Когда Земля была снежной планетой. Какую роль сыграл снег в геологической истории планеты?

Какую роль сыграл снег в геологической истории Земли? И не станут ли заснеженные пейзажи воспоминанием из прошлого через глобальное потепление?

Наша планета значительно меняла свой внешний вид 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, ее 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 вследствие биологических, геологических и других процессов. Таким образом, большинство систем Земли так или иначе связаны друг с другом, и изменение в одной из них приводит к изменениям в другой.

Вся геологическая история нашей планеты делится на четыре больших периода, называемые эонами: (4,6 — 4 миллиардов лет назад), архей (4 — 2,5 миллиарда лет назад), протерозой (2,5 — 0,54 миллиарда лет назад) и фанерозой, продолжается до сих пор.

О самый первый из эонов нам известно мало, ведь с тех пор не сохранилось слоев горных пород. Архей характеризуется наличием первых живых организмов — прокариот, или безъядерных. А в начале протерозоя происходило событие, значительно изменившее состав атмосферы. Оно получило название Кислородная катастрофа. За относительно короткое время количество основных парниковых газов, метана и диоксида углерода, резко уменьшилась, а молекулярный кислород начал накапливаться в атмосфере. Считается, что это произошло благодаря биологическим процессам: цианобактерии начали производить кислород, и вся биосфера Земли вследствие этого перестроилась. Организмы или подстроились под эти изменения, или вымерли, а газовая оболочка Земли уже никогда не возвращалась в прежнее состояние. В конце концов, такие условия привели к появлению сложных аэробных организмов: животных и растений, требующих кислород для поддержания жизнедеятельности. Кроме того, Кислородная катастрофа сделала возможными глобальные оледенения, но об этом чуть позже.

Так когда же на Земле впервые выпал снег? Повышение концентрации кислорода в атмосфере случались и до Кислородной катастрофы. Геологические записи свидетельствуют о значительных геофизические и геохимические изменения 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 в возрасте от 3,7миллиардов лет. Это позволило установить, что 2,5 миллиарда лет назад общее количество поверхности Земли, поднятой над океаном, уже составила около двух третей от современной. Альбедо, то есть отражательная способность Земли увеличилось, а к океанам попало большое количество питательных веществ для организмов. Материки испытали большого выветривания, концентрация углекислого газа в воздухе снизилась. Все вместе эти изменения способствовали охлаждению планеты. Именно тогда, примерно 2,5 миллиарда лет, над Землей пошел первый снегопад, считают исследователи.

Кроме того, ученые делают еще один вывод, который не совпадает с общепринятым определением. Насыщенная кислородом атмосфера возникла в основном из литосферных процессов, то есть живые организмы не вызывали такие изменения, а скорее приспособились к ним. Так или иначе, но кислород привел к более глобальным и необычным условиям — Земля полностью покрылась льдом на миллионы лет.

Вокруг гипотезы «Земля-снежок» не утихают дискуссии ученых. Название говорит само за себя: предполагается, что наша планета от полюсов к экватору была затянута льдом. То есть, тогда Земля буквально превратилась в «снежок»: и море, 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. Причем 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 гуронское оледенение.

Эта древнейшая серия оледенений длилась около 20.мил.лет и была связана в первую очередь с повышением уровня атмосферного кислорода. Следует учитывать еще 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 240.мил.лет назад его концентрации значительно снизились, и основным парниковым газом стал углекислый газ, что и привело к таким глобальным масштабным изменениям.

Доказательства этой гипотезы следует искать в старых горных породах. Даже те из них, которые тогда, в прошлом, находились у экватора, содержат следы ледников. Послепротерозойские ледниковые отложения находили в Северной Америке, Западной Австралии, Южной Африке, Финляндии и тому подобное. Залежи, которые оставляют ледники, очень характерны, их трудно с чем-то спутать. Среди них, в частности, выделяют дроп стоуны — 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, будто оказались не на своем месте, погруженные в расслоенных породах.

После того как тронулся лед гуронское оледенение, начался период, который назывался «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.мил. лет назад наступил последующий ряд оледенений, в том числе и глобальных. Этому способствовал, в частности, распад супер континента Родиния. Последний процесс привел к большому количеству континентальных осадков и выветривания горных пород, которые впитывали углекислый газ. А его уменьшение в атмосфере неизбежно приводит к похолоданию климата.

Гипотеза «Земля-снежок» ставит перед нами два важных вопроса: как, собственно, нашей планете удалось раз морозиться и как жизнь могла пережить такие экстремальные периоды? К таянию льда могли привести вулканы которые выделили огромное количество углекислого газа усиливающий парниковый эффект. А спасением для живых организмов во время периодов оледенения могли стать теплые геотермальные источники, или же активные вулканы, растапливающие лед.

Правда, не все согласны с этой теорией. Существует 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 покрытыми лишь тонким жидким слоем лед.

В этом сценарии углекислый газ начинал накапливаться очень быстро, обледенение было недолгим, а лед сходил постепенно. Современная Земля уже точно не напоминает снежок и ее климат переