Зимой в северном полушарии, как правило, не жарко. Мороз, снег, метели, длинные ночи, короткие дни. Жизнь замедляется, где-то и вовсе замирает на несколько месяцев до прихода весны.
Мы знаем сегодня, однако, что были времена, когда зима наступила на всей Земле и длилась тысячи тысячелетий. О том, как и почему наша планета попала в плен зиме и откуда миллионы лет спустя пришла, наконец, весна, рассказывает гляциолог Алексей Екайкин.
1.
Одну вещь про климат можно сказать наверняка: он все время меняется. Я нередко повторяю это фразу, начиная разговор о современных климатических изменениях. Настоящий рассказ — прекрасная иллюстрация этого утверждения.
Мы живем в эпоху очень быстрых климатических изменений. Растут средние и экстремальные температуры, меняются количество и интенсивность осадков, повторяемость засух, наводнений и пожаров. Растет уровень моря. Трансформируются экосистемы. Но климат менялся на протяжении всей жизни нашей планеты, еще до того, как люди начали на него влиять. Были эпохи существенно теплее нынешней, когда на Земле вообще не было льда. Были и эпохи заметно холоднее современной.
Давайте рассмотрим период, когда на Земле было холоднее, чем в разгар последнего ледникового периода.
Кстати, в геологических масштабах времени мы живём в относительно прохладную эпоху. На бóльшем протяжении истории Земли климат был существенно теплее.
Но прежде расскажем о том, почему вообще меняется климат.
Для начала посмотрим на межгодовую изменчивость температуры. На любом температурном графике мы увидим скачки температуры от года к году, которые выглядят как случайные колебания. Это в основном и есть случайные флуктуации, связанные с особенностями атмосферной и океанической циркуляции в конкретный год.
Затем посмотрим на температурную кривую с небольшого отдаления. В масштабах десятков и сотен лет изменения климата относительно невелики и в основном связаны с колебаниями другого рода — солнечной и вулканической активности. Первая определяет количество тепла, которое приходит к Земле от Солнца, вторая отвечает за количество вулканического аэрозоля в атмосфере, который отражает часть солнечного тепла обратно в космос.
Так было в доиндустриальную эпоху, но с приходом человека основным климатическим фактором стало изменение теплового баланса планеты за счет добавления в атмосферу парниковых газов, в первую очередь углекислого газа (CO2) и метана.
Теперь посмотрим на колебания температуры длиной тысячи и сотни тысяч лет. Здесь основной движущей силой климатических изменений становятся плавные изменения параметров орбиты Земли — так называемые циклы Миланковича — с периодами около 20, 40, 90 и 400 тысяч лет. Эти колебания вызывают относительно небольшие изменения притока солнечного тепла летом к высоким широтам северного полушария. Затем эти изначально слабые флуктуации усиливаются сложными механизмами обратных связей, в которых одну из главных ролей опять-таки играют парниковые газы.
В масштабах миллионов и десятков миллионов лет основные факторы — тектоника, расположение океана и суши, конфигурация морских течений, интенсивность вулканизма, соотношение процессов роста гор и их эрозии (орогенеза и денудации), которое определяет рельеф суши.
И, наконец, на очень длинных промежутках времени, сопоставимых с возрастом планеты (сотни миллионов и миллиарды лет), на первый план выходят такие факторы, как светимость Солнца (которая растет по мере старения нашей звезды), концентрация основных газов атмосферы (в частности, кислорода, которого когда-то не было вовсе), развитие биосферы и так далее.
2.
Перенесемся на без малого 800 миллионов лет назад. На Земле в самом разгаре неопротерозойская эра. На протяжении предыдущего миллиарда лет климат Земли был довольно теплым и стабильным — этот период истории планеты иногда называют «скучный миллиард лет». Суша собрана в суперконтинент Родинию, которая в основном находится в низких широтах. На Земле уже есть многоклеточная жизнь, но еще весьма примитивная — нитчатые водоросли, микроскопические грибы, простейшие и тому подобное.
И вдруг случилась катастрофа. По неким причинам на Земле произошло глобальное похолодание, которое привело к тому, что планета полностью покрылась льдом. В разгар оледенения средняя температура поверхности суши в районе экватора была –25 градусов Цельсия, минимальная температура в районе Западно-Африканского протоконтинента (который тогда находился на 60-м градусе южной широты) опускалась до отметки аж −110 градусов (это, конечно, результаты моделирования, поскольку реконструировать температуру обычными палеогеографическими методами — например, по геохимическому составу осадочных пород, нет возможности). Средняя температура планеты была около −50 градусов — чем-то похоже на современный Марс.
