§ 47. Азотная стадия атмосферы.

Уже упоминалось о том, что примерно через 30 миллионов лет земная атмосфера потеряет углекислый газ, который весь поглотится растениями, а через 60 миллионов лет кислород атмосферы израсходуется на подземное окисление вещества мантии и ядра. После этого атмосфера будет состоять из азота. В течение 140 миллионов лет после потери кислорода наша планета будет окружена азотной атмосферой. Потом и эта газовая оболочка Земли исчезнет вследствие жизнедеятельности почвенных азотобактерий. Биологами подсчитано, что за год атмосфера безвозвратно теряет на микробиологические процессы 10¹¹ кг азота. Тогда весь свободный азот Земли будет усвоен бактериями через 240 миллионов лет. Предполагаемые физические параметры азотной атмосферы через 200 миллионов лет, считая от сегодняшнего дня, следующие: масса атмосферы около 10¹² кг, в миллион раз меньше современной, толщина газовой оболочки около 100 километров, давление у поверхности 0,001 атмосфер.

Подведем краткий итог эволюции земной атмосферы. Существует естественный процесс уничтожения атмосферы Земли. Через 30 миллионов лет атмосфера потеряет углекислый газ, который поглотится растительным миром, через 60 миллионов лет - кислород, который будет истрачен на окисление остывших пород мантии и ядра планеты, а через 240 миллионов лет - азот, который будет поглощен азотобактериями почвы. Поэтому можно утверждать, что через четверть миллиардов лет земной шар потеряет атмосферу и станет похожим на Луну.

§ 48. Стадия безатмосферной планеты.

На конечном этапе своей эволюции все старые планеты теряют свои атмосферы по чисто космическим причинам.

1. Процесс медленного уничтожения атмосферы – это процесс диссипации, распыления газов по космическому пространству. Исследуя распределение яркости света по ночному небосводу с учетом влияния зодиакального света, академик В. Г. Фесенков в 1949 году подтвердил предположение некоторых ученых о том, что земная атмосфера имеет светящийся газовый хвост, как у комет. Хвост атмосферного газа вытянут в обратную от Солнца сторону, и стелется точно в плоскости эклиптики. От ночной стороны земного шара хвост атмосферы распространяется в мировое космическое пространство более чем на 200 тысяч километров в виде расходящегося конуса, имеющего раствор около 10˚. Плотность воздуха вдоль хвоста убывает довольно медленно, приблизительно в 2 раза на каждые 4,7 радиуса Земли. Причиной описанного явления (как и у комет) может быть только фактор давления «солнечного ветра» на верхние слои атмосферы в одном направлении. Смотрите рисунок 24.

Рисунок 24. Диссипация атмосферных газов из атмосферы Земли.

Это наглядный пример "принудительного" рассеивания атмосферных газов (диссипации) по космическому пространству, несмотря на то, что гравитационное притяжение планеты направлено на удержание вокруг себя атмосферы. В 1986 году канадские ученые и их коллеги из США с помощью спектрометра, установленного на спутнике, определили, что ежегодно из полярных областей ионосферы теряется около 50 миллионов килограмм кислорода («Science News», 1986). Атомы кислорода получают высокие скорости движения в полярных областях атмосферы от ударов заряженных частиц «солнечного ветра» и космических лучей, которые концентрируются к полюсам благодаря сходящимся магнитным силовым линиям Земли. Дополним исследования рассуждениями. Кислород теряется не только с полюсов Земли, но и со всей поверхности ионосферы. Поэтому истинная масса годовой потери кислорода больше приблизительно в 20 раз, и достигает 1 миллиард килограмм в год. Общее количество кислорода в атмосфере составляет 10¹⁸ кг. Следовательно, весь атмосферный кислород рассеется по космическому пространству через 1 миллиард лет. Одновременно с кислородом диссипации подвергаются азот, углекислый газ, неон, пары воды, водород и другие газы. Точные расчеты показывают, что за год атмосфера Земли теряет 5 миллиардов килограмм газов, в основном азота и кислорода. Вся атмосфера Земли массой 5×10¹⁸ кг уничтожится диссипацией газов за миллиард лет.

До сих пор многие астрономы придерживаются представления о диссипации атмосферных газов, как о разновидности теплового хаотического движения атомов газов в самых верхних слоях атмосферы. Однако на верхние слои атмосферы действует не только тепловой, но и множество других физических факторов, которые превращают процесс диссипации атмосферных газов в мощный и безостановочный механизм. Перечислим основные факторы диссипации атмосферных газов. Характерно, что эти факторы противодействуют единственной силе – силе гравитационного притяжения атмосферных газов массой Земли.

1) Вакуумный фактор. Планеты располагаются в космическом пространстве, которое можно сравнить с абсолютным вакуумом. Из аэродинамики известно, что газы стремятся от среды с высокой плотностью (из плотных слоёв атмосферы) к более разреженной среде (в космический вакуум). Гравитационное притяжение планет хорошо удерживает те газы атмосферы, которые находятся на расстоянии более 100 километров от поверхности. Газы атмосферы, которые находятся на расстоянии от планеты в 1000 и более километров удерживаются гравитацией плохо. Около 5 миллиардов лет назад толщина земной атмосферы достигала 500 000 километров (сейчас 1000 километров). Поэтому при избытке газов атмосферы, что происходит на первых стадиях ее эволюции, можно предположить о существовании перемещения миллиардов тонн газов в космический вакуум.

