Готовый перевод Terry Pratchett The Science of Discworld I / Терри Пратчетт Наука Плоского Мира I: EIGHTEEN AIR AND WATER

ЭТО ДОВОЛЬНО УДИВИТЕЛЬНО, что жесткие правила физики допускают нечто такое гибкое как жизнь, и волшебников можно было бы твёрдо обвинить в том, что они не предугадали возможности, что живые создания вполне могут существовать на голых камнях Круглого Мира.

Но Здесь Внизу всё не так уж и отличается от того, что Там Высоко, как кажется.

Прежде чем мы можем говорить о жизни, нам нужно разобраться с ещё некоторыми особенностями нашей родной планеты: атмосферой и океаном.

Без них, как мы знаем, не могла бы зародится жизнь; без жизни, как мы знаем, наши океаны и атмосфера была бы другой.

История атмосферы Земли тесно связана с историей океана.

Действительно, океаны можно по праву считать влажным, плотным слоем атмосферы.

Океаны и атмосфера развивались вместе, оказывая сильное влияния друг на друга, и даже сейчас такое "очевидно" атмосферное явление как погода оказывается имеет близкое отношение к тому, что происходит в океанах.

Одним из главных последних прорывов в предсказании погоды было учёт способности океанов поглощать, перемещать и отдавать тепло и влагу.

В некоторой степени, это справедливо и для земной суши, которая так же развивалась совместно с воздухом и морями, и так же взаимодействует с ними.

Однако связь между океанами и атмосферой сильнее.

Земля и её атмосфера возникли вместе из одного исходного облака газа, что дало жизнь Солнцу и солнечной системе.

Повинуясь простому правилу, более плотные вещества опустились на дно сжимающегося комка материи, в котором мы теперь обитаем, а более легкие всплыли наверх.

Конечно, продолжается (и до сих пор) много различных процессов, так что Земля это не просто ряд концентрических оболочек с более лёгкой и лёгкой материей, но в основном в распределение твёрдых жидких и газообразных веществ есть смысл, если думать о них таким образом.

И так, когда расплавленные породы Земли начинают охлаждаться и затвердевать, рождающаяся планета уже находиться окружённой первобытной атмосферой.

Она определённо очень отличалась от современной атмосферы, которая является смесью газов, главным из которых является азот, кислород и инертный газ аргон, и соединения углекислого газа и воды (в форме пара).

Первобытная атмосфера также значительно отличалась от газового облака, из которого она собственно образовалась - она не была просто представлением того, что было вокруг.

Есть несколько причин для этого

Одна из них, это то, что планета, имеющая твердую поверхность, и газовое облако удерживают разные газы.

Другая это то, что твёрдая планета может вырабатывать газы, путём химических или даже ядерных реакций, или других физических процессов, что вырываются из её недр в атмосферу.

Первичное облако было богато водородом и гелием - легчайшими из элементов.

Скорость с которой движутся молекулы замедлялась по мере того, как молекулы становились тяжелее - молекула, чья масса была больше в сто раз, двигалась в десять раз медленнее.

Всё что движется быстрее второй космической скорости, что составляет около 7 миль в секунду (11 км\сек), может преодолеть Земное притяжение и исчезнуть в космосе.

Молекулы в атмосфере, чья молекулярная масса (которая получится если сложить атомный вес компонентов атома ) меньше 10 должны по идее исчезнуть в пустоте.

Водород имеет молекулярный вес 2, гелий 4, так что ни один из этих двоих так или иначе должны витать повсюду.

Самые изобилующие молекулы в первичном газовом облаке, с молекулярной массой больше 10, как метан, аммиак, вода и неон.

Это очень похоже на то, что можно сейчас обнаружить на газовых гигантах Юпитере, Сатурне, Уране и Нептуне - по ожиданиям они более массивны, так что имеют более высокую вторую космическую скорость, и могут неплохо удерживать более лёгкие газы как водород и гений.

Мы не можем быть уверены, что Земля 4 миллиарда лет назад имела метано-аммиачную атмосферу, поскольку ты не знаем точно, как сжималось первичное газовое облако, но ясно, что даже если на древней Земле была такая атмосфера, в конечном итоге, она её утратила.

Сегодня на Земле есть немного метана или аммиака, но в основном они биологического происхождения.

Вскоре после того как сформировалась Земля, атмосфера содержала очень мало кислорода.

Около 2 миллионов лет назад, доля кислорода в атмосфере увеличилась примерно до 5%.