Толщина льда на суше в те годы могла достигать пяти километров. Но не вся она была сплошь покрыта льдом — в таких экстремально холодных условиях воздух слишком сух и не несет достаточного количества влаги для формирования ледников в удаленных от океана районах. Не покрытые льдом участки суши превратились в холодную сухую пустошь. Океан не был проморожен до дна — его придонные слои поддерживались в жидком виде геотермальным теплом подобно тому, как это происходит сейчас с подледниковыми озерами в Антарктиде, но его покрывал километровый щит изо льда. Впрочем, могли быть и участки с относительно тонким льдом, который пропускал к воде небольшое количество света, поддерживая фотосинтезирующие организмы.
Все это выглядит, как сценарий фильма-катастрофы, но, по мнению современной науки, именно так все и было. Этот момент истории Земли и называют «Земля-снежок» (по-английски Snowball Earth). Этот термин ввел в оборот Джозеф Линн Киршвинк (Joseph L. Kirschvink) в 1992 году.
Жизнь на Земле вымерла практически полностью, сохранились лишь ее небольшие оазисы в некоторых экологических нишах. На дне океанов вблизи горячих источников выжили хемоавтотрофные микробы (такие, которым не нужен солнечный свет), уцелели психрофильные (холоднолюбивые) микробы, сохранились некоторые виды цианобактерий и водорослей, обитающие в снегу, в пористых скалах. Если морской лед пропускал какую-то часть света, то могли выжить и какие-то фотосинтезирующие морские организмы.
Строго говоря, Земля превращалась в такой снежок несколько раз. Выделяют два крупных периода оледенения:
- Стертское 717–659 миллионов лет назад;
- Мариноанское 650–635 миллионов лет назад.
Их разделял теплый период. Во время обоих этих эпизодов Земля была полностью была покрыта льдом.
Почему мы считаем, что все было именно так? Как мысль о глобальном оледенении вообще могла прийти ученым в голову?
Эта история началась в 1960-х годах. Тогда геологи обратили внимание, что ледниковые отложения встречаются в неопротерозойских породах почти повсеместно, во всех частях Родинии, которая располагалась в районе экватора. То есть в то время в тропических широтах лежали ледники, причем на уровне моря. На экваторе можно и сейчас встретить лед, но для этого надо забраться на высоту от 5000 метров и выше.
Эти результаты ставили ученых в тупик. При этом сразу же над этими ледниковыми отложениями идут пласты известняковых пород, которые могли сформироваться лишь в теплой воде. Эти породы, перекрывающие ледниковые отложения, называют «венчающие карбонаты», по-английски cap carbonates. Выглядело это так, словно переход от ледникового к тропическому климату произошел мгновенно.
Наконец, в довершение этой головоломки, в неопротерозойских отложениях находили полосчатые железные руды, которые могли образоваться лишь при отсутствии (или очень малой концентрации) кислорода в океане и атмосфере. Такие руды характерны для пород возрастом около 2,2 миллиарда лет. До этого количество кислорода в атмосфере было невелико, и в океане было растворено большое количество двухвалентного железа. Но вот появился кислород — и железо в виде нерастворимого в воде оксида выпало в осадок. То же самое происходит, когда вы открываете бутылку с железосодержащей минералкой: пока бутылка плотно закрыта, вода остается прозрачной; но если ее открыть и дать постоять какое-то время, железо вступит в реакцию с кислородом из воздуха и вскоре осядет на дно хлопьями ржавчины.
Но 700 миллионов лет назад. количество кислорода в атмосфере было хоть и меньше нынешнего, но уже очень велико, и накопления двухвалентного железа в океане быть не могло. Откуда же тогда взялись эти железистые породы?
Чтобы объяснить повсеместное распространение ледниковых отложений в неопротерозое, британский геолог Брайан Харланд (Brian Harland) в 1964 году одним из первых предложил гипотезу глобального оледенения. Она многое объясняла, но на главные вопросы ответа не было: как Земля угодила в такую ситуацию и, что еще важнее, как смогла этого переплета выбраться?
На первый вопрос пытались ответить климатологи, и одним из первых в этом направлении был наш соотечественник Михаил Иванович Будыко. С помощью относительно простой климатической модели он показал важную роль альбедо Земли — отражающей способности поверхности — в изменении климата. Если в результате первоначального похолодания на планете появляется снег и лед, которые белого цвета, то есть отражают бóльшую часть солнечного излучения, то включается положительная обратная связь: больше снега и льда — больше альбедо — Земля отражает больше солнечной энергии — становится холоднее — еще больше снега и льда. По расчетам Будыко, если ледники добираются до 30 градусов северной или южной широты, процесс выходит из-под контроля и ледники покрывают всю планету.
Кстати, обратный механизм тоже работает: чем теплее, тем меньше снега и льда, тем меньше альбедо, тем теплее. Это одна из причин того, почему Арктика сейчас теплеет существенно быстрее остальной планеты.
Таким образом, климатологи показали, что заставить Землю полностью покрыться льдом в принципе не так уж сложно. Но по их расчетам, климат покрытой льдом Земли очень устойчив, поэтому оставалось совершенно непонятно, как наша планета смогла выбраться из этой ледяной ловушки.
Ответ пришел в 1981 году, когда американский исследователь Джеймс Уокер с соавторами опубликовали статью, в которой объяснили механизм терморегуляции нашей планеты. Этот механизм (который можно назвать Великим Земным Термостатом) основан на обратных связях в углеродном цикле. Углеродный цикл Земли, вообще говоря, весьма сложен, в нем много источников и стоков углерода, но в масштабах сотен тысяч и миллионов лет первостепенное значение приобретают два потока:
- постоянное поступление CO2 в атмосферу через вулканы;
- естественное захоронение атмосферного CO2 через процессы выветривания, в ходе которых этот газ связывается с горными породами (в частности, силикатами), вместе с поверхностными водами поступает в океан и в виде карбонатов захоранивается на дне моря. Часть углерода также выводится биогенным способом: морские микроорганизмы потребляют растворенный в воде углерод и, отмирая, захоранивают его на дне моря.
Оба эти потока крайне малы: например, современный поток CO2 из вулканов на два порядка меньше антропогенной эмиссии углерода и на три порядка меньше потоков углерода из атмосферы в растительность и обратно. Более того, при стабильном климате (опять же, в масштабах сотен тысяч лет) эти два потока примерно уравновешивают друг друга. Если же климат меняется, то начинает происходить вот какая вещь.
В относительно теплую эпоху скорость выветривания увеличивается за счет роста температуры и речного стока, CO2 начинает ускоренно выводиться из атмосферы, парниковый эффект ослабевает, а Земля охлаждается. И наоборот, в более холодную эпоху скорость выветривания уменьшается, но, поскольку вулканы продолжают поставлять углекислый газ, он накапливается в атмосфере, усиливает парниковый эффект и разогревает планету.
Nota bene: Если вы сейчас подумали, что этот термостат поможет нам справиться с современным глобальным потеплением, мне придется вас разочаровать: как сказано выше, этот механизм действует очень медленно. Столько ждать у нас времени нет, поэтому с выбросами CO2 нам придется справляться самим.
Но вернемся в неопротерозой. Итак, Земля целиком укрыта льдом, жидкой воды нет, процессы выветривания практически полностью остановились. Но вулканы продолжают стабильно доставлять CO2 в атмосферу, год за годом повышая его концентрацию. При определенном уровне CO2 парниковый эффект становится настолько мощным, что способен повысить температуру до точки плавления льда. По расчетам, чтобы выбраться из ледяной западни, парциальное давление CO2 должно было подняться до 0,29 бар (что примерно в 1000 раз выше доиндустриального уровня). Если вулканы в то время поставляли CO2 с такой же скоростью, что и сейчас (порядка 0,3-0,4 миллиардов тонн в год), то могло потребоваться около 8 миллионов лет, чтобы накопить нужное количество. Это минимальная оценка, которая получена с допущением, что стоки углекислого газа полностью отсутствовали. Если их учитывать, то на обогрев планеты вулканам могло потребоваться и несколько десятков миллионов лет — что как раз согласуется с длительностью Стертского и Мариноанского оледенений.
Как только температура в районе экватора достигает точки плавления, океан начинает освобождаться ото льда. Белый лед замещается темной водой, та начинает поглощать солнечную энергию. Усиливается испарение — водяной пар начинает дополнительно усиливать потепление, поскольку является парниковым газом. Происходит лавинообразная мгновенная (по геологическим меркам, конечно) перестройка климатической системы из режима «морозильник» в режим «парник». При этом резко активизируются процессы выветривания, начинается активное вымывание CO2 из атмосферы в океан, который захоранивается там в виде мощных толщ «венчающих карбонатов». И этот цикл «морозильник — парник» был пройден минимум дважды!
