Новости – Общество
Общество
Земля во льдах
Иллюстрация: Getty Images / Fotobank.com
Американский популяризатор науки Роберт Хейзен написал биографию планеты Земля
29 ноября, 2014 08:56
14 мин
Перед нами максимально полная геологическая история Земли. Она насчитывает 4,5 миллиарда лет — именно столько прошло с момента появления Вселенной. Исследование Хейзена — это одновременно труд астробиолога, историка-методиста, геолога и натуралиста. В результате получается настоящий исторический роман про гибель и возрождение континентов и тысячи видов земной жизни.
«Русская планета» с разрешения издательства «Альпина нон-фикшн» публикует фрагмент книги «История Земли: От звездной пыли — к живой планете: Первые 4 500 000 000 лет»
Разделение
Разительный контраст с загадочно спокойным промежутком времени — от 1,85 миллиардов до 850 миллионов лет назад — составили следующие за ним несколько сот миллионов лет, когда произошли самые стремительные и чрезвычайные в истории Земли флуктуации в приповерхностной области. Около 850 млн лет назад большая часть земной суши была все еще собрана поблизости от экватора в засушливый и абсолютно безжизненный супер-континент Родиния. Необъятный океан Мировия, над которым кое-где возвышались небольшие вулканические островки, окружал со всех сторон этот голый, ржаво-красный мегаконтинент. Негостеприимная атмосфера содержала ничтожное, по нынешним меркам, количество кислорода, явно недостаточное для образования сколь-нибудь значительного озонового слоя, который мог бы обеспечить защиту от ультрафиолетового излучения. Путешественник во времени, снабженный запасом кислорода и солнцезащитного крема, мог бы выжить на побережье, питаясь исключительно водорослями, но жизнь не показалась бы ему приятным пикником в этом пустынном мире неопротерозоя.
обложка
Обложка
Неравновесное противостояние Родинии и океана не могло продолжаться бесконечно. Большую часть земной истории климат на планете поддерживался на умеренном уровне за счет отрицательной обратной связи. Разумеется, перемены климата имели место, но колебания редко достигали крайней степени, которая угрожала бы жизни. Однако около 850 миллионов лет назад начались изменения, нарушившие более или менее устойчивое равновесие и приведшие к переломному моменту в истории планеты. Самым важным из этих изменений было медленное и постепенное раскалывание экваториальной Родинии. Первая трещина возникла 850 миллионов лет назад и была сравнительно небольшой: кратоны Конго и Калахари (ныне части Южной Африки) начали отрываться к юго-востоку от остального, пока еще целого суперконтинента. Около 800 миллионов лет назад новая небольшая трещина отколола Западно-Африканский кратон, который двинулся на юг от материка; 750 миллионов лет назад распад Родинии шел уже полным ходом, и в это же время земную кору изрезали трещины, сопровождавшиеся извержением вулканов и потоками базальтовой лавы. Суперконтинент раскололся пополам с севера на юг, и на запад двинулся Ур, а на восток — Лаврентия, Балтика, Амазония и скопление кратонов помельче.
Под воздействием тектонических процессов менялись океаны, атмосфера и климат. Росло содержание кислорода в атмосфере за счет буйного роста прибрежных водорослей, а также за счет того, что увеличение биомассы водорослей вело к стремительному связыванию — погребению в осадках органического углерода. На протяжении всей земной истории богатая углеродом биомасса является главным потребителем кислорода. Чем больше гниющей биомассы, тем быстрее расходуется кислород. (Лесные пожары представляют собой чрезвычайно ускоренный вариант такого процесса поглощения кислорода.) По той же причине чем быстрее захороняется в осадках углеродосодержащая биомасса, тем активнее возрастает уровень кислорода в атмосфере. Но откуда нам известно, что биомасса погребалась? Оказывается, красноречивая запись этого процесса содержится в известняке, слои которого образуются в результате постепенного оседания на мелководное дно океана углеродистых минеральных веществ.
Суперконтинент. Иллюстрация: Science Photo Library / East News
Суперконтинент. Иллюстрация: Science Photo Library / East News
Изотопы углерода в известняке указывают на изменения скорости воспроизводства водорослей. Важнейшие химические реакции в органическом веществе — например, превращение воды и углекислого газа в сахарозу в процессе фотосинтеза — всегда накапливают изотоп углерода-12, более легкий по сравнению с углеродом-13. Поэтому углерод, содержащийся в биомассе (в живых и мертвых водорослях), отличается наличием более легких изотопов по сравнению с неорганическим углеродом, входящим в состав известняка. В обычные времена, когда процветают микроорганизмы, а легкий углерод берется из океанской воды, известняк отличается большим содержанием тяжелого углерода. Но во времена необычно интенсивного захоронения биомассы, когда легкий углерод в еще большем количестве систематически изымается из океанской воды, остатки углерода в составе известняка в среднем становятся тяжелее. Действительно, известняк, отложившийся вдоль берегов Родинии от 790 до 740 миллионов лет назад, отличается необычайной тяжестью. Должно быть, в этот период водоросли разрастались и захоронялись с небывалой скоростью.