Более вероятная причина такой перемены (хотя возможно не единственной ) - было развитие фотосинтеза.

На некой стадии, возможно около 2 миллионов лет назад, бактерии в океане научились трюку использования энергии дневного света чтобы перерабатывать воду и углекислый газ в сахар и кислород.

Растения используют этот трюк сегодня, и они используют такие же молекулы как и одна из ранних бактерий: хлорофилл.

Животные поступают совершенно противоположным образом: они питаю себя кислородом, перерабатывая пищу и вырабатывая углекислый газ вместо того, чтобы его использовать.

Эти ранние фотосинтезирующие бактерии использовали сахар как энергию и быстро размножались, и для них кислород был просто формой токсичных отходов, который поднимался в атмосферу.

Уровень кислорода оставался примерно постоянным до момента примерно 600 миллионов лет назад, когда произошёл резкий скачок его до сегодняшнего уровня в 21%.

Количество кислорода в современной атмосфере довольно велико, что не могло бы не поддерживается влиянием живых существ, которые не только вырабатывают кислород в огромных количествах, но и используют его снова, в частности перерабатывая его в углекислый газ.

Это поразительно, насколько "не сбалансирована" атмосфера в сравнении с тем, что могло бы произойти если бы жизнь внезапно исчезла и могли происходить только неорганические химические процессы.

Количество кислорода в атмосфере динамично - оно может меняется, по геологическим меркам очень быстро, это дело нескольких столетий, а не миллионов лет.

К примеру, если некое стихийное бедствие убило бы все растения, но оставило бы животных, тогда доля кислорода в течении 500 лет уменьшилась бы в два раза, до уровня содержания кислорода на горных вершинах Анд.

Так же проходит сценарий "ядерной зимы" представленный Карлом Саганом, в котором в результате ядерной войны облака пыли поднимутся атмосферу и закроют солнце, лучи которого не будут достигать земли.

В этом случае, растения могут влачить жалкое существование, но фотосинтезировать не будут: они будут использовать кислород, хотя, так делают микроорганизмы разлагающие погибшие растения.

К такому эффекту экранирования может так же привести необычно большое количество действующих вулканов, удар большого метеорита или кометы о Землю.

Когда комета Шумайкера-Леви столкнулась с Юпитером в 1994 году, сила удара была равна полумиллиону водородных бомб.

"Бюджет" прихода и расхода кислорода, и связанный с ним, но отдельный бюджет углерода остаются непонятными.

Это ужасно важный вопрос, поскольку это основная почва для споров о глобальном потеплении.

Человеческая активность, такая как электростанции, промышленность, использование машин, или просто занятие своими обычными делами и дыхание - вырабатывают углекислый газ.

Углекислый газ это "парниковый газ", который захватывает входящий свет как стекло парника.

Так, если мы выработаем слишком много углекислого газа, планета должна будет нагреться.

Это будет иметь нежелательные последствия, начиная от затопления низменных регионов Бангладеша, до больших изменений географических ареалов обитания насекомых, которые могли бы нанести серьезный вред сельскохозяйственным культурам.

Вопрос состоит в следующем: человеческая активность действительно увеличивает количество углекислого газа на Земле или планета это каким-либо образом компенсирует? Ответ предполагает разницу между тем, чтобы ввести серьезные ограничения для жизни людей в развитых (и развивающихся ) странах, и тем, чтобы позволить событиям развиваться по текущему пути.

Современное мнение таково, что существуют ясные, хотя и тонкие знаки того, что человеческая деятельность увеличивает уровень углекислого газа, вот почему подписываются крупные международные соглашения по сокращению выхода углекислого газа.

(В действительности сделать, а не просто обещать сделать это. правда это уже совсем другое дело )

Для того чтобы удостовериться приходится столкнуться с множеством трудностей.

У нас нет надёжных записей об уровне углекислого газа в прошлом, так что нам не хватает подходящей "точки отсчёта" для оценки сегодняшнего уровня, хотя мы начинаем получать ясную картину благодаря ледяным сердечникам добытых в Арктике и Антарктике, которые содержат образцы древней атмосферы.

Если "глобальное потепление" идёт полным ходом, оно не обязательно проявляется в возрастании температуры (так что название ему дали довольно глупое).

Оно проявляется как климатические нарушения.

Даже то, что шесть самых тёплых лет в Британии за этот век приходится на 1990-ые, мы не можем просто сделать вывод о том, что "становится теплее" и утверждать, что глобальное потепление это факт.

