История Земли. От звездной пыли – к живой планете. Первые 4 500 000 000 лет - Роберт Хейзен

Для многих читателей статьи Хоффмана 1998 г. неопровержимым доказательством внезапного и катастрофического изменения климата Земли послужили изотопы углерода. Миллионы лет до предположительного первого ледникового периода – т. е. более чем 740 млн 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 млн 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 СО2. 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 начали 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.

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 CO2 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.

Дело о газе

Многие ученые в настоящее время полагают, что существует еще одна положительная обратная связь – механизм, и в наши дни играющий важную роль, который мог усугубить процесс стремительного потепления. Метан, простейшее углеводородное топливо, которое мы используем в домах в качестве бытового газа, является также и парниковым газом, причем таким, который гораздо эффективнее, чем углекислый газ, запирает солнечную энергию на Земле. Миллиарды лет метан накапливался в отложениях на дне океана, возможно, за счет двух противоположных механизмов. Первый достаточно хорошо изучен и потому не вызывает возражений, он представляет собой естественный метаболизм микроорганизмов, в ходе которого высвобождается метан. Эти производители метана благоденствуют в бескислородной среде придонных отложений, рядом с которыми и содержатся основные известные запасы метана, так что главные месторождения природного газа, как представляется, возникли в результате жизнедеятельности микроорганизмов.

Недавние исследования выявили еще один возможный источник метана на большей глубине – источник, вообще не относящийся к биологическим процессам. Некоторые исследователи предположили, что в глубоких слоях коры и верхних слоях мантии, на глубине многих сотен километров, где преобладают экстремальные температуры и высокое давление, вода и углекислый газ могут вступать в реакцию с обычными железосодержащими минералами, в результате чего образуется метан. С целью воспроизвести эти реакции были проведены опыты с использованием высокой температуры и давления. Часто ссылаются на исследование, проведенное в Геофизической лаборатории Института Карнеги в 2004 г. молодым ученым Генри Скоттом, который смешал с водой два распространенных в коре минерала: кальцит (карбонат кальция – углеродосодержащий известняк) и окись железа. Скотт поместил эту смесь в алмазную камеру высокого давления и нагрел с помощью лазера до температуры свыше 1000 °С – именно такие экстремальные условия присущи верхним слоям мантии. Напомню, что преимущество алмазной камеры заключается в ее прозрачности, благодаря которой исследователь может наблюдать за тем, что происходит с образцом. Генри Скотт наблюдал за тем, как в камере образуются пузырьки метана. Водород в составе воды вступил в реакцию с углеродом из кальцита, в результате чего образовался природный газ. Многие подобные опыты, проведенные в России, Японии и Канаде, выявили аналогичный синтез углеводородов в условиях, подобных тем, что существуют в недрах Земли.

Эти эксперименты важны также для представления о глобальном потеплении в эпоху неопротерозоя, поскольку именно метан мог сыграть тогда важную роль в формировании положительной обратной связи. Большая часть метана, накопившаяся в придонных зонах океана, содержится в удивительном соединении, называемом газовым гидратом, – похожей на кристаллики льда смеси воды и газа, которая обнаруживается в обнажениях на континентальном склоне в океанах. (Застывший метановый лед на самом деле горит очень ярким пламенем – это можно увидеть на видеороликах в Интернете.) Огромные запасы метана – по некоторым оценкам, во много раз превышающие совокупный объем природного газа в известных месторождениях – заключены в этих метановых льдах, которые образуются, когда газ, выходящий из земных недр, взаимодействует с холодной морской водой. Значительные запасы метанового льда содержатся в арктической вечной мерзлоте – в почвах Сибири, Северной Канады и других регионов, которые в течение тысячелетий пребывают в замороженном состоянии.

Сильная положительная климатическая обратная связь могла образоваться, когда хотя бы немного прогрелась вода в океане, что вызвало таяние мелководных залежей газового гидрата и соответственно обильный выброс газообразного метана в атмосферу. Метан значительно усиливает парниковый эффект, отчего океан нагревается еще быстрее. Современные ученые говорят о катастрофическом выбросе придонного метана в атмосферу во времена неопротерозоя как об условии ускорения глобального потепления, когда Земля от ледяной стужи перешла к жаре в течение всего каких-то десятилетий.

Такой неопротерозойский сценарий сильно зависит от основного источника метана. Если большую часть природного газа в океане производят микроорганизмы, то образование газового гидрата наверняка замедлялось во времена оледенения, и в таком случае метан вряд ли играл бы существенную роль в глобальном потеплении. Если же значительный объем метана поднимается к поверхности от раскаленных, испытывающих высокое давление слоев мантии, тогда запасы твердого метана постоянно пополнялись даже во время глобального похолодания и не зависели от жизнедеятельности микроорганизмов, запуская грандиозную обратную связь. Так что же является источником метана – земные недра, шельфовые микроорганизмы или и то и другое вместе?