Международная группа исследователей предложила новую модель одного из самых загадочных климатических периодов в истории Земли — эпохи «Земли-снежка» (Snowball Earth), когда почти вся поверхность планеты могла быть покрыта льдом. Согласно новой работе, Земля не находилась в состоянии непрерывного глобального оледенения десятки миллионов лет. Вместо этого климат постоянно колебался между экстремальным похолоданием и сравнительно теплыми периодами.
Исследование помогает объяснить сразу несколько давних научных проблем:
- как глобальное оледенение могло продолжаться десятки миллионов лет;
- почему жизнь не исчезла полностью;
- каким образом атмосфера сохраняла кислород;
- почему геологические данные противоречат старым климатическим моделям.
Работа была проведена учеными Гарвардской школы инженерных и прикладных наук SEAS и опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Что такое «Земля-снежок»
Гипотеза Snowball Earth предполагает, что в далеком прошлом Земля пережила периоды практически полного глобального оледенения. В эти эпохи лед мог распространяться почти до экватора, а океаны покрывались толстым слоем льда.
Основные события произошли в криогенном периоде примерно между 720 и 635 миллионами лет назад.
Ученые выделяют два крупнейших эпизода:
- Стёртское оледенение (Sturtian glaciation);
- Мариноанское оледенение (Marinoan glaciation).
Особенно загадочным остается Стёртское оледенение, которое, по современным оценкам, продолжалось около 56 миллионов лет.
Почему это считается серьезной научной проблемой
Главная сложность связана с тем, что существующие климатические модели плохо объясняют столь длительное глобальное замерзание.
Если Земля действительно была полностью покрыта льдом миллионы лет, возникают серьезные вопросы:
- как сохранялась атмосфера;
- почему океаны не промерзли окончательно;
- каким образом выжили живые организмы;
- почему не исчез кислород.
Для ранней многоклеточной жизни подобные условия должны были быть почти катастрофическими.
Новая модель предлагает «климатические качели»
Авторы новой работы пришли к выводу, что Стёртское оледенение могло состоять не из одного непрерывного ледникового периода, а из множества циклов.
Согласно модели, климат Земли постоянно переключался между:
- короткими глобальными замерзаниями;
- относительно теплыми межледниковыми фазами.
Ученые называют это своеобразным климатическим «перетягиванием каната».
Вместо стабильной ледяной планеты Земля могла периодически:
- освобождаться от части льда;
- получать открытые участки океана;
- восстанавливать климатическую активность;
- поддерживать существование жизни.
Главную роль сыграли вулканы
Ключевым фактором исследования стала огромная вулканическая провинция Franklin Large Igneous Province на территории современной Канады.
Около 720 миллионов лет назад здесь происходили колоссальные извержения.
Это был один из крупнейших магматических эпизодов в истории Земли.
Извержения:
- выбрасывали огромное количество углекислого газа;
- изменяли состав атмосферы;
- влияли на температуру планеты;
- запускали химические процессы выветривания.
Вулканизм одновременно нагревал и охлаждал Землю
На первый взгляд это кажется противоречием.
Вулканы выделяют CO₂, а углекислый газ усиливает парниковый эффект и повышает температуру.
Но существовал и обратный механизм.
После отступления льда на поверхность выходили огромные площади свежего базальта — вулканической породы. Этот базальт активно вступал в химические реакции с атмосферным CO₂.
Происходил процесс химического выветривания:
- углекислый газ связывался породами;
- концентрация CO₂ уменьшалась;
- климат снова охлаждался;
- лед возвращался.
Получался замкнутый цикл.
Земля постоянно переходила из одного состояния в другое
Исследователи описывают систему как нестабильный баланс.
Схема выглядела примерно так:
- Вулканизм повышал уровень CO₂.
- Планета нагревалась.
- Лед отступал.
- Обнажался базальт.
- Выветривание удаляло CO₂.
- Земля снова охлаждалась.
- Лед расширялся.
По сути климат работал как гигантский маятник.
Почему это важно для понимания происхождения жизни
Одна из крупнейших проблем гипотезы «Земли-снежка» всегда касалась выживания жизни.
Если океаны были полностью покрыты льдом на десятки миллионов лет:
- фотосинтез должен был резко сократиться;
- кислород постепенно исчезал бы;
- экосистемы разрушались;
- ранняя многоклеточная жизнь могла погибнуть.
Новая модель значительно смягчает эту проблему.
Если между ледниковыми фазами существовали теплые интервалы, тогда:
- сохранялись открытые океаны;
- фотосинтез продолжался;
- атмосфера не теряла весь кислород;
- организмы получали «окна выживания».
Атмосфера могла не терять кислород полностью
Авторы исследования отдельно изучили вопрос атмосферного кислорода.
При непрерывной глобальной ледниковой эпохе кислород должен был постепенно расходоваться на химические реакции с вулканическими газами.
Но если ледниковые периоды были относительно короткими:
- атмосфера успевала восстанавливаться;
- фотосинтез продолжал вырабатывать кислород;
- биосфера сохраняла устойчивость.
Это помогает объяснить, почему жизнь пережила один из самых суровых климатических периодов в истории планеты.
Возможно, Земля никогда не была полностью заморожена
Новая работа поддерживает более мягкий вариант гипотезы, который иногда называют «Slushball Earth» — «Земля-слякоть».
Согласно этой идее:
- часть океанов могла оставаться открытой;
- существовали незамерзающие районы;
- климат был неоднородным;
- жизнь сохранялась в относительно благоприятных зонах.
Подобные «убежища» могли играть критическую роль для выживания ранних организмов.
Геологические данные давно намекали на сложную картину
Ученые уже много лет сталкиваются с противоречиями в геологической летописи.
Некоторые осадочные породы показывают:
- наличие текущей воды;
- движение осадков;
- активную циркуляцию океанов;
- признаки незамерзших участков моря.
Это плохо согласовывалось с идеей полностью замерзшей планеты.
Новая модель позволяет объединить климатические расчеты и геологические наблюдения.
Почему Земля вообще превратилась в «снежок»
Точный механизм запуска глобального оледенения до сих пор обсуждается.
Среди возможных факторов ученые рассматривают:
- снижение концентрации CO₂;
- изменения вулканической активности;
- расположение континентов;
- усиление отражения солнечного света льдом;
- изменения солнечной активности.
Особенно важен эффект альбедо.
Лед усиливал собственное распространение
Когда лед покрывает поверхность планеты, он отражает большую часть солнечного света обратно в космос.
Это приводит к дополнительному охлаждению.
Возникает положительная обратная связь:
- больше льда;
- сильнее отражение света;
- ниже температура;
- еще больше льда.
Именно этот механизм считается главным двигателем Snowball Earth.
Подобные процессы могут происходить и на экзопланетах
Исследование важно не только для понимания истории Земли.
Авторы подчеркивают, что аналогичные климатические циклы могут происходить и на других планетах.
Это особенно актуально для поиска жизни на экзопланетах.
Сегодня ученые активно изучают:
- климатическую устойчивость планет;
- вероятность глобальных оледенений;
- влияние вулканизма;
- баланс атмосферы и океанов.
Если циклические переходы между ледниковыми и теплыми фазами являются обычным явлением, это может повысить вероятность существования жизни даже на климатически нестабильных мирах.
Криогенный период мог повлиять на эволюцию сложной жизни
Интересно, что вскоре после завершения криогенных оледенений произошел резкий рост разнообразия сложных организмов.
Многие исследователи считают, что экстремальные климатические условия могли:
- ускорить эволюцию;
- изменить химический состав океанов;
- повысить уровень кислорода;
- создать новые экологические ниши.
Хотя прямая связь пока окончательно не доказана, многие ученые считают ее весьма вероятной.
Земля пережила один из самых экстремальных климатических периодов в истории
Криогенный период остается одним из наиболее необычных этапов эволюции планеты.
Современные исследования показывают, что древняя Земля была гораздо менее стабильной, чем считалось ранее.
Она могла многократно переходить между состояниями:
- почти полной заморозки;
- относительно теплого климата;
- активного вулканизма;
- быстрых изменений атмосферы.
Новая модель «климатического перетягивания каната» помогает лучше понять, как Земля смогла пережить эти экстремальные условия и при этом сохранить жизнь, которая впоследствии дала начало сложным многоклеточным организмам и всей современной биосфере.
Источники:
Статья создана по материалам UniverseToday.com
Интересная гипотеза. Получается, Земля не просто «замерзла», а долго находилась в состоянии нестабильного климата, постоянно переходя из холода в потепление.