Симфония № 6. Углерод и эволюция почти всего - Роберт Хейзен

Я признателен своим коллегам по нашей прекрасной организационной команде DCO — Робу Покални, Кэти Пратт и Дарлин Трю Крист, которые очень помогли мне в осуществлении моего проекта, а отдельно — Джошуа Вуду, который оказал принципиальную помощь при отборе и обработке фотографий для вклейки.

Я в особом долгу перед своими редакторами и издательской командой W. W. Norton. Куин До отредактировала рукопись с глубокой проникновенностью. Она привнесла в этот проект как восторг от замаха книги, так и тщательное внимание к деталям. Благодаря въедливым и продуктивным замечаниям литературного редактора Стефани Хиберт стала лучше каждая страница книги. Я также благодарю редактора проекта Эми Медейроз, менеджера по производству Джулию Драскин и художественного редактора Ингсу Лю.

Мой литературный агент, Эрик Лупфер из Fletcher and Company, был неисчерпаемым источником мудрых советов и неослабевающей поддержки. Он стал одним из первых, кто приветствовал концепцию книги как симфонии.

Наука стоит денег. Ни одно из достижений, описанных в этой книге, не оказалось бы возможным без поддержки правительственных организаций и частных фондов. Я безмерно признателен Национальному научному фонду, Геологической службе США и NASA, в частности замечательной программе Марсианской научной лаборатории и Астробиологическому институту NASA (вот на что идут ваши налоги). За щедрую поддержку я благодарен не только фонду Альфреда Слоуна, но и фонду У. М. Кека, фонду Джона Темплтона, фонду Саймонса, фонду Гордона и Бетти Мур, а также Институту Карнеги.

Элизабет Хейзен вложила всю свою литературную проницательность и поэтическую интуицию, чтобы тщательно вычитать исходный несовершенный черновик. Ее влияние ощущается во всей опубликованной версии.

И наконец, на каждом этапе этой книги я полагался на четкие и полезные рекомендации, а также безусловную поддержку моего соавтора в прошлом и будущем Маргарет Хейзен.

Глубина от поверхности

Земля в разрезе представляет собой несколько концентрических слоев, каждый из которых имеет бо́льшие температуру и давление, нежели слой, расположенный выше. Углерод встречается в каждом слое Земли — от атмосферы до ядра.

Временна́я шкала эволюции Земли охватывает более 4,5 млрд лет. Жизнь, которую мы знаем, медленно эволюционировала вместе с геосферой в течение миллионов лет. Углерод играл ключевую роль на протяжении всего этого эволюционного пути.

Шотландский ученый Джеймс Геттон обнаружил, что каждый аспект строения утесов Сиккар-Пойнт (на фото) можно объяснить постепенными природными процессами, которые все время происходят вокруг нас. Новые отложения крайне медленно накапливаются в пласты и постепенно погружаются, нагреваются, сжимаются и превращаются в камень. Более древние же горные породы постепенно деформируются, поднимаются вверх и подвергаются эрозии, в результате чего происходит удаление вещества слоев этих пород. Подобную слоистую последовательность как раз легко заметить в Сиккар-Пойнт.

Используя статистическую модель, ученые смогли предсказать количество минералов углерода, которые осталось обнаружить на Земле. Их работа привела к программе Carbon Mineral Challenge — как любительскому, так и профессиональному поиску недостающих углеродных минералов Земли. Первый новый минерал углерода — абеллаит (слева) — был обнаружен в 2016 г., триазолит (справа) был найден через год.

Профессор Уильям (Билл) Бассет в своей пионерской работе описал первую из последовательностей плотных форм кальцита, образующихся при высоком давлении. Он оказался для меня бесценным наставником, поскольку помог неопытному аспиранту определиться с хорошей темой для диссертации.

Кристаллы алмаза, состоящие из чистого углерода, почитаются в качестве драгоценных камней. Однако включения в этих самоцветах, захваченные и герметично запечатанные, когда их обволакивали растущие алмазы, дают ученым-исследователям много информации о глубоких недрах Земли.

Ячейка с алмазными наковальнями, представленная на этом фото и используемая исследовательницей Джи (Джеки) Ли из Мичиганского университета, дает ученым возможность создавать экстремальный диапазон температур и давлений Земли в лабораторных условиях. Такая ячейка позволяет синтезировать материалы, которые не наблюдаются в условиях поверхности.

Вулканы, регулярно выбрасывающие углекислый и другие газы в атмосферу, являются важной частью глобального цикла углерода. На фото: ученый Обсерватории глубинного углерода Тобиас Фишер измеряет газовые выбросы на вулкане Поас в Коста-Рике с целью вычисления вклада вулканов в этот глобальный цикл и прогнозирования возможных извержений.

Глубинный углеродный цикл включает в себя резервуары и потоки углерода намного ниже поверхности Земли. Эти потоки показаны шестью красными стрелками, значения даны в мегатоннах углерода в год, согласно исследованию Питера Келемена и Крэга Мэннинга 2015 г. В скобках приведены альтернативные значения из исследований Радждипа Дасгупты и Марка Хиршмана 2013 г., здесь (–) означает условия, для которых значения не были определены. Большая амплитуда этих чисел служит отрезвляющим напоминанием, что нам еще многое нужно узнать о земном углероде.

Проекты бурения на суше и в море выявляют обильную скрытую глубинную микробную биосферу. На фото: технические работники Маргарет Хастедт, Джон Бек, Чад Бройлес, Зенон Матео и Лиза Краудер несут свежий керн для обработки.

Углерод бывает разных размеров и образует разные атомные конструкции, в частности (по часовой стрелке, начиная с верхнего левого): каркасную структуру алмаза, слоистую структуру графита, похожий на футбольный мяч 60-атомный бакибол, углеродные нанотрубки и продолговатые замкнутые формы. Три последних, а также другие изящные формы углерода известны под общим названием «фуллерены» в честь геометрически схожих с ними геодезических куполов американского архитектора Бакминстера (Баки) Фуллера.

Карен Ллойд и Донато Джованнелли, начинающие ученые Обсерватории глубинного углерода, изучают