Учёные ласково называют этот период «Земля-снежок», хотя между ними до сих пор идут споры о том, как наша планета стала снежным шаром и почему лёд в конце концов растаял. Научное издание Nauka.ua рассказывает, что точно сегодня известно о заснеженном прошлом нашей планеты, как следы древнего снега нашлись в африканской пустыне, и стоит ли ожидать новых глобальных оледенений.
С первым снегом!
Наша планета значительно меняла свой облик на протяжении геологических эпох: двигались литосферные плиты, взрывались вулканы, появлялись новые горы, континенты формировались и снова распадались. Так же менялся и климат.
Вообще, климатическая система Земли и в частности её глобальная температура — значительно зависят от концентраций кислорода и углерода в атмосфере. Когда углерода становится много, температура повышается, когда больше кислорода — становится холоднее.
Эти элементы могут высвобождаться или поглощаться в результате биологических, геологических и других процессов. Таким образом, большинство систем Земли так или иначе связаны друг с другом, и изменение в одной приводит к изменениям в другой.
Вся геологическая история нашей планеты делится на четыре больших периода, называемых эонами: гадей (4,6–4 миллиардов лет назад), архей (4–2,5 миллиарда лет назад), протерозой (2,5–0,54 миллиардов лет назад) и фанерозой, продолжающийся до сих пор.
О самом первом из эонов нам известно мало, ведь с тех времён не сохранилось слоёв горных пород. Архей характеризуется наличием первых живых организмов — прокариот, или безъядерных. А в начале протерозоя произошло событие, значительно изменившее состав атмосферы. Оно получило название Кислородная катастрофа. За относительно короткое время количество основных парниковых газов, метана и диоксида углерода, резко уменьшилось, а молекулярный кислород начал накапливаться в атмосфере.
Считается, что это произошло благодаря биологическим процессам: цианобактерии начали производить кислород, и вся биосфера Земли в результате этого перестроилась. Организмы либо подстроились под эти изменения, либо вымерли, а газовая оболочка Земли уже никогда не возвращалась к предыдущему состоянию.
В конце концов такие условия привели к появлению сложных аэробных организмов: животных и растений, нуждающихся в кислороде для поддержания жизнедеятельности. Кроме того, Кислородная катастрофа сделала возможными глобальные оледенения, но об этом чуть позже.
Так когда же на Земле впервые выпал снег?
Повышения концентрации кислорода в атмосфере случались и до Кислородной катастрофы. Геологические записи свидетельствуют о значительных геофизических и геохимических изменениях на границе архея и протерозоя. Свой вклад в перестройку атмосферы внесло и увеличение поверхности суши на планете.
Так, исследователи проанализировали изотопный состав сланцев со всех континентов возрастом от 3,7 миллиардов лет. Это позволило установить, что 2,5 миллиарда лет назад общее количество поверхности Земли, поднятой над океаном, уже составляло около двух третей от современной.
Далее изменения происходили цепочкой, одна за другой. Альбедо, то есть отражательная способность Земли, увеличилась, а в океаны попало большое количество питательных веществ для организмов.
Материки подверглись большему выветриванию, концентрация углекислого газа в воздухе снизилась. Все вместе эти изменения способствовали охлаждению планеты. Именно тогда, примерно 2,5 миллиарда лет назад, над Землей пошёл первый снегопад, считают исследователи.
Кроме того, учёные делают еще один вывод, который не совпадает с общепринятым определением.
Насыщенная кислородом атмосфера появилась в основном из-за литосферных процессов, то есть живые организмы не вызвали такие изменения, а скорее приспособились к ним. Так или иначе, но кислород привёл и к более глобальным и необычным условиям — Земля полностью покрылась льдом на миллионы лет.
Игра в снежки
Вокруг гипотезы «Земля-снежок» не утихают дискуссии учёных. Название говорит само за себя: существует предположение, что наша планета от полюсов до экватора была затянута льдом. То есть тогда Земля буквально превратилась в «снежок»: и моря, и континенты были покрыты толстым слоем льда, в низких широтах над этими заснеженными ландшафтами проносились штормовые ветры.
Даже на экваторе средняя температура составляла около минус 20 градусов Цельсия. Причём в таком состоянии планета оказывалась по меньшей мере дважды во время периодов чрезвычайного охлаждения. Они произошли на временном промежутке между 2,4 миллиардами и 580 миллионами лет назад, и первый из этих периодов называется гуронским оледенением.
Эта древнейшая серия оледенений длилась около 200 миллионов лет и была связана в первую очередь с повышением уровня атмосферного кислорода. Следует учитывать ещё и астрофизический факт: тогда светимость Солнца была значительно ниже современного уровня, и чтобы компенсировать этот эффект, был необходим эффективный парниковый газ.
