Дуг МакДугалл – Зачем нужна геология (страница 56)

Что это за проблемы? Их много, но самыми важными являются доступность энергии и минеральных ресурсов; доступ к пресной воде; изменения климата; увеличение кислотности океанов; экологическая стабильность сельского хозяйства; поддержание биоразнообразия. Многие из этих вопросов взаимосвязаны, и некоторые из них уже затрагивались в этой книге. Вы можете сказать, что последние два пункта — за пределами компетенции наук о земле, и будете отчасти правы. Однако для решения этих проблем геонауки тоже нужны. Например, палеонтологи обладают собственным взглядом на современное биоразнообразие, поскольку знают об эволюции и вымираниях. Для решения многих проблем сельского хозяйства требуется разбираться в почвоведении и понимать процессы эрозии — но и то, и другое является неотъемлемой частью наук о Земле. Как я постоянно пытался подчеркнуть, чтобы осознавать функционирование Земли, расшифровывать ее историю и прогнозировать будущее, важно иметь целостное представление о всей планете. Эта идея не нова, но широкое признание она получила только в последние десятилетия. Становится все яснее, что между различными земными процессами существуют связи, которые на первый взгляд не очевидны: например, океанографам, чтобы понять химию океана, сегодня нужно знать химию атмосферы, минералогию и выветривание наземных горных пород, а палеонтологи для понимания палеонтологической летописи должны быть знакомыми с тектоникой плит, химией атмосферы и изменениями химии океана. Изолированно рассматривать отдельные части Земли уже нельзя.

Это представление хорошо иллюстрирует минералогия. Ее часто считают сухой дисциплиной: целые поколения студентов-геологов вынуждены изучать свойства различных минералов, чтобы научиться их идентифицировать, и иногда они задаются вопросом, какой во всем этом смысл. Когда я был студентом, у нас на факультете провели знаменитый (или, возможно, печально знаменитый) экзамен: проверка белых минералов. Все предложенные образцы были белыми, и многие из них являлись редкими белыми разновидностями минералов, обычно имеющих другой цвет; от нас требовалось идентифицировать минералы не по цвету, а по другим характеристикам. Это было непросто. Экзамен был призван подчеркнуть, что для определения минерала нужно рассматривать все признаки образцов, но мы все равно задумывались, есть ли толк от такого упражнения. Однако в 2008 году Роберт Хейзен из Института Карнеги в Вашингтоне (округ Колумбия) и его коллеги выдвинули поразительное предположение, которое вызвало всплеск интереса к минералогии, и теперь, возможно, будущие поколения студентов будут по-новому смотреть на эту отрасль; оно также ставит минералы в основу концепции Земли как единого целого. Хейзен и его коллеги заявили, что минералы эволюционировали вместе с самой Землей.

Ведутся споры, правильно ли применять слово «эволюция» к минералам. Однако Хейзен и его сотрудники отметили, что в материале, образовавшем астероиды и планеты, насчитывается всего примерно шестьдесят различных минералов^[68] (это известно по исследованиям метеоритов). На ранних стадиях развития Земли — с помощью таких процессов как плавление, вулканизм, метаморфизм, химическое разделение внутри планеты, а также образование океанической и континентальной коры — их число выросло примерно до 1500. Сегодня их насчитывается примерно 4300^[69], и авторы считают, что основной причиной является эволюция жизни. Разнообразие минералов увеличивалось по мере того, как жизнь и планета эволюционировали вместе в течение геологического времени. Это новый и интересный подход к минералогии.

На первый взгляд может показаться удивительным, что жизнь и минералы так тесно связаны. В периодической таблице есть девяносто два различных элемента^[70], и в принципе они могут объединяться, образуя практически бесконечное число сочетаний. Однако соединения, которые мы называем минералами, образуются при весьма специфических условиях: особенно важны температура, давление и концентрация различных химических элементов в окружающей среде. На ранних стадиях существования Земли материал, который накапливался на нашей планете, попадал в новые, весьма различные и сильно меняющиеся условия, взаимодействовал с атмосферными газами и водой на поверхности, попадал под воздействие разных температур и давлений внутри Земли. В результате количество видов минералов быстро увеличивалось.

Когда на Земле появилась жизнь, возник новый мощный механизм: биологически опосредованное формирование минералов. Организмы создают полезные минералы (например, зубы состоят из минерала апатита, который представляет собой фосфат кальция), однако не делают этого ни с того ни с сего. Самые первые известные биологически сформированные минералы встречаются в строматолитах (рисунок 10). При создании собственной структуры эти массовые колонии микроорганизмов улавливают уже существующие минеральные зерна, однако там также происходит осаждение нескольких минералов, что создает сложную мелкомасштабную слоистую структуру. Жизнь не только образует минералы непосредственно, но и влияет на их количество косвенно: как только фотосинтезирующие растения начали насыщать кислородом атмосферу и океаны, на поверхности Земли появилось множество новых минералов-оксидов. Увеличение числа минералов необратимо: мы уже никогда не сможем вернуться к тем шести десяткам (или около того), что существовали до образования планет.

Исследования в области минералогии имеют и практическую сторону (знаете ли вы, что при разработке наполнителей для кошачьих туалетов использовался минералогический опыт?), и «чисто исследовательские» аспекты, и это справедливо для большинства наук о Земле. Хотя многие ученые (и организации, которые поддерживают их изыскания) сосредоточены на практических вопросах, которые интересуют общество — вопросах первостепенной важности, для которых нужны знания специалистов по Земле, однако продолжает процветать и поиск знаний о нашей планете, ведомый исключительно любопытством. Значительная часть этой книги имеет дело именно с такими исследованиями — исследованиями, которые породили такие поистине революционные идеи, как тектоника плит или эволюция (я считаю, что Дарвин занимался наукой о Земле; эта тема его очаровывала, и окаменелости внесли свой вклад в его идеи). Но здесь я хотел бы обратиться к некоторым прикладным аспектам исследований, особенно тем, которые связаны с нынешними и будущими социальными проблемами.

В какой-то степени прикладной и чистый — термины хотя и полезные, но несколько произвольные, поскольку эти сферы часто переплетаются. Возьмите, к примеру, ядерное оружие — тему, которую вы, вероятно, не связываете с геонауками (за исключением того, что для поиска и добычи урана требуются геологи и инженеры, знающие геологию). Однако ключевая часть ядерных программ — испытания. Поскольку большинство стран хотят уменьшить, а в конечном итоге и устранить угрозу ядерного оружия, и в то же время часто с подозрением относятся к намерениям других стран, то на первый план выступает обнаружение и определение характеристик секретных ядерных испытаний. В значительной степени эта задача выпала на долю ученых, занимающихся геонауками: особенно активное участие принимали сейсмологи, но присоединились также геохимики, океанологи и специалисты по атмосфере.

Во время холодной войны начались международные переговоры о запрете испытаний ядерного оружия, и почти с самого начала в них участвовали ученые. Оба основных действующих лица этих переговоров, США и СССР, не хотели, чтобы по их территории перемещались группы специалистов, инспектирующих засекреченные объекты. При этом советские ученые утверждали, что могут легко идентифицировать ядерные взрывы даже на больших расстояниях, в то время как их американские коллеги настаивали, что существующих возможностей сейсмологии недостаточно для обнаружения даже довольно мощных взрывов — если только не размещать сейсмографы рядом с полигонами. Такие противоречивые заявления вызвали подозрения обеих сторон, что тут дело уже не в науке, а в политике. В результате в Соединенных Штатах появилась масштабная государственная программа, направленная на улучшение сейсмического обнаружения ядерных взрывов. Эта работа, начатая в 1960-е годы, во многих отношениях оказалась очень успешной. Поскольку сейсмологам предоставили свободу исследований, то эта программа не только усовершенствовала способы обнаружения ядерных испытаний, но и сыграла большую роль в развитии теории тектоники плит и улучшении понимания землетрясений и внутреннего строения Земли. Интересно, что первоначальное расхождение между советскими и американскими возможностями обнаружения оказалось не фикцией — обе стороны предоставили истинные данные. Несоответствие было вызвано тем, что сейсмические волны распространялись по-разному из-за разных геологических условий на советских и американских полигонах.

Хотя в основе методов обнаружения лежит сейсмология, используются и другие методы, основанные на геонауках. Гидрофоны, барографы, приборы для регистрации волн давления в океане и атмосфере могут улавливать сигналы от далеких взрывов — вне зависимости от того, исходят они от подводных вулканов, влетевших в атмосферу метеоритов или испытаний ядерного оружия. Кроме того, поскольку ядерные взрывы выделяют в окружающую среду характерные радиоактивные изотопы (это происходит, даже если проводить испытания под землей), то обнаружение даже очень малых количеств таких изотопов будет недвусмысленно свидетельствовать о проведенном ядерном взрыве. Таким образом, средства, разработанные геонауками для совершенно других целей, оказываются крайне важны для продвижения Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний, принятом Организацией Объединенных Наций в 1996 году. После его полного претворения в жизнь все ядерные испытания будут запрещены, а с помощью тех же самых геонаук (и координирования наблюдений через одно из подразделений ООН в Вене) можно будет гарантировать соблюдение этого запрета. Президент США Барак Обама пообещал двигаться к миру без ядерного оружия. Во многом благодаря сообществу ученых сейчас существует возможность проверить, когда такая цель будет достигнута.