздух попадет огромное количество метана, который воспламенится от молний и огненной лавы, возникнут пожары в планетарном масштабе. Содержание углекислого газа в атмосфере увеличится, нарастет парниковый эффект и средняя температура тропосферы повысится на нескольких градусов. Живые организмы при этом подвергнутся значительным перепадам климата. Далеко не все представители флоры и фауны смогут выдержать такое испытание. На восстановление биоты (сложившейся совокупности флоры, фауны и микроорганизмов) при такой катастрофе понадобится несколько миллионов лет.

Столкновение с космическим телом, диаметр которого 100 км и более, может привести к разрушению планеты вплоть до ее раскола на несколько частей. Очевидно, что речи о сохранении биосферы при этом быть не может.

В настоящее время известны около 20 космических тел астероидного типа с поперечником от 50 см до 50 км, орбиты которых расположены вблизи орбиты нашей планеты. Вероятностные расчеты показывают, что столкновение Земли с крупным космическим телом (диаметром 5—10 км) происходит через каждые 60—100 млн лет, диаметром 1 км — через миллион лет, около 100 м — через 5 тыс лет, менее 100 м — через 300 лет. Ежегодно на Землю попадает около 200 тыс. т космического вещества.

В 1997 г. ученые Принстонского университета А. Фишер и М. Артур впервые выдвинули гипотезу о том, что неоднократная массовая гибель флоры и фауны на Земле вызывалась столкновением с крупным небесным телом. Палеонтологи Д. Рол и Дж. Сенковски установили, что примерно через каждые 26—27 млн лет происходила гибель значительного числа животных и растений.

В настоящее время наиболее изучены пять случаев массовой гибели представителей животного и растительного мира, произошедшие за последние 500 млн лет. Свидетельства этих потрясений хранятся в пластах земной коры, относящихся к тем периодам.

Последняя, наиболее изученная катастрофа случилась предположительно 65 млн лет назад. Массовая гибель динозавров, летающих рептилий, водорослей и планктона была вызвана падением на Землю крупного астероида диаметром около 15 км в районе мексиканского полуострова Юкатан. В 1980 г. группа американских ученых под руководством У. Альвареса, изучая скальные породы, возраст которых насчитывал 65 млн лет, обнаружила, что содержание иридия в них в 25 раз больше, чем в более старых и более молодых породах. К тому времени было достаточно известно, что редкий химический элемент иридий и больших концентрациях присутствует в космических телах. Сопоставив эти данные со временем вымирания рептилий, У. Альварес предположил, что причиной этой экологической катастрофы является столкновение Земли с крупным астероидом. В начале 1990;х гг. с помощью космических спутников в Мексике был обнаружен гигантский кратер диаметром 200 км, «возраст» которого примерно совпадает со временем вымирания динозавров.

Опасность столкновения Земли с космическим телом имеет реальные основания. В июле 1995 г. гравитационное поле Юпитера «захватило» пролетающую мимо комету Шумейкеров-Леви-9. Комета развалилась на несколько частей, которые обрушились на поверхность Юпитера (рис. 2.10). Наблюдения астрофизиков показали, что температура в эпицентре взрывов достигала 30 тыс.°С. Специалисты считают, что при прямом ударе кометы без предварительного распада на части могла бы нарушится устойчивость Солнечной системы. Понимая важность этой проблемы, Конгресс США поручил NASA (Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства) каталогизировать и отслеживать все кометы и астероиды, пересекающие орбиту Земли.

Рис. 2.10. Столкновение кометы Шумейкеров-Леви-9 с Юпитером.

В 1989 г. на 6 ч разминулся с Землей астероид с поперечным размером около 800 м. В декабре 1992 г. астероид Тоутатис (диаметр 6 км) прошел мимо Земли на расстоянии 3 млн км. Астероид 1996 JAL (диаметром 500 м) в мае 1996 г. прошел на достаточно опасном расстоянии от Земли в 450 тыс. км.

Достаточно вспомнить, что знаменитый тунгусский метеорит, имеющий небольшие размеры (поперечник 55 м), даже не долетев до поверхности планеты и взорвавшись на высоте 5 км, натворил немало бед, уничтожив 3108 км² сибирской тайги.

Астероид 2004 MN4, названный в честь древнеегипетского бога тьмы Апофиса, был открыт в июне 2004 г. и сразу привлек к себе пристальное внимание. Его поперечный размер составляет, по разным оценкам, от 400 до 600 м, а скорость движения по отношению к Земле — более 30 км/с. 13 апреля 2029 г. Апофис пролетит мимо нашей планеты на расстоянии примерно 30—40 тыс. км. По первоначальным расчетам Пулковской астрономической обсерватории, в 2029 г. Земля избежит столкновения с этим астероидом, но он может уничтожить значительную часть телекоммуникационных и навигационных спутников, находящихся в зоне геостационарных орбит. Следующий визит этого астероида в 2036 г. может привести к столкновению с нашей планетой. По оценке NASA, при встрече Земли с Апофисом выделится в 100 тыс. раз больше энергии, чем при ядерном взрыве в Хиросиме. Под непосредственное действие ударной волны попадут тысячи квадратных километров, а в атмосферу Земли будут выброшены миллионы тонн пыли.

Осознавая астероидную опасность, в 2003 г. в России благодаря усилиям ряда ракетно-космических корпораций был сформирован «Центр планетарной защиты». Специалистами центра разработан проект «Цитадель», содержащий несколько методов борьбы с потенциально опасными космическими телами, которые в основном сводятся к физическому воздействию на астероид. Следует отметить, что такой опыт уже существует. В июле 2005 г. американцы с помощью космического аппарата NASA Deep Impact («Глубинный удар») расстреляли комету «Темпел-1». В этом эксперименте медный шар диаметром 0,65 м и массой 140 кг ударил в комету. В результате столкновения образовался кратер диаметром почти 200 м и глубиной около 30 м, а комета незначительно изменила траекторию полета.

***.

Подводя итог сказанному в данной главе, следует отметить следующее, длительный процесс эволюции привел к формированию определенного единства живой и неживой материи, т. е. биосферы.

Основоположником целостного учения о биосфере является гениальный русский ученый академик В. И. Вернадский. До него жизнь рассматривалась как случайное явление на Земле, наука нс замечала влияния живого на ход земных процессов. Он показал, что живое вещество (совокупность всех живых организмов) является мощной геохимической силой, под ее воздействием существенно изменился облик планеты. В. И. Вернадский отмечал, что наряду с круговоротом минералов, воздуха и воды существует и биотический круговорот веществ, связанный с жизнедеятельностью живых организмов. Все эти круговороты тесно связаны между собой и образуют единый глобальный круговорот в биосфере.

Живое вещество в биосфере выполняет ряд функций: энергетическую, деструктивную, концентрационную и газовую. Превращение солнечной энергии в энергию химических связей в хлорофиллоносных организмах — это главная функция живого вещества. Данные функции многие ученые сводят в единую основополагающую функцию — средообразующую, так как живое вещество не только адаптируется к окружающей среде, но и приспосабливает ее к своим биологическим потребностям. По образному выражению В. И. Вернадского, «живое вещество само создает себе область жизни».

Биосфера тесно связана с Космосом. Земля входит в планетную систему звезды спектрального класса G2 (желтый карлик) под названием Солнце, от которого к Земле ежесекундно поступает около 2 • 10¹⁴ кДж энергии солнечного излучения. Это основной источник энергии, обеспечивающий протекание сложных процессов на нашей планете, в том числе и биохимических. Земля связана с Космосом также обменом вещества. На Землю попадает космическая пыль, метеориты и отдельные атомы, а из атмосферы Земли в космическое пространство уходят атомы легких газов — водорода и гелия.

Большую экологическую опасность для биосферы Земли представляют астероиды и кометы. Столкновение с космическим телом, диаметр которого 100 км и более, может привести к разрушению планеты вплоть до ее раскола на несколько частей, и биосфера будет разрушена. Современная цивилизация не обладает эффективными средствами противодействия этому явлению.