В течение архея эту роль выполнял метан, но около 2,4 миллиардов лет назад его концентрации значительно снизились, и основным парниковым газом стал углекислый газ, что и привело к таким глобальным и масштабным изменениям.
Доказательства этой гипотезы следует искать в старых горных породах.
Даже те из них, которые тогда, в прошлом, находились возле экватора, содержат следы ледников. Палеопротерозойские ледниковые отложения находили в Северной Америке, Западной Австралии, Южной Африке, Финляндии и др. Залежи, которые оставляют ледники, очень характерны, их трудно с чем-то спутать.
Среди них, в частности, выделяют дропстоуны — несколько скругленные обломки породы, часто больших размеров. Эти камни перемещались с ледниковым шельфом с суши в океан, а затем вертикально выпадали и оказывались в отложениях на дне морей. Они выглядят так, как будто оказались не на своем месте, погруженные в расслоенную породу.
Так же — благодаря породам — исследователи смогли отследить и окончание глобального оледенения. Например, в пустыне Калахари есть слой марганцевой руды толщиной 45 метров, возраст которого совпадает с концом периода «Земли-снежка». Считается, что такие отложения образовались благодаря быстрым и массовым таяниям льда.
После того, как тронулся лёд гуронского оледенения, начался период, который называется «скучным миллиардом» (Boring Billion). Долгое время на Земле не происходило никаких глобальных и экстремальных событий: тектоника плит оставалась стабильной, климат — уравновешенным, а биологическая эволюция спокойно продолжалась.
И вот примерно 720 миллионов лет назад наступил криогений, а с ним и следующий ряд оледенений, в том числе и глобальных. Этому способствовал, в частности, распад суперконтинента Родиния.
Последний процесс привёл к большому количеству континентальных осадков и выветриванию горных пород, которые впитывали углекислый газ. А его уменьшение в атмосфере неизбежно приводит к похолоданию климата.
Гипотеза «Земли-снежка» ставит перед нами два важных вопроса: как, собственно, нашей планете удалось разморозиться, и как жизнь могла пережить такие экстремальные периоды?
К таянию льдов могли привести вулканы, выделившие огромное количество углекислого газа, который усилил парниковый эффект. А спасением для живых организмов во время периодов оледенения могли стать тёплые геотермальные источники, или же те самые активные вулканы, которые растапливали лед.
Правда, не все согласны с этой теорией. Существует, в частности, её смягчённая версия – так называемая теория «размокшего снежного шарика» (Slushball Earth). Согласно ей, кроме массивных ледяных покровов на континентах, другие части планеты (особенно океанические районы вблизи экватора) могли быть покрыты лишь тонким водянистым слоем льда.
В этом сценарии углекислый газ начинал накапливаться очень быстро, оледенение было недолгим, а лед сходил постепенно.
Зима (не) близко
Современная Земля уже точно не напоминает снежок, и её климат переживает скорее противоположные тенденции. Климатическая система Земли нагревается, это происходит из-за повышенного уровня углекислого газа в атмосфере, который увеличивается по сравнению с доиндустриальным периодом из-за деятельности человека. В основном — из-за использования ископаемого топлива. Так станут ли снегопады воспоминанием из прошлого из-за глобального потепления?
На самом деле, не всё так просто.
Современное глобальное потепление, вызванное человеком, не означает, что на всей планете будут тропики. Каждый из регионов будет реагировать на изменения климата по-разному: где-то ожидаются засухи, где-то, наоборот, наводнения. Погода в целом станет более экстремальной: например, ураганы будут длиться дольше и приносить больше опустошений. То же касается и осадков, в том числе и снега.
Моделирование показывает, что в большинстве регионов среднегодовое количество снега уменьшится с потеплением, но в регионах с очень низкими температурами поверхности, наоборот, — увеличится. Так будет происходить, потому что тёплый воздух удерживает больше влаги, и эта дополнительная влага может выпадать в виде снега, когда температура падает ниже нуля. Что касается экстремальных снегопадов, то их интенсивность упадёт, но не намного.
Например, для регионов, в которых зимой температуры опускаются чуть ниже точки замерзания воды, а высота поверхности составляет ниже 1 000 метров, шансы на экстремальный снегопад к концу 21 века упадут лишь на 8 %, тогда как в среднем снегопады в этом же регионе уменьшатся на 65 %.
Потепление климата также может вызвать более раннее таяние снега и более короткий сезон снежного покрова. Например, тёплый воздух на Аляске способствует тому, что с каждой новой весной снег тает здесь раньше, а бесснежный летний сезон удлиняется. Тёплые периоды зимой также могут вызвать дожди вместо снегопада или привести к таянию даже в холодное время года. Но, опять же, всё зависит от региона.