Происхождение всего. От Большого взрыва до человеческой цивилизации - Дэвид Берковичи

Земля знала самые разные климатические условия – от ледниковых периодов до повсеместных тропиков. Я не смогу рассказать про все из них, но основные мы с вами можем рассмотреть. Во‑первых, есть доказательства того, что чуть меньше миллиарда лет назад, до появления многоклеточной жизни, Земля по крайней мере однажды была почти полностью покрыта снегом и льдом. Это так называемая гипотеза «Земля‑снежок». Перемещенные ледниками той эпохи камни были найдены в тропических широтах, например в Намибии на юго‑западе Африки. Это состояние замерзшей планеты больше не повторялось, возможно, потому, что к тому времени уже появилось правильное (или неправильное, в зависимости от вашей точки зрения) сочетание обратных связей, позволявшее избежать глобального замерзания.

Согласно еще одной гипотезе, раньше вся земная суша составляла один суперконтинент, который геологи называют Родиния. В отличие от другого известного суперконтинента, Пангеи, Родиния занимала место на экваторе и в тропиках. Когда Родиния распалась, в зонах рифта образовалось много лавы и свежих минералов (как, например, происходит в Восточно‑Африканской рифтовой зоне в наши дни), а образовавшиеся маленькие континенты остались в зоне влажных тропиков. Влажные тропические побережья получают больше солнечного тепла, чем любая другая зона планеты, на них испаряется больше всего воды и выпадает больше всего осадков. Это привело бы к активной эрозии и выветриванию образовавшихся рифтовых континентов, а значит, к потере атмосферой углекислого газа и, по идее, к похолоданию и уменьшению количества осадков. Но температура в тропиках меняется незначительно. При умеренном похолодании на тропических континентах по‑прежнему выпадало бы много осадков. По мере похолодания ледники росли бы, а похолодание усиливалось из‑за того, что их лед отражал больше солнечного света. Если континенты расположены в более высоких широтах, как теперь, ледяной покров защищает континенты от эрозии и выветривания, ограничивая потери атмосферного углекислого газа и охлаждение. Если же континенты находятся в тропиках, ледяной покров в основном состоит из морского льда и не защищает их от эрозии и выветривания. Распространение льда и выветривание горных пород продолжалось бы до тех пор, пока огромные ледяные шапки Северного и Южного полушарий не стали отражать так много света, что уже ничто не сдерживало их рост, и тогда они практически соединились бы на экваторе, заковав планету в лед на десятки миллионов лет.

Жизнь сохранилась только в маленьких бассейнах воды на дне океана, а Земля в конце концов оправилась от последствий этого катаклизма благодаря тектонике плит. Глобальный ледяной покров и низкие температуры прекратили эрозию и выветривание горных пород и остановили дальнейшее удаление углекислого газа, однако благодаря вулканизму, продолжавшемуся в зонах субдукции (например, в островодужных системах) и срединно‑океанических хребтах, в атмосферу выделялся углекислый газ и восстанавливался былой уровень парниковых газов. Накопление вулканического пепла, вероятно, также способствовало загрязнению ледяного покрова, что уменьшило его способность отражать солнечный свет. В конце концов поверхность снова прогрелась и планета вышла из замороженного состояния. Последнее тотальное оледенение Земли закончилось примерно 600 млн лет назад, как раз перед возникновением многоклеточных организмов, и, возможно, вызвало расцвет сложных форм жизни – так называемый кембрийский взрыв.

Были в истории Земли и теплые периоды с высокими температурами на всей планете, полным исчезновением ледяного покрова и тропическим климатом даже за полярным кругом, где находят окаменелые останки пальм и доисторических крокодилов. Так было 50–60 млн лет назад, в эпоху, называющуюся эоценом, не так много времени (по геологическим меркам) спустя после падения астероида на полуостров Юкатан и исчезновения динозавров. Эта была эпоха высокого уровня углекислого газа в атмосфере, который, возможно, высвободился во время континентального распада и рифтогенеза, когда лава расплавила богатые карбонатом океанские отложения в районе Баффинова залива в Северной Атлантике. Эоцен также известен резкими потеплениями – термическими максимумами. Экстремальные температурные рекорды были зафиксированы во время палеоцен‑эоценового термического максимума. (Конечно, никто не измерял тогда температуру и уровень углекислого газа. Их можно оценить косвенно, поскольку температура влияет на океан и организмы потребляют различное количество изотопов кислорода и углерода, и эти уровни изотопов фиксируются в породах и окаменелостях.)

Возможно, короткий тепловой максимум палеоцена‑эоцена был вызван выделением метана со дна океана. Даже сегодня микробная жизнь на дне океанов производит много метана, «замороженного» в частичках льда, называемых клатратами. Если бы потепление, вызванное выделением углекислого газа при вулканической деятельности, т. е. при тепловой обработке отложений, нагрело океаны так, чтобы расплавить клатраты, они выпустили бы метан. Этот мощный парниковый газ привел бы к потеплению, в том числе и океанов, что вызвало бы дальнейшее плавление клатрата и привело к интенсивной положительной обратной парниковой связи. Однако из‑за высокого содержания атмосферного кислорода метан распадается, менее чем через 10 лет он превратился бы в более слабые парниковые газы – водяной пар и углекислый газ. Возможно, это объясняет, почему тепловой максимум был таким интенсивным и таким коротким.

В течение последних 50 млн лет Земля постепенно охлаждается. Во время эоцена Австралия и Антарктида были единым континентом, берега которого на севере достигали теплых широт. Океанские течения, огибая это побережье, несли теплую воду в полярные районы Антарктиды, которая была теплой и свободной ото льда. Затем Австралия отделилась от Антарктиды и двинулась на север в сторону Азии. Антарктические прибрежные течения ограничились прохладными полярными водами, этот феномен наблюдается по сей день и называется Антарктическим циркумполярным течением или течением Западных Ветров. Приток теплой воды к Антарктиде прекратился, это повлекло охлаждение Белого континента. Начавшееся там образование льдов способствовало еще большему охлаждению, а значит, большему накоплению льда и т. д.

Миграция отделившегося Австралийского субконтинента к северу была частью того же тектонического движения плит, которое привело к столкновению Индии с Азией и образованию Гималаев. Возможно, появление этого гигантского горного хребта привело, согласно гипотезе Раймо – Раддимана (в честь американских палеоклиматологов Морина Раймо и Уильяма Раддимана), к обширной эрозии, выветриванию и удалению углекислого газа. Как правило, горные цепи способствуют выпадению осадков, потому что влажный воздух выталкивается вверх по склону гор к более прохладным высотам. Кроме того, от прогревшихся летом континентов восходят конвективные воздушные потоки, сталкиваясь с влажным воздухом над океанами, они выпадают на континенты дождями и снегом (что называется муссонной циркуляцией). Увеличение количества осадков над недавно образовавшимися Гималаями ускорило процессы эрозии и выветривания и активизировало удаление углекислого газа, усилив общую тенденцию к охлаждению климата.

Тем не менее в течение этих 50 млн лет охлаждения Антарктика успела утратить свой ледовый покров (около 30 млн лет назад) и восстановить его через 15 млн лет – в эпоху, которая называется миоценом. Со времен миоцена Земля обзаводится полярными шапками, а наша климатическая история за последние несколько миллионов лет легче поддается детализации благодаря данным, которые можно измерить: ледяным кернам, годичным кольцам деревьев, пещерным отложениям и т. п. В последние несколько миллионов лет на Земле периодически повторялись короткие ледниковые периоды или оледенения продолжительностью от десятков тысяч до сотен тысяч лет, что хорошо согласуется с описанными выше циклами Миланковича.