Теперь посмотрим, как в эту схему укладывается формирование железистых осадочных пород. В разгар оледенения, когда океан был полностью перекрыт льдом и изолирован от атмосферы, он испытывал недостаток кислорода. Двухвалентное железо, поступавшее из подводных гидротермальных источников, накапливалось в океане — а когда морской лед вскрылся, выпало в осадок в виде оксидов. Недавно был предложен интересный механизм, объясняющий полосчатую текстуру этих железистых отложений: она может быть связана с упомянутыми выше циклами Миланковича. В холодные фазы циклов могли складываться условия, благоприятствовавшие накоплению железа, а в теплые фазы океан мог частично освобождаться ото льда, приводя к осаждению железа на морском дне.
Сбоем в механизме этого термостата можно объяснить и начало глобального оледенения в неопротерозое. По современным представлениям, триггером этих событий стали тектонические процессы. Около 800 миллионов лет назад Родиния пришла в движение: начались процессы образования разломов земной коры (рифтогенеза) и одновременно с этим роста гор (орогенеза), сопровождавшиеся излиянием базальтов, которые содержат большое количество силикатов. Далее, поскольку Родиния распалась на несколько мелких континентов, доступ влаги на сушу стал проще. В совокупности все это привело к резкому ускорению вымывания CO2 из атмосферы за счет выветривания. Концентрация CO2 понизилась от 1800 до 250 ppm (частей на миллион), после чего Земля охладела настолько, что началось покровное оледенение. А дальше вступил в силу описанный выше механизм обратной связи, усиливший это похолодание.
Также не стоит забывать, что светимость Солнца в ту эпоху была на 6 процентов меньше нынешней, то есть при прочих равных условиях Земля была холоднее.
3.
Случались ли события подобные «Земле-снежку» когда-либо еще? По-видимому, да.
За 1,6 миллиарда лет до неопротерозойских событий было еще Гуронское оледенение. Его причиной стала Кислородная катастрофа (по-английски Great Oxidation Event, GOE), которая случилась 2,4–2,2 миллиарда лет назад. До этого в земной атмосфере было много метана (газа, чей парниковый эффект гораздо мощнее, чем у CO2), но появление кислорода привело к окислению СН4 — что обернулось резким похолоданием.
А вот во время фанерозоя (который продолжается последние 542 миллиона лет) глобальных оледенений больше не было, хотя эпохи крупных покровных оледенений случались неоднократно. Последняя из них началась 40 миллионов лет назад и, собственно, длится до сих пор. Вероятной причиной могло быть более удачное расположение суши, чем во времена Родинии. В эпоху фанерозойских оледенений материки находились в основном в средних и высоких широтах. С одной стороны, это облегчает процесс образования ледников при похолодании. С другой — ледяные щиты локализуются в околополярных районах, льды не достигают критически важной 30-й широты. Одновременно с этим при более высокоширотном положении материков (к тому же частично перекрытых льдом) скорость выветривания относительно невелика, и Великий Термостат успевает удержать концентрацию CO2 в атмосфере на определенном уровне, препятствуя слишком сильному охлаждению планеты.
Возможны ли такие события в будущем? Как знать. В любом случае, максимум следующего ледникового периода наступит примерно через 80 тысяч лет, так что для нас этот вопрос пока не очень актуален. Более того, если концентрация CO2 в атмосфере останется на нынешнем уровне (который уже превысил 410 ppm), то следующий ледниковый период просто-напросто не наступит.
В завершение следует также упомянуть о возможной роли «Земли-снежка» в развитии жизни на Земле. После окончания неопротерозойских оледенений 635 миллионов лет назад на Земле ускорилось развитие многоклеточной жизни, кульминацией которого стал так называемый «кембрийский взрыв» — относительно резкое возникновение множества новых эволюционных ветвей живых организмов в промежутке между 555 и 520 миллионов лет назад. Есть мнение, что толчком эволюции послужило как раз глобальное оледенение, во время которого бóльшая часть жизни на Земле была уничтожена, а оставшаяся оказалась надолго изолирована и была вынуждена искать способы выжить в различных экологических нишах.
Массовые вымирания видов случались на Земле за последние полмиллиарда лет еще как минимум пять раз, по самым разным причинам. Всякий раз после них биосфера восстанавливалась в новом виде и продолжала эволюционировать. Сейчас мы живем в эпоху шестого массового вымирания, причиной которого являемся мы сами, и само существование нашей собственной цивилизации находится под угрозой.
Геологическая история Земля учит нас, что наша планета переживала всякое — скорее всего, она справится и с этим новым вызовом, с нами или без нас. Хотелось бы, чтоб с нами.
Автор: Алексей Екайкин