Глобальный климат меняется вобще бешено - что бы было если бы нас тут не было? Проект известный как Биосфера 2 попыталось разобраться в основах науки обмена кислорода и водорода в глобальной экосистеме построив "закрытую" экосистему - систему не принимающую ничего, кроме солнечного света и ничего вобще не выпускающую.

По форме это было похоже на гигантский футуристический сад с растениями, насекомыми, птицами, млекопитающими и людьми, живущими там.

Идеей было сохранить систему, работающую по проекту в котором всё подвергается вторичной переработке.

У проекта быстро возникли проблемы: чтобы поддерживать его работу, необходимо было добавлять кислород.

Исследователи решили, что каким-то образом кислород теряется.

Это оказалось правдой, но причина была не такой буквальной.

Даже если основной идеей было наблюдать химические и другие изменения в закрытой системе, исследователи не рассчитали массу углерода представленную в самом начале.

Были веские причины этого не делать - в основном, это крайне сложно, поскольку вам необходимо посчитать углерод, содержащейся в массе живых растений.

Не зная сколько углерода действительно было в начале, они не смогли отследить и путь углекислого и угарного газов.

Однако, "пропавший" кислород должен был проявляться в возросшем уровне углекислого газа, и они не смогли отследить уровень углекислого газа.

В итоге, оказалось, что "пропавший" кислород не пропадал из здания: он превратился в углекислый газ.

Почему же они не заметили возрастающего уровня углекислого газа? Поскольку, никому было не известно, что углекислый газ впитывается в бетон здания в процессе его затвердевания.

Каждый архитектор знает, что процесс происходит в течении десяти лет с момента закладки бетона, но это знание не столь важно для архитектуры.

Экологам-экспериментаторам ничего об этом не известно об о всём этом, поскольку тайные свойства залитого бетона не входят в программу курса экологии, однако в этом случае для них это знание было важным.

В необоснованных предположениях, которые они сделали относительно Биосферы 2, была правдивая, но неразумная вера а то, что поскольку углекислый газ необходим для формирования кислорода, углекислый газ противостоит кислороду.

Так, кислород считается как приход в бюджете кислорода, а углекислый газ как расход.

Так, когда углекислый газ исчезает из книг, это понимается как погашенный долг, и значит доход.

В действительности же, углекислый газ состоит из положительных частиц кислорода, так что когда вы теряете углекислый газ, вы теряете и кислород тоже.

Но если вы только следите за повышением уровня углекислого газа, небольшой потери вы не заметите.

Ошибочность такого вида обоснования имеет большую важность чем печальная судьба Биосферы 2.

Важным примером в пределах общего вопроса о углеродно\кислородного бюджете является роль тропических лесов.

В Бразилии, тропические леса Амазонки уничтожаются с катастрофический скоростью расчисткой бульдозерами и сжигаются.

Существует множество причин для остановки этого - исчезновение среды обитания живых существ, выделение углекислого газа при сжигании деревьев, уничтожение культуры коренных индейских племён и много другое.

По сути не являясь хорошей причиной, однако всегда неизбежно повторяемая фраза о том, что тропические леса это "лёгкие нашей планеты".

Цивилизованные регионы - там где есть промышленность - являются сетью производителей углекислого газа.

Девственный тропический лес, напротив, производит нежный, но сильный кислородный ветерок, вместе с тем поглощая лишний углекислый газ, вырабатываемый всеми этими ужасными людьми на автомобилях.

Должно же быть так, да? Лес полон растений, а растения вырабатывают кислород.

А вот и нет.

Количество чистого кислорода, вырабатываемого тропическим лесом, в среднем равно нулю.

Деревья вырабатывают углекислый газ ночью, когда процесс фотосинтеза останавливается.

Они запирают кислород и углерод в сахара, но когда они погибают, то загнивают и выделяют углекислый газ.

Леса могут косвенно забирать углекислый газ, забирая углерод и откладывая его в виде угля или торфа, и отпуская кислород в атмосферу.

Иронично, но во многих областях промышленности, где вырабатывается большое количество углекислого газа - мы добываем его и снова сжигаем, используя такое же количество кислорода.

Если теория о том, что нефть это отложения растений каменноугольного периода верна, тогда наши машины сжигают углерод, который однажды быль частью растений.

Даже если верна набирающая популярность альтернативная теория, и нефть была образована бактериями, проблема остаётся прежней.

В другой стороны, если вы сожжёте тропические леса, вы получите одноразовый выброс углекислого газа в атмосферу, но вы не снизите способность Земли вырабатывать новый кислород.

Если вы полностью хотите сократить количество углекислого газа, а не просто прекратить краткосрочные выбросы, то лучшим выходом будет собрать большую библиотеку дома, заключив углерод в бумаге, или заасфальтировать множество дорог.

Это звучит совсем не экологично, но это так.

Вы можете кататься по дорогам на велосипеде, если от этого вам лучше.

Другой важный компонент атмосферы - азот.

Отследить бюджет азота гораздо проще.

Живые организмы, и как известно каждому садовнику, растения в особенности, нуждаются в азоте для роста, но просто поглощать его из воздуха они не могут.

Он должен быть к чему-то привязан - например в составе соединения, которое пригодно для живых организмах.

Некая часть связанного азота образована азотной кислотой, которая вместе с дождями проливается после бурь, но большинство соединений азота - биологические.

Множество простых организмов "связывают" азот, используя его как компонент своих аминокислот.

Эти амино-кислоты позже могут быть использованы в каком-нибудь белке.

Окены Земли содержать огромное количество воды - около трети миллиона кубических миль

(1/3 миллиона кубических километров).

Сколько воды было на ранних стадиях развития Земли, и как она была распределена по поверхности шара мы не знаем, но существование ископаемых в возрасте около 3,

3 миллионов лет, показывает, что в то время была вода и, возможно в достаточном количестве.

Как мы уже объяснили, Земля - вместе со всей солнечной системой, включая солнце, - образовалась из огромного облака газа и пыли, чьим основным составляющим был водород.

Водород с готовностью соединяется с кислородом чтобы образовать воду, а так же соединяется с углеродом чтобы образовать метан и с азотом чтобы образовать аммиак.

Первобытная атмосфера Земли состояла из большого количества водорода, и значительного количества водяного пара, но первоначально планета была слишком горячая для существования воды в жидкой форме.

Планета медленно остывала, её поверхность достигла критической температуры - точки кипения воды.

Температура возможно была не такой, при какой обычно сейчас кипит вода; фактически, даже сейчас она довольно гибкая, поскольку температура кипения воды зависит от давления и других факторов среды.

И вещества в нашей не просто остывают: её состав так же изменился, поскольку Земля путём вулканической активности испускает газы из своих недр.

Решающим фактором было воздействие солнечного света, который рассыпал водяной пар в атмосфере на кислород и водород.

Водород смог покинуть относительно слабую гравитационное поле Земли, так что доля кислорода увеличивалась, в то время как количество водяного пара уменьшалось.

Результатом этого было увеличение температуры, при которой водяной пар мог конденсироваться в воду.

Так, температура атмосферы медленно снижалась, и температура при которой мог конденсироваться водяной пар увеличивалась.

В конечном итоге, атмосфера прошла точку кипения воды и водяной пар начал конденсироваться в виде жидкой воды..

.

.

и пролился дождём.

Он должно быть лил как из ведра.

Когда дождь проливался вниз на камни, он сразу же превращался обратно в пар, но в то же время он охлаждал камни.

Тепло и температура не одно и то же.

Тепло эквивалентно энергии: если вы нагреваете что-то, вы даёте дополнительную энергию.

Температура это один из способов в котором эта энергия может быть выражена - в колебаниях молекул.

Чем быстрее совершаются эти колебания, тем выше температура.

Обычно, температура веществ повышается, если вы нагреваете его: всё дополнительное тепло выражается в увеличении количества колебаний.

Однако, при переходе из твёрдого состояния в жидкость, пар или газ, дополнительное тепло идёт на изменение состояния вещества, а не на изменение температуры.

Вы можете сообщить большое количества теплоты и вместо того, чтобы вещество нагрелось, он сменит своё агрегатное состояние, этот процесс как же называется фазовым переходом.

И наоборот, при фазовом переходе при охлаждении вещества, выделяется огромное количество теплоты.

Так остывающий водяной пар выделяет больше тепла в верхние слои атмосферы, где оно теряется в космосе.

Когда горячие камни превращали воду обратно в пар, то сам камни остыли очень внезапно.

По геологическим меркам, за короткое время камни остыли ниже уровня температуры кипения воды, и падающий дождь больше не обращался в пар - по крайней мере, по большей части.

Вполне возможно, что дождь шёл миллионы лет.

И неудивительно, что Ринсвинд отметил, что тут несколько мокро.

Благодаря гравитации, вода стекала, так что дождь собирался в низких впадинах неровной поверхности Земли.

Поскольку в атмосфере есть большое количество углекислого газа, эти ранние океаны состояли в большинстве своём из растворённого углекислого газа, делающего воду немного кислой.

К тому же в ней могли быть соляная и серные кислоты.

Кислота разъедала поверхность пород, отчего минералы растворялись в океанах; море стало солёным.

Сначала количество кислорода в атмосфере увеличивалось медленно, поскольку воздействие солнечного света не было особенно впечатляющим.

Но сейчас жизнь принялась за дело, испуская кислород как побочный продукт фотосинтеза.

Кислород соединяется с оставшимся в атмосфере водородом, или сам по себе или в соединяясь в метане, образуя больше воды.

Она так же проливалась дождём, увеличивая океаны, и увеличивая количество бактерий, и соответственно кислорода - это продолжалось до тех пор пока не вышел весь доступный водород.

Раньше считалось, что океаны просто продолжали растворять породу континентов, собирая в себе больше и больше минералов, становясь всё солонее и солонее, пока количество соли не достигло его его сегодняшнего значения в 3,

5%

Доказательством этого является процент соли в крови рыб и млекопитающих, что составляет 1%.

В сущности, когда-то верили что кровь рыб и млекопитающих это "окаменелый" океан.

И в наши дни часто продолжают говорить, что мы имеем древние моря в нашей крови.

Возможно это заблуждение, но спор далёк от разрешения.

Это правда, что наша кровь действительно солёная, как и море, но существует множество биологических способов контролировать содержание соли.

Этот 1 % может быть просто подходящим уровнем соли в крови для живого существа.

Соль, а если точнее ионы натрия и хлора, на которые она распадается, имеют множество биологических функции: наша нервная система например, не может без них работать.

Так что вполне обосновано, что эволюция воспользовалась существованием соли в морях, хотя возможно и не с такими пропорциями.

С другой стороны, это хорошая причина думать, что первые клетки возникли как маленькие свободно плавающие в океане организмы, и эти ранние клетки не были достаточно сложными чтобы противостоять разнице между внутренней и внешней концентрацией соли, так что они достигли того уровня на который были способны, и на этом остановились.

Можем ли мы так решить, подробнее взглянув на океаны? Океаны могут как накапливать, так и отдавать соль.

Моря могут высыхать, Мёртвое море Израиля - знаменитый тому пример.

Повсеместно можно встретить соляные шахты - останки древних высохших морей.

И просто как живое существо - бактерия - потребляют углекислый газ, преобразуя его в кислород и сахар, так же они потребляют растворённые минералы.

Кальций, углерод и кислород образуют, например раковины, которые падают в океан, когда умирает их владелец.

Решающий аргумент..

.

.

это время.

Считается, что современный состав океанов, и в частности уровень солёности, образовался примерно 2 - 1,5

миллиона лет назад.

Доказательство тому, химический состав осадочных пород - пород образованных залежами раковин и других твёрдых частей организмов, - который кажется не так сильно изменился за это время.

(Хотя в 1998 году Пол Кнаут представил доказательства, что ранний океан был более солёным, чем сейчас примерно в 2 - 5 раз.

.

Из его вычислений выходило, что отложений соли не могло быть примерно 2,5 миллиона лет назад).

.

Простые вычисления основанные на том, сколько веществ растворено в реках и насколько быстро реки текут, показывают что все содержащиеся в океане соли могли быть получены путём растворения материковых пород в течении 12 миллионов лет - мгновение по геологических меркам.

Если бы соль накапливалась постепенно, океаны бы сейчас состояли в основном из соли, а не из воды. Так что океаны, не просто сток для растворённых минералов, улица в односторонним движением, в которую минералы попадают и в ней остаются.

Они машины, перерабатывающие минералы.

На основе геологических доказательств сходства древних и современных осадочных пород, можно предположить, что входящие и восходящие течения друг друга компенсируют.

Так есть ли древние моря в нашей крови? Может быть.

Соотношение магния, кальция, калия и натрия точно такое же как было в древних морях, в которых наша кровь могла и развиться, но всё же концентрация соли составляет 1%, а не 3.

.

Переведено на Нотабеноиде
http://notabenoid.org/book/26716/89156

Переводчики: Krevedko_boo, wrongshinylight