2) Фактор механического выталкивания газов в космическое пространство. Атмосфера Земли 3 – 4 миллиардов лет назад была перенасыщена горячими газами и парами. Ее размеры достигали у Земли 300 000 километров, у Юпитера во время вулканической стадии - атмосфера была толщиной в несколько миллионов километров. Большая удаленность наружных слоев атмосферы значительно ослабляет гравитационные силы, и газы беспрепятственно растекаются по космическому пространству. Постоянное пополнение атмосферы новыми порциями раскаленных вулканических газов в прошлом приводило к чисто механическому выталкиванию газов из атмосферы планеты в окружающее пространство.

3) Тепловой фактор. Верхние слои атмосферы нагреваются до температуры 1000˚ К - 1500˚ К. Теплота - это хаотическое движение атомов вещества. При 10000˚ скорость движения атома азота достигает 10 километров в секунду. Только при 14000˚ атом атмосферного газа способен развить третью космическую скорость (17 километров / в секунду) и покинуть пределы земной атмосферы. Из приведенных данных видно, что если ограничить расчеты массы диссипирующих газов тепловым фактором, то потери атмосферы действительно покажутся незначительными.

4) «Солнечный ветер». Солнце излучает огромное количество ядер элементов. Сталкиваясь с атмосферными газами, ядра элементов передают им свои высокие скорости. Под действием «солнечного ветра» атомы азота и кислорода приобретают скорости в несколько десятков километров в секунду, и улетают в космическое пространство.

5) Солнечное электромагнитное излучение. На верхние слои атмосферы обрушивается мощное солнечное излучение, которое состоит из гамма-лучей (средняя энергия фотонов 10⁸ эв), рентгеновских (10⁴ эв), ультрафиолетовых лучей (10 эв), света видимого спектра (0,4 эв), инфракрасных лучей ­(10 ^{– 2} эв), радиоволн (10 ^{– 6} эв). Поток воздействует на молекулы газов атмосферы как мощное, постоянно действующее «световое давление».

6) Космические лучи. Космическое пространство заполнено космическими лучами, которые, представляют собой ядра атомов и элементарные частицы. Их скорость 300000 километров в секунду. В верхних слоях атмосферы происходит сталкивание этих частиц с молекулами газов, которым передается равное количество движения. Газы атмосферы приобретают скорости в несколько десятков километров в секунду и улетают в космическое пространство.

7) Магнитное поле Земли концентрирует заряженные частицы «солнечного ветра» и космических лучей на полюсах. Концентрированный пучок заряженных частиц мощной струей «бьет» газы верхних слоев атмосферы, и тем самым усиливает диссипацию атмосферных газов с полюсов планеты.

8) Воздействие на атмосферу Земли гравитационного притяжения Луны, Юпитера и других планет также усиливает процесс рассеивания атмосферных газов по космическому пространству.

Все описанные механизмы достаточно быстро уничтожают атмосферу Земли и других планет.

2. Длительность существования атмосферы у планет. Указанные факторы диссипации преодолевают гравитационное притяжение атмосферных газов к планете и медленно «растаскивают» атмосферу по космическому пространству. Особенно быстро теряется атмосфера у планеты, которая расположена близко к Солнцу (звезде). Атмосфера быстро теряется у малых по массе планет и дольше сохраняется у крупных планет, так как сила их гравитационного притяжения во много раз выше. Поэтому более мелкие небесные тела Меркурий (0,055 массы Земли), Луна (0,012), Марс (0,107 массы Земли) под действием описанных факторов давно потеряли (или почти потеряли) свои атмосферы. По приблизительным расчетам, 3 - 4 миллиардов лет назад они имели довольно обширные и плотные атмосферы из углекислого газа, аммиака, паров воды. В прошлом эти небесные тела были горячими, на их поверхности происходили тектонические явления. Вулканические извержения заполняли атмосферу газами. Астрономы получили некоторые данные в подтверждение того, что когда-то на поверхности Луны и Марса существовала и обширная гидросфера: океаны, моря, реки и озера.

Таблица 5. Физические параметры атмосферы Земли.

Возраст планеты Земля, млрд. лет	Физические параметры атмосферы
	Масса атмосферы, кг	Толщина атмосферы, км	Давление у поверхности в атмосферах.
1	1023	5 × 10 5	2 × 10 3
2	1021	5 ×10 4	102
3	1020	104	20
4	1019	5 × 104	5
5 (сейчас)	5 × 1018	103	1
6	1012	102	10-4
7	0	0	0

Таблица 6. Эволюционные изменения массы Земли.

Возраст Земли, миллиарды лет назад	7	6	5	3	1	0, сейчас	1 миллиард лет в будущем	2 миллиарда лет в будущем
Масса Земли (в массах современной Земли)	10	2	1,4	1,2	1,1	1	0,9	0,8
Радиус литосферы Земли в километрах	106 километров	105	104	9000	8000	6400	6000	5000 километров

Но после потери атмосферы быстро испарилась вода океанов и морей, а испарившиеся в атмосферу молекулы воды также рассеялись по космическому пространству. Аналогичный эволюционный финал ожидает атмосферу Земли, Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна и Плутона. Для них конечным этапом эволюции также является стадия безатмосферной планеты. Каждая планета Вселенной через определенный период своего существования, исчисляемый миллиардов ми лет, полностью теряет атмосферу. Земля лишится ее через 250 – 1000 миллионов лет, Венера - через 10 - 15 миллионов лет, Юпитер и Сатурн - примерно через 2000 миллионов лет, а Меркурий, Марс и Луна уже потеряли атмосферу 3000 миллионов лет назад. Потеря атмосферы планетой - неотвратимый эволюционный процесс! От возникновения до своей гибели Земля будет существовать 10 миллиардов лет, а атмосфера вокруг нее будет присутствовать только 8 миллиардов лет, то есть 80% всего времени существования. Последние 2 миллиарда лет старая Земля не будет окутана атмосферой! Если сравнить физические характеристики атмосферы Земли по описанным эволюционным стадиям (в §§ 42 – 47), то можно сделать заключение о постоянном уменьшении массы атмосферы, ее толщины и давления у поверхности планеты. Смотрите таблицу 5.

Аналогичный процесс постоянного разряжения атмосферы происходит с каждой планетой во Вселенной. Это диалектический космический закон, который пока плохо изучен астрономией и геофизикой. Под действием факторов диссипации Земля потеряет свою атмосферу через 1 миллиард лет. Каков будет внешний вид нашей планеты в ту стадию? Внешне она станет похожей на Луну. Одновременно с потерей атмосферы испарится вода морей и океанов с поверхности Земли, а молекулы воды рассеются по космическому пространству. Исчезнут океаны, моря, реки, озера, ледники и снега. Если наблюдать Землю из космоса через 1 миллиард лет, то ее поверхность будет состоять из светлых «континентов» и темных поверхностей на месте бывших океанов и морей, как на современной Луне. На «континентах» можно будет найти сухие русла рек: Амазонки, Нила, Дуная, Волги, Енисея и так далее. Конечно, никакой биологической жизни к тому времени уже не будет, поскольку она на Земле погибнет уже через 30 миллионов лет.

3. Диссипация уменьшила общую массу Земли в 10 раз. В заключении исследования эволюции атмосферы планеты Земля обратим внимание на то, что процесс диссипации уменьшает общую массу планеты, так как уменьшает массу ее атмосферы. Уменьшение массы планеты проходит два этапа. Смотрите таблицу 6.

Во-первых, только что образовавшаяся планета (из атмосферных газов звезды) содержит огромное количество водорода. После сильного радиоактивного нагревания планеты огромные массы газообразного водорода покидают ее тело, заполняя атмосферу и рассеиваясь по космическому пространству. Поэтому масса первичной литосферы, содержащей водород, в несколько раз выше кремний - металлической литосферы планеты.

Во-вторых, на протяжении всей дальнейшей эволюции планеты миллиарды тонн вулканических газов покидают ее недра, насыщая атмосферу, а процессы диссипации рассеивают эти газы по космическому пространству. Все планеты состоят на 85% по весу из легких элементов, образующих газовые молекулы при соединении с кислородом и водородом. Металлы содержатся только в коре, которая по массе составляет 15% от массы всей планеты. Поэтому потеря общей массы планеты из-за механизма диссипации газов в космическое пространство на протяжении 5 миллиардов лет составляет приблизительно 90%. Так уменьшается масса литосферы планеты.

Диссипация уничтожает и гидросферу планеты. В таблице 6 приведены данные уменьшения массы Земли на протяжении всей ее эволюции. Все объекты неживой природы (планеты, звезды, галактики и другие) в процессе эволюционного старения уменьшают свою массу. Объекты живой природы (растения, животные) от рождения до смерти, наоборот, увеличивают свою массу.

4. Физические условия существования безатмосферной Земли. Через 1 миллиард лет Земля потеряет атмосферу. Конечно, нельзя говорить о наличии какого-то климата при отсутствии атмосферы у планеты. Однако и у безатмосферной планеты будет определенная динамика изменений физических условий. Поверхность планеты будет очень холодной. Дело в том, что звезды гаснут, теряют свою способность излучать электромагнитные волны. Смотрите § 27. Через 3 миллиарда лет Солнце превратится в карликовую звезду с очень слабой светимостью. Земля и другие планеты будут получать ничтожное количество тепловой энергии. Поэтому можно предположить, что в то далекое время планеты Солнечной системы будут иметь постоянную температуру, близкую к абсолютному нулю по Кельвину (или минус 273 ° по Цельсию). Холод и темнота, отсутствие живых организмов, океанов и морей, отсутствие атмосферы – такое печальное зрелище будет представлять собой Земля через 3 миллиарда лет.