Текст книги "Триумф солнечного века. Революция возобновляемых источников"

Солнце генерирует энергию за счет процесса, происходящего при колоссальной температуре и огромном давлении, в ходе которого 4 протона ядер атомов водорода сливаются, чтобы образовать ядра гелия. Полное описание процесса состоит в том, что два протона преобразуются в нейтроны, при этом рождаются два позитрона и два нейтрино. Поток неуловимого нейтрино с большим трудом удалось поймать на Земле, и это блестяще подтвердило теорию.

Однако если описание синтеза воспринимается легко и просто, то при практической реализации проекта всегда возникает головоломка, связанная с созданием огромных давлений, так как положительный электрический заряд протонов создает огромную силу отталкивания между ними. Эта сила, препятствующая слиянию, делает невозможным прямой контакт протонов даже при высокой скорости, обусловленной гигантской температурой солнечного ядра.

Надо сказать, что вопрос о том, как Солнце производит свою энергию, всегда вызывал большой интерес у ученых. В XIX столетии Гельмгольц и лорд Кельвин предложили механизм гравитационного сжатия Солнца. Однако вскоре выяснилось, что гравитационной энергии было бы недостаточно, чтобы объяснить длительное существование Солнца. Вскоре после открытия радиоактивности в начале XX века, английский ученый Артур Эддингтон предложил в 1920 году механизм слияния ядер водорода, превращающихся в гелий. Он использовал формулу эквивалентности массы и энергии, найденную Эйнштейном, для подсчета дефекта массы, возникающего как разница веса ядра гелия (атомный вес гелия 4,0026) и четырех ядер водорода (атомный вес водорода 1,008).

Эддингтон прозревал далеко идущие последствия ядерного синтеза, уже в те годы поднимая вопрос о «контроле над этой силой для предохранения человеческой расы от самоубийства». В целом Эддингтон был абсолютно прав, но «проклятый» вопрос о кулоновском отталкивании протонов долгое время оставался нерешенным. Прорыв произошел лишь в 1928 году, когда русский (впоследствии – американский) физик Георгий (Джорж) Гамов, поступив в аспирантуру к Максу Борну, сумел с помощью квантовой механики обосновать ненулевую вероятность того, что две одинаково заряженные частицы смогут преодолеть взаимное электростатическое отталкивание в ядре атома. Механизм происходящего он объяснил, используя представление о механизме тоннельного эффекта, что породило длительную дискуссию между ведущими физиками того времени – Теллером, Бете, Вайцзеккером и многими другими.

В 1937 году Карл Фридрих фон Вайцзеккер предложил механизм реакции, позже получивший название CNO цикла Бете – Вейцзеккера. Цикл описывает каталитические свойства углерода, азота и кислорода (обозначения которых и составляют аббревиатуру, ставшую названием цикла), которые содержатся в звездах лишь в небольших количествах, но при этом существенно облегчают условия процесса превращения четырех протонов в гелий (прежде всего позволяет звездам иметь намного меньшую массу, чем это характерно для звезд поколения III, где этих элементов нет). Немецкий ученый Ганс Бете, сыгравший впоследствии большую роль в Лос-Аламосе, участвовал в дискуссии на конференции в 1939 году, где предложил цикл CNO для объяснения механизма выработки энергии Солнцем. Однако на этой же конференции, происходившей в Вашингтоне, была предложена альтернатива – прямая реакция между протонами путем туннелированния, которая отстаивалась Гамовым и Критчфилдом. Тогда они сумели доказать свою правоту, а Бете признал, что ошибся. Однако на самом деле в звездах возможны оба механизма, и вопрос в том, какой из них преобладает: если для нашего Солнца преобладающее значение имеет прямой туннельный синтез, то в более тяжелых и горячих звездах (и в звездах поколения II) работает каталитический цикл CNO. В определенном смысле нам повезло, что прямое слияние протонов столь сильно затруднено огромными силами отталкивания между ними и делает скорость слияния минимальной, ведь не будь квантовых ограничений, все протоны могли бы объединиться сразу, а Солнце просто немедленно бы взорвалось.

Разумно называть Землю нашей матерью, а Солнце нашим отцом. Действительно, на языках с латинскими корнями, таких как французский или испанский, Земля женского рода, а Солнце – мужского. Но в других языках иначе: на немецком языке Земля и Солнце – женского рода, а Луна – мужского. Очевидно, однако, что и такая параллель ошибочна, так как упускает из виду, что наше повседневное существование полностью регулируется лишь парным поведением Солнца и Земли.

Возьмем, например, сон. Он рожден регулярной сменой дня и ночи при движении Земли в лучах Солнца. Или возьмем разницу во времени: Солнце диктует местное время, поэтому происходят временные сдвиги при путешествиях на большие расстояния, когда приходится переводить часы.

Вероятно, Земля и все планеты произошли из той же плоской туманности молекулярного водорода, которая породила и наше Солнце. Рождение планет должно было произойти вскоре после образования нашей звезды, «всего лишь» от 10 до 100 миллионов лет спустя. Мнение об общности происхождения основано на том, что орбиты всех планет лежат в той же плоскости, что отвечает собственному вращению Солнца. Первым, кто предположил, что планеты образовались конденсацией из вращающейся туманности-небулы, был Иммануил Кант, а чуть позднее идею развил Пьер-Симон Лаплас. В 1943 году Карл фон Вайцзеккер, который, как мы упоминали, работал над проблемой энергетики Солнца и CNO-катализом ядерной реакции, выдвинул еще одну столь же далеко идущую гипотезу о том, как могла бы образоваться наша Земля и все планеты, объяснившую с помощью орбитальных резонансов давно мучившую астрономов загадку, известную как правило связи средних радиусов планетарных орбит (правило Титуса – Боде).

Вайцзеккер также предполагал, что планеты должны были первоначально иметь состав элементов, идентичный Солнцу, т. е. содержать более 98 % водорода и гелия плюс небольшой процент тяжелых элементов. На планетах, расположенных ближе к Солнцу, таких как Земля, легкие элементы выбрасывались, как из пращи, из-за их быстрого вращения, что привело за миллиарды лет к обогащению планет более тяжелыми элементами. Внешние планеты, расположенные дальше от Солнца, были более холодными, наличие льда помогало им в удержании водорода, поэтому современная пропорция содержания водорода в Юпитере и его содержание в составе Солнца практически совпадают.

В настоящее время точный химический состав Земли и Солнца нам известен. Земля содержит в основном 4 элемента: кислород, железо, кремний и магний. Все остальные составляют не более 0,3 % общей массы Земли и, как уже упоминалось, все эти элементы ранее были сформированы в массивных звездах при температурах, более чем в 100 раз превосходящих жар ядра Солнца.

После истощения водорода звезды продолжают синтез, используя в качестве топлива гелий, но из-за нехватки энергии сжимаются, а температура продолжает расти. В последующей череде ядерных синтезов сначала образуются углерод и кислород, затем магний и кремний, а после достижения температуры в 3 миллиарда градусов К начинает возникать железо. Образование железа – сигнал, что звезда приближается к состоянию, близкому к взрыву сверхновой, тогда как элементы более тяжелые, чем железо, возникают уже в пламени самого взрыва.

Интересно, что Солнце содержит все те же тяжелые элементы, что и Земля, но в пропорции 1,76 %, тогда как остальное – водород и гелий. Доли тяжелых элементов на Солнце не совсем те же, что на Земле, но их пропорции между собой очень близки – это относится не только к кислороду, имеющему на Земле самую высокую концентрацию, но справедливо и для пропорции железа, кремния и магния на Солнце.

На сегодня предложен целый ряд моделей формирования планет. Можно полагать, что это одна из тем, в которой окончательного решения никогда не будет, во всяком случае до тех пор, пока последний физик не скажет свое последнее слово. В настоящее время можно считать преобладающей так называемую SNDM-модель (Solar Nebular Disk Model – модель солнечного небулярного диска), которая описывает рождение протопланет. Модель, содержащая соответствующие уравнения, впервые появилась в книге российского ученого Виктора Сафронова, вышедшей на русском языке в 1969 году, а в 1972 году – на английском. Но в целом она не так уж сильно отличается от модели Вайцзеккера.

Существенным процессом формирования основной массы нашей Земли было накопление космической пыли в виде плоского орбитального диска. За этим последовал выброс большей части водорода и началась массированная бомбардировка астероидами и кометами. Полезно напомнить, что одним из таких столкновений, пережитых примитивной Землей, была «ударная» встреча с небольшой протопланетой, что и привело к рождению Луны.

Астероиды, чьи ледяные уколы столь часто достигают Земли, происходят из «пояса Койпера» – области, лежащей за пределами планеты Нептун. Это «отходы» образования Юпитера и, следовательно, они столь же стары, как и сама Солнечная система. Вращаясь вокруг Солнца, они, как правило, имеют возможность иногда пересекать орбиту Земли.

Считается, что кометы отличаются от астероидов тем, что приходят извне Солнечной системы. Число комет исчисляется миллиардами, но лишь 184 из них идентифицированы как обладающие периодом возвращения к Солнцу. Состоят кометы в основном из ледяного ядра, пыли и газов. Под солнечными лучами лед испаряется и кометы распускают пышные хвосты на расстояние до 10 миллионов километров. Совершив приблизительно 500 оборотов вокруг Солнца, кометы становятся простыми скалами, точно такими же, как астероиды.

Замечательным прорывом современной астронавтики стал визит искусственного модуля-лаборатории «Rozetta» на комету «Чюрюмова – Герасименко» («Tchouri») в 2016 году. Несмотря на то что модуль разбился при посадке, он сумел измерить и передать изотопный состав ксенона в атмосфере кометы, а это в свою очередь позволило путем сопоставления с образцами на Земле и солнечными спектрами прийти к выводу, что вода в составе кометы не принадлежит Солнечной системе.

По-видимому, в ходе формирования нашей Земли порядка 1 % воды должно было принадлежать кометам, что составляет 1/100 000 массы океанов. Остальная часть нашей земной воды, видимо, происходит от астероидов и пород первоначального диска, образующего первичную Землю. Считается, однако, что именно кометы занесли на Землю первые органические молекулы – аминокислоты, такие как глицин, т. е. жизнь обязана своим происхождением панспермии.

Формирование нашей Земли должно было завершиться довольно быстро, включая образование Луны. Мировой океан Земли 4,4 миллиарда лет назад уже существовал. Выставка, открывшаяся в 2018 году в Национальном музее естественной истории в Париже под названием «Метеориты между небесами и землей», продемонстрировала образцы многих различных типов астероидов, в том числе астероиды, «выжившие» со времен образования Солнца. На рис. 1.1 показано поперечное сечение такого образца. На снимке видны яркие зерна, заключенные в коричневую матрицу. Эти зерна образовались при очень высоких температурах в окрестности рождающего их Солнца. С помощью этих образцов можно гораздо точнее узнать возраст нашего Солнца, как отмечалось ранее. Матрица, куда углублены вкрапления, образовалась из той же пыли, из которой первоначально сформировалось Солнце и его планеты, т. е. она намного старше Солнечной системы.

Рис. 1.1. Шлиф поперечного разреза астероида – ровесника нашей Солнечной системы, содержащего материал, из которого она была сформирована. (Фото автора)

Напомним, что современное представление состоит в том, что Солнечная система сформировалась из огромного облака, содержащего более 98 % водорода и 1,7 % пыли, о которой идет речь. Спеченная пыль в образцах астероидов находится в состоянии минералов, называемых хондритами. Из той же пыли образовалась и наша Земля. Другие типы метеоритов богаты углеродом и органическим материалом – основными элементами живого, хотя не имеют следов жизни как таковых.

Интересно, что большинство астероидов, собранных на Земле, состоит из чистого железа. До того как человек научился производить железо из железной руды (до начала «железной эры»), люди не имели доступа к другим источникам твердых металлов, кроме метеоритного железа. Говорят, что даже кинжал из гробницы Тутанхамона был сделан из железа астероидного происхождения.

Кроме того, «метеоритное» железо, извлеченное из астероидов, родственно железу в ядре нашей Земли. Многие астероиды сами имеют, подобно нашей планете, расплавленное железное ядро, мантию и твердую минеральную кору. Целое семейство подобных астероидов, порой лишь в виде частей и обломков, объединены под именем Весты, имеющей 576 км в поперечнике. У астероидов такого размера обнаруживается даже спонтанный вулканизм.

Расположение Земли в Солнечной системе создает ей большие преимущества для развития жизни. Например, от астероидов нас «затеняет» гравитационное поле Юпитера, которое не позволяет основной массе орбит астероидов пересекаться с орбитой Земли.

Жизнь на Земле могла возникнуть на основе тех ингредиентов, которые были принесены в момент формирования планеты астероидами: углерода, который является основой всех биохимических процессов, и воды. Собранные вместе обозначения элементов жизни приводят к акрониму CHONPS – из буквенных обозначений химических элементов С – углерод, H – водород, O – кислород, N – азот, P – фосфор и S – сера.

Кроме химического родства, существует и иная связь Земли с Солнцем. Расплавленные сплавы железа во внешнем конвективном контуре жидкого ядра Земли находятся в постоянном движении и создают эффект динамо. Без магнетизма, созданного этим током, протоны, составляющие основную массу солнечного ветра, не отклонялись бы по силовым линиям, а легко снесли бы наружную часть атмосферы Земли (чем, несомненно, очень сильно повредили бы ее пригодности для жизни).

Для сохранности чередования времен года на Земле важно, чтобы ось угла наклона планеты к плоскости орбиты вокруг Солнца (плоскости эклиптики) оставалась неизменной. Эта стабильность достигается благодаря наличию массивного спутника – Луны, имеющего высокую плотность и значительный размер – диаметр около 3,5 тыс. км. Марс, к примеру, обладает двумя весьма легковесными спутниками – это Фобос и Деймос, диаметром 22 и 12 км соответственно, хотя, скорее всего, это захваченные его тяготением астероиды. Вследствие отсутствия мощного противовеса-стабилизатора, аналогичного Луне, наклон оси вращения Марса подвержен влиянию других планет и хаотически менялся за миллионы лет – от 10 до 60 градусов и более.

Комфортность температуры на Земле действительно замечательна, если учесть, что на самом деле Земля является весьма опасным местом: температура в космическом пространстве не выше 20 К, а земная поверхность, на которой мы живем, заключена между ядром Земли, температура в котором около 7000 К, и поверхностью Солнца, излучающей при 5778 К. Теплота внутри Земли поддерживается со времен ее образования за счет распада урана-238 с периодом полураспада 4,5 миллиарда лет. Это тепло наглядно проявляет себя вулканизмом, однако не столь значимым для температуры поверхности Земли, где доминирует излучение Солнца. При этом более 31 % излучения Солнца отражается обратно в космос (и благодаря тому, что отражение носит объемный характер, рассеяние излучения в атмосфере придает Земле красивый густой синий цвет, наблюдаемый из космоса). Поглощаемая часть солнечного излучения в конечном итоге превращается в тепло – это относится не только к той солнечной энергии, которая преобразуется фотомодулями в электричество, но и к энергии круговорота воды, которая позволяет вырабатывать энергию гидростанций – вся эта энергия в конечном итоге превращается в работу, эквивалентом которой, по закону Джоуля, является тепло. В результате Земля поглощает излучение Солнца с максимумом, отвечающим температуре солнечной фотосферы (около 5800 K), расположенном в видимом спектре на длине волны около 0,5 микрон, а излучает – точно такое же количество энергии, но уже как тепло в инфракрасном диапазоне с максимумом на длине волны около 10 микрон, отвечающей температуре поверхности, находящейся при 300 К.

Эффективная планетарная температура Земли без учета атмосферы, но с учетом реального отражения (величина альбедо 33 %), составляет 254 К, или –19 °C. Однако в атмосфере работает парниковый эффект, создаваемый парами воды и другими так называемыми парниковыми газами, которые добавляют к этому ледяному холоду недостающие 35 градусов и превращают планету в комфортное место со средней температурой 15 °C.

Окидывая взглядом извилистую дорогу, пройденную развитием жизни на Земле, можно отметить, что периоды относительного благополучия сменялись катастрофами, уничтожившими огромное число видов, созданных эволюцией; данные палеобиологии свидетельствуют о пяти исторических периодах глобальных массовых вымираний. Если организмы и выживали, то только благодаря их чрезвычайной жизнеспособности. Одним из таких драматических моментов в развития живого стал рост концентрации свободного кислорода в воздухе более двух миллиардов лет назад, что было губительно для анаэробных прокариотов, царство которых продолжалось также без малого два миллиарда лет.

Только «недавно», примерно 9–10 тысяч лет назад, закончился последний ледниковый период. Это был глобальный катаклизм, но его окончание вызвало наводнение, которое стало еще более страшной катастрофой.

Ледниковый период длился 100 тысяч лет. Если принять во внимание то многое, что может произойти всего за тысячу лет (ведь даже открытие Америки произошло всего 500 лет назад), то трудно представить, какой колоссальной продолжительности отвечают эти 100 тысяч лет для человеческих популяций различных видов, живших в те времена. А ведь на самом деле это были наши прямые предки.

Открытия последних лет говорят о том, что возраст Homo sapiens на всех известных территориях составляет не менее 300 тысяч лет. Доказательства найдены не только в Восточной Африке, где климат благоприятен для сохранения останков человека, но также в Марокко, на Балканах и на территории современной Германии были найдены следы первых людей нашего вида. Период в 100 тысяч лет для ледникового периода вмещает приблизительно 3000 поколений наших предков. У них было достаточно времени для расселения по Земле.

Во время последнего ледникового периода (а до того было еще нескольких других), около 32 % суши были покрыты льдом высотой до 3 км. Крутые ледяные мосты охватывали и соединяли все северные части Европы, Азии и Америки, а также самые южные районы Южного полушария. Горы, такие как Альпы или Тибет, были покрыты льдом. Воздушные включения в полярных ледяных кернах служат доказательством того, что в те времена содержание парниковых газов в воздухе уменьшилось почти наполовину. Эффект охлаждения, видимо, был дополнительно усилен некоторыми крупными вулканическими взрывами. Например, вулкан Тоба, извергавшийся 74 000 лет назад, мог быть одним из многих, кто засорял воздух аэрозолями, а их попадание в стратосферу приводило к мощному отражению солнечного излучения.

Условия жизни, должно быть, были столь ужасными, что мало кому удавалось выжить. Возможно, жизнь сохранялась в пещерах, таких как в Южной Франции и Испании (где нам предки оставили прекрасные рисунки того периода) или в пещерах Германии, где недавно были обнаружены впечатляющие артефакты. Немногие оставшиеся в живых стали прародителями целого древа языков, а индоевропейская языковая ветвь – всего лишь одним из ответвлений на нем. Английский, немецкий, французский, испанский, русский или индийский языки являются его частью, хотя в него, в частности, не входят африканские языки.

Расхождение между африканским и европейским населением должно было произойти очень рано. Несмотря на стресс, от которого страдал Homo sapiens в течение столь долгой ледниковой эры, он сумел проявить свой интеллект не только в искусстве, но и в создании наших оригинальных языков. То, как мы говорим сегодня, – это всего лишь последовавшие диалекты изобретенных теми людьми языков.