Такой невиданный расцвет жизни оказал значительное воздействие на климат Земли. Микроорганизмы поглощают углекислый газ, который постоянно выбрасывается в атмосферу действующими вулканами. В обычные времена обмен углекислого газа в атмосфере сбалансирован и остается относительно стабильным, но стремительный рост водорослей в эпоху неопротерозойской активности способствовал падению уровня углекислого газа в атмосфере, что, в свою очередь, ослабляло парниковый эффект. Такая обратная связь с содержанием угле кислого газа, возможно, ускоряла остывание Земли. Раскалывание Родинии значительно увеличило количество подводных вулканов, формировавших раскаленную кору пониженной плотности на дне океана. Плавучая кора усилила обмеление океанов по сравнению с предыдущими периодами и подняла соответственно уровень моря. Отсюда можно сделать вывод, что, 750 миллионов назад начали образовываться много внутренних морей. Появление большого количества внутренних морей привело к увеличению испарения воды и количества осадков, результатом чего стало ускорение эрозии горных пород, выходящих на поверхность. Этот процесс сопровождался усиленным поглощением углекислого газа, а снижение уровня углекислого газа, в свою очередь, привело к глобальному похолоданию.
Земля-снежок — Земля-парник
Три четверти миллиарда лет назад Земля вошла в период нестабильности климата, невиданной ни до того, ни после. Началось все с сурового ледникового периода.
Этапы формирования Земли. Иллюстрация: Science Photo Library / East News
Этапы формирования Земли. Иллюстрация: Science Photo Library / East News
Ледники наложили несомненный отпечаток на осадочные породы. Прежде всего, это толстые неровные слои характерных пород, именуемых тиллитами, сохранивших хаотическое смешение песка, гравия, грубообломочных фрагментов горных пород, равно как и очень тонкую пыль. Ледники также оставили после себя выглаженные обнажения коренных пород, исцарапанных и отполированных медленно ползущими пластами льда. Помимо беспорядочно разбросанных валунов и бугристых морен дополняют перечень доказательств оледенения варвиты — тонкослоистые отложения, образующиеся в результате сезонного поступления осадка в приледниковые озера.
По всему миру, почти всюду, где бы ни искали, полевые геологи обнаруживали признаки ледниковых отложений возрастом между 740 и 580 миллионами лет. Данные о резком изменении климата около 740 миллионов лет назад уже накапливались десятилетиями, когда Пол Хоффман в соавторстве с тремя коллегами из Гарварда и Университета Миннесоты опубликовал короткую, но возбудившую всеобщий интерес статью «Ледяная Земля в эпоху неопротерозоя». Хоффман с соавторами сформулировал весьма прогрессивную идею: за этот период Земля не просто дважды пережила оледенение, но и покрывалась льдом полностью, от полюсов до экватора. Их точка зрения основывалась на тщательных полевых исследованиях целого ряда разрезов осадочных толщ в районе Берега Скелетов в Намибии: мощные ледниковые тиллиты и палеомагнитные данные из них свидетельствуют о том, что ледники почти достигали экватора, доходя примерно до 12° широты. И это не были горные ледники, венчающие вершины: тиллиты накапливались в заведомо прибрежно-морских мелководных условиях, на уровне моря. Это означает, что климат вблизи экватора был очень холодный. По сравнению с ним в эпоху последнего ледникового периода ледники не продвигались южнее 45° северной широты, а характер окаменелостей указывает на наличие сравнительно теплой тропической зоны даже в самый пик оледенения. Гарвардская команда представила неопровержимые доказательства присутствия неопротерозойских ледников на уровне моря вблизи экватора. Следовательно, ледяной покров окутывал всю Землю.
Для многих читателей статьи Хоффмана 1998 года неопровержимым доказательством внезапного и катастрофического изменения климата Земли послужили изотопы углерода. Миллионы лет до предположительного первого ледникового периода — то есть более чем 740 миллионов лет назад — стремительный рост водорослевой биомассы способствовал накоплению легких изотопов углерода. Известняки, сформировавшиеся в это время в прибрежных водах вокруг распадавшейся Родинии, отличались наличием тяжелого углерода. Но если рост микроорганизмов замедляется или прекращается, в известняке должны появиться легкие изотопы углерода. Именно это и обнаружил Хоффман с коллегами: снижение доли тяжелого углерода более чем на 1% непосредственно перед и сразу после появления ледниковых отложений около 700 миллионов лет назад.
На основе этого и была построена теория о том, что циклы положительной обратной связи обусловили все большее и большее похолодание на планете. Один из таких циклов зависел от континентального выветривания — процесса, характерного для теплых и влажных тропических зон, когда атмосфера теряет все больше и больше . Другая обратная связь возникла, когда массовое произрастание водорослей забрало еще больше углекислого газа из воздуха. Пока парниковый эффект на планете ослаблялся и атмосфера охлаждалась, на полюсах нача-ли формироваться и расти ледники. Эти белые ледяные покровы отражали солнечные лучи, создавая положительную обратную связь, в результате чего Земля охлаждалась все быстрее. По мере того как ледяной покров распространялся на более низкие широты, пока еще теплый экваториальный континент и плодородные водорослевые экосистемы продолжали поглощать углекислый газ из атмосферы во все большем количестве. Постепенно рушился климатический баланс планеты, достигнув критической точки, когда ледники с обоих полюсов придвинулись вплотную к экватору, угрожая полностью покрыть Землю льдом. Согласно самому неблагоприятному сценарию, выдвинутому Полом Хоффманом и его коллегами, Земля превратилась в сплошной «снежный ком», т. е. средняя температура на планете опустилась до –45 °C, а ледяной покров вырос до 1,5 км толщиной, полностью накрыв планету.
Оледенение Земли: ледяной покров во время ледникового периода (слева) и отступающие ледники во время периода межледниковья. Иллюстрация: Science Photo Library / East News
Оледенение Земли: ледяной покров во время ледникового периода (слева) и отступающие ледники во время периода межледниковья. Иллюстрация: Science Photo Library / East News
В течение миллионов лет Земля была покрыта льдом (или в лучшем случае снежной слякотью). Планета — «снежный ком» не могла поглощать солнечные лучи и, казалось, была обречена навеки остаться в ледяном коконе, поскольку температура постоянно сохранялась ниже нуля. Глобальное оледенение остановило развитие почти всех экосистем. Когда-то обильная микроорганизмами жизнь оказалась на грани полного исчезновения. Держались только самые выносливые и закаленные бактерии, которым удавалось выживать в течение миллиардов лет в абсолютной темноте на дне Мирового океана благодаря гидротермальным источникам. Другие островки жизни состояли из фотосинтезирующих водорослей, прижившихся в доступных солнечным лучам мелководных пространствах открытой воды, покрытой битым льдом, вблизи вулканических зон.
Как вообще удалось оправиться планете после глобальной, долгой и холодной зимы? Ответ следует искать в глубоких неумолимых процессах. Белоснежный ледяной панцирь не мог состязаться с глобальным движением тектонических плит; не мог он и противостоять бесконечным выбросам вулканических газов из сотен черных кратеров, выступавших над поверхностью льда. Двуокись углерода, основной вулканический газ, вновь начал заполнять атмосферу. Поскольку Земля была окутана ледяным покровом, процесс поглощения углекислого газа в ходе выветривания горных пород и фотосинтеза почти прекратился. Объем углекислого газа постепенно возрос до величин, невиданных уже более миллиарда лет, в несколько сотен раз превысив современный уровень в атмосфере, запустив новый цикл положительной обратной связи — пропавший было парниковый эффект. Солнечные лучи все еще рассеивались, отражаясь от ледяного покрова, но углекислый газ в атмосфере отбрасывал солнечную энергию обратно к поверхности, неуклонно нагревая планету.
Прогревание атмосферы вызвало таяние льда в экваториальной зоне впервые за много миллионов лет. Обнажившаяся темная почва поглощала солнечные лучи, тем самым ускоряя прогревание. По мере усиления положительной обратной связи между Солнцем и поверхностью Земли океаны также начали освобождаться от ледяного покрова. Земля становилась все теплее и теплее.
Хейзен Р. История Земли: От звездной пыли — к живой планете: Первые 4 500 000 000 лет (перевод с английского) — М.: Альпина нон-фикшн, 2015
поддержать проект
Подпишитесь на «Русскую Планету» в Яндекс.Новостях
Яндекс.Новости
