1.3. Физические условия формирования биосферы

1.3. Физические условия формирования биосферы

Космологи считают, что примерно 20 млрд лет тому назад в результате чудовищного взрыва возникла наша Вселенная. Примерно около 6–7 млрд лет назад сформировались Солнце и другие тела его системы, и где-то 4,6–5 млрд лет назад возникла наша Земля (Мизун и др., 2002, с. 130–131). Было высказано предположение, что температурный фон, который должен был дойти до нас от начала «Большого взрыва», составит примерно 3 К, т. е. по шкале Цельсия -270. Дальнейшие проверки американскими радиоастрономами в 1965 г. (А. Пензиас и Р. Вилсон) подтвердили наличие этого реликтового излучения.

Гипотеза расширяющейся (эволюционирующей) Вселенной стала теорией. Расчеты о нестационарности Вселенной, выполненные А. А. Фридманом в 1922 г., полностью подтвердились эмпирически. Следовательно, возникновение Солнечной системы не было загадочным событием. Вместе со Вселенной она идет по пути как качественных, так и количественных преобразований – рождения, возмужания и дальнейшей гибели.

Огромное влияние на эволюцию нашей планеты и возникновение на ней жизни оказало «удачное» ее расположение по отношению к Солнцу. Известно, что Земля отстоит от светила на 149,6 млн км. Роль нашей звезды в динамике движения планет и их устойчивого нахождения на орбитах огромна. Прежде всего, за счет сил притяжения, обусловленного гравитацией, Солнце дисциплинирует движение планет на своих орбитах. Кроме этого, звезда излучает в пространство огромное количество энергии.

Согласно закону теплового излучения, плотность потока световой энергии абсолютно черного тела можно определить в соответствии со следующей закономерностью:

S = Т ⁴, (1)

где S – интенсивность излучения, а – коэффициент пропорциональности – постоянная Стефана – Больцмана, равная 5,67 10^-8 Вт/(м²К⁴), Т – температура нагретого тела.

Солнце излучает энергию во всех направлениях. Поэтому общую мощность излучения (светимость звезды) можно вычислить, если умножить поверхность шара, равную 4?R², на температуру внешних ее слоев. Принимая во внимание выражение (1), имеем (Иванов, 1986, с. 287):

L = 4?R²?T⁴, (2)

где R – радиус, Т – температура поверхности Солнца.

Учитывая, что максимум энергии излучения Солнца приходится на желто-зеленую часть спектра, Т = 5330 К (Иванов, 1986, с. 286–287). Подставляя в формулу (2) параметры светила определим светимость L:

L = 4 3,14 (7 10⁸)² 5,7 10^-8 10³)⁴ Вт = 2,8 10²⁶ Вт.

Следует заметить, что температура поверхности Солнца (Т) у некоторых авторов не совпадает с вышеприведенной. Например, в монографиях Ю. И. Витинского (1983, с. 57–70), А. В. Бялко (1989, с. 96–97) этот показатель равен, соответственно, – 5770 К, 5780 К.

Светимость Солнца L можно определить еще одним способом. Для этого надо знать, сколько энергии во всем спектре приносится солнечными лучами за секунду на единичную площадь, т. е. солнечную постоянную (5). Измерения показали, что вне земной атмосферы 5 = 1360 Вт/м².

Тогда

L = 4?R²s, (3)

где r – расстояние планеты до Солнца.

Подставим в (3) параметры нашей планеты. Имеем:

L = 4 3,14 1,496 10¹¹ 1,36 10³ = 3,83 10²⁶Вт.

Оценка светимости звезды по формуле (3) основывалась на предположении, что Солнце светит одинаково во все стороны, а, следовательно, мощность солнечных лучей должна пронизывать каждый квадратный метр всей сферы радиуса r вокруг Солнца (Вавилов, 1982, с. 70–71; Бялко,1989, с. 97–98). Учитывая формулы (2) и (3), найдем выражение для определения солнечной постоянной для других планет, расположенных от светила на соответствующем расстоянии:

s₀ = R ²?T ⁴/r². (4)

Для нашей планеты показатель s₀ = (3,83 10²⁶/4?)/2; 24 10²⁰ = 1361 Вт/м², а для Венеры и Марса, соответственно, – 2606 и 586 Вт/м².

Как следует из формулы (4), числитель сохраняет неизменное выражение, а переменной величиной, от которой зависит солнечная постоянная для других планет, является их расстояние до Солнца. Имеются данные, что на величину s₀ оказывает влияние изменение интенсивности излучения звезды и колебание ее радиуса (компоненты числителя, представленные в формуле (4) (Чистяков, 1997, с. 24–25). Доказано, что тепловое излучение Солнца постоянно. Его активность изменяет только коротковолновую, нетепловую часть излучения, и она, практически, не меняет тепловой поток, приходящий к нашей планете, и т. д. (Бялко, 1989, с. 133–134).

Можно определенно сказать, что нам «повезло» в том, что планета Земля заняла положение, которое в силу общеприродной закономерности (энергетический фактор) способствовало возникновению и дальнейшей эволюции биосферы на нашей Земле. Обратим внимание на состав атмосферы Венеры, Земли и Марса:

? углекислый газ на этих планетах составляет, соответственно, – 98, 0,03 и 95 %;

? азот – 1, 9, 79 и 2,7 %;

? кислород – следы, 21 и 0,13 %.

При отсутствии живых организмов на Земле углекислого газа было бы 98 %, азота 1,9 % и кислорода – следы.

Важным показателем является и температура поверхности этих планет:

? на Марсе она равна -53 С;

? на Венере – +477 С;

? на нашей планете – +15 С.

Ширина комфортной зоны, когда вода на нашей планете может существовать сразу в трех состояниях (жидкое, твердое и газообразное), составляет 0,06 расстояния Земли от Солнца. Граница полосы лежит в пределах 0,95 и 1,01 этого расстояния (Лосев, 1985, с. 44–45).

Если бы Земля сместилась на 5 % от комфортной зоны в направлении Венеры, то на планете начался бы смертоносный для биосферы разогрев утяжеляющейся углекислотой атмосферы. При ее смещении на 1 % ближе к Марсу она погрузится в вечную спячку под толстым слоем льда (Лосев, 1985, с. 44–45). Отметим, что Земля находится очень близко от роковой границы, за которой развитие климата на ней может пойти по вышеприведенным сценариям. Поэтому похолодания периодически дают о себе знать.