Земля может компенсировать рост температуры путем сокращения количества углекислого газа. Этот парниковый газ вступает в реакцию с дождевой водой, превращая ее в углекислоту, которая выпадает в виде так называемого кислотного дождя. При попадании на поверхность планеты кислая дождевая вода растворяет горные породы, вступая во взаимодействие с ними в рамках процесса химического выветривания, приводящего к образованию богатых углеродом минералов. Растворенные минеральные вещества смываются в океан, образуя твердые соединения углерода, такие как меловой карбонат кальция[33] и известняк. В ходе этого процесса углерод удаляется из атмосферы, и планета охлаждается.
Углерод может возвращаться в атмосферу через жерла вулканов. При столкновении образующих земную кору гигантских тектонических плит одни из них погружаются под другие (этот процесс называют субдукцией). Вызываемое движением нижней плиты трение приводит к плавлению горных пород и высвобождению углекислого газа. Газ и силикатные породы прорываются на поверхность через вулканы. При этом формируются новые наслоения, а углекислый газ выбрасывается обратно в атмосферу.
Циклическое перемещение углерода называют циклом углерода. Он выступает в качестве своего рода термостата, корректирующего температуру Земли. Если планета начинает нагреваться, большее количество воды превращается в пар, и, как следствие, увеличивается интенсивность осадков. Это, в свою очередь, приводит к более активному взаимодействию углекислоты с горными породами, в результате которого она выводится из атмосферы. Из-за снижения содержания углекислого газа атмосфера задерживает меньше инфракрасного излучения, и планета охлаждается. И наоборот: когда температура на поверхности Земли опускается слишком низко, образуется лед, и количество осадков уменьшается. В более суровых климатических условиях интенсивность взаимодействия кислой воды и горных пород также снижается. При этом не только падает количество выводимого из атмосферы углекислого газа, но его становится еще и больше благодаря вулканической активности. Таким образом, количество парниковых газов увеличивается, атмосфера удерживает больше тепла, и планета нагревается.
Несмотря на свою эффективность, природный термостат работает очень медленно: цикл переноса углерода между атмосферой, горными породами и морями занимает 100–200 млн лет. Как раз в этой медлительности и заключается причина того, почему деятельность человека приводит к повышению температуры Земли: мы накачиваем атмосферу парниковыми газами намного быстрее, чем они могут быть выведены из нее путем химического выветривания. Если объем углекислого газа, попадающего в атмосферу в результате вулканической активности, составляет несколько сотен миллионов тонн в год, то выбросы от сжигания ископаемых видов топлива превышают его в сто раз, приближаясь к 30 млрд тонн.
Да, благодаря циклу углерода Земле удается справляться с незначительными колебаниями интенсивности солнечного излучения. Но его возможности далеко не безграничны. Если Земля окажется слишком близко к Солнцу, она не сможет оперативно среагировать на рост содержания водяного пара в атмосфере путем сокращения количества углекислого газа. Поэтому планета продолжит нагреваться, пара в атмосфере станет еще больше, а парниковый эффект усилится. При температуре 100 °C и выше выпадение осадков прекращается, процесс выведения углекислого газа прерывается. В результате испарения воды и вулканической активности в атмосфере продолжают накапливаться парниковые газы, температура непрерывно повышается. В условиях высоких температур углерод высвобождается из горных пород в атмосферу и вступает в реакцию с кислородом, еще больше увеличивая содержание в ней углекислого газа. Запускается необратимый цикл нагрева планеты, который завершается полным исчезновением воды с ее поверхности.
Возможно, нечто похожее случилось с Венерой. Располагаясь недалеко от нас, этот мир имеет практически те же размер, массу и состав, что и Земля. Однако, в отличие от нашей планеты, у Венеры толстая атмосфера из углекислого газа, ее недра бедны углеродом, а температура поверхности составляет 480 °C. Неудивительно, что при такой температуре, которой вполне достаточно, чтобы расплавить, например, свинец, ни один космический зонд не смог продержаться на поверхности Венеры больше двух часов. Пример планеты показывает, что сходство с Землей в размерах ничего не значит. На Венере определенно слишком горячо для каши Златовласки.
Теперь представим, что Земля отдаляется от Солнца. В этом случае благодаря круговороту углерода уровень углекислого газа повысится, что позволит планете оставаться теплой. Но как только температура упадет до значения, при котором углекислый газ конденсируется в облака, в механизме температурной регуляции произойдет сбой. Облака из углекислого газа будут отражать и блокировать больше солнечного излучения, ускоряя остывания планеты, вместо того чтобы препятствовать ему. При отдалении Земли от Солнца температура поверхности планеты упадет до нуля на расстоянии 1,4–1,7 а.е. Это точка, при пересечении которой перестает действовать парниковый эффект.
Границы зоны умеренных температур определяются пределами области, в которой температура поверхности Земли регулируется круговоротом углерода. При приближении к Солнцу Землю ждет судьба Венеры из-за слишком сильного парникового эффекта, тогда как при отдалении от звезды парниковый эффект перестанет действовать и планета замерзнет, превратившись в огромный снежок. Согласно консервативной оценке, в Солнечной системе зона умеренных температур начинается на расстоянии 0,95 а.е. и заканчивается на расстоянии 0,14 а.е.; при более гибком подходе ей отводят область между 0,84 а.е. и 1,7 а.е. Во втором варианте, предполагающем включение в зону дополнительного пространства, вода на Земле будет присутствовать не на всем протяжении ее жизни. Например, по имеющимся данным, около 3,8 млрд лет назад на поверхности Марса могла быть вода. На раннем этапе эволюции Венеры на ней также могла присутствовать вода в жидкой фазе. С учетом этих двух эпох в истории Венеры и Марса мы получаем максимально возможные пределы зоны умеренных температур.
Предполагается, что благодаря круговороту углерода внутри этой зоны температура на поверхности Земли будет оставаться в диапазоне от 0 до 100 °C, то есть на таком уровне, при котором вода на поверхности будет оставаться жидкой. Зависимость пределов зоны умеренных температур от состава атмосферы и геологического строения Земли означает, что у других планет они будут другими. Если, например, увеличить содержание углекислого газа в атмосфере Земли в 10 раз, то даже там, где она находится сейчас, на ней не будет воды в жидкой фазе. При другом составе газов в атмосфере или горных пород мы получим совершенно другой цикл, не имеющий ничего общего с земным.
Но какой тогда толк от понятия зоны умеренных температур, если оно распространяется только на планеты одного типа? Основная его задача — задать рамки для будущих астробиологических исследований. Вторая Земля будет найдена в пределах зоны умеренных температур, да и распознать жизнь на другой планете нам будет намного легче, если она будет походить на нашу. Однако само по себе нахождение в зоне умеренных температур не гарантирует наличие жизни, воды и даже твердой поверхности.
Если мы продолжим сокращать расстояние от Земли до Солнца, в определенный момент интенсивный солнечный свет нагреет атмосферу настолько сильно, что с планеты улетучатся все газы. При поглощении солнечной энергии молекулами их скорость увеличивается до значения, позволяющего им преодолеть гравитационное притяжение планеты. Точку, в которой под воздействием Солнца планета утрачивает атмосферу, называют космическим берегом. Как и в случае с парниковым эффектом, точное его расположение сильно зависит от особенностей конкретной планеты. Легкие атомы улетучиваются быстрее, чем тяжелые молекулы, а значит, планета с атмосферой, богатой водородом, лишится ее быстрее, чем планета, в атмосфере которой преобладают газы с высоким содержанием углерода и кислорода. Удерживает атмосферу гравитационное поле планеты. Поэтому чем массивнее мир, тем более устойчивы газы на его поверхности к излучению звезды. Мы уже упоминали данную зависимость в главе 6, когда рассматривали механизм превращения горячего юпитера в хтоническую суперземлю. Максимальное излучение, которое может выдержать атмосфера Земли, в 25 раз превышает то, которому она подвергается сейчас. Такая интенсивность излучения наблюдается на расстоянии около 0,2 а.е. Область между космическим берегом и зоной умеренных температур называют зоной Венеры. Это та часть пространства, в пределах которой в результате мощного парникового эффекта планета земного типа с большой вероятностью должна превратиться в похожее на Венеру адское пекло, в котором плавится даже свинец.
Есть некая несправедливость в том, что, несмотря на совершенно не подходящие для медведей и овсянки условия, легче всего обнаруживаются как раз планеты в зоне Венеры, так как они ближе к своей звезде, чем миры аналогичного размера в зоне умеренных температур. Поэтому при рассмотрении вопроса о пригодности того или иного экзомира для жизни обязательно нужно обращать внимание на границу между этими областями.
Еще один фактор, затрудняющий определение границ зоны умеренных температур, — это сама звезда. Светимость звезды меняется на протяжении ее жизни, и значит, в разные периоды существования звезды окружающая ее планетная система получает разное количество тепла. По мере превращения водорода в гелий, а затем и в более тяжелые элементы ядро звезды сжимается. Сжатие сопровождается выделением энергии, что приводит к усилению светимости звезды. Около 3–4 млрд лет назад наше Солнце было на 30% менее ярким, чем сейчас. Если бы количество получаемой Землей солнечной энергии уменьшилось на такую величину, температура на поверхности нашей планеты была бы ниже на 20 °C, чем сейчас. То есть большая часть Земли была бы заморожена. Но, как это ни странно, геологические данные показывают, что 4 млрд лет назад на поверхности Земле было более чем достаточно воды в жидкой фазе. От той эпохи до нас дошли осадочные породы, которые были сформированы в результате оседания в жидкости твердых частиц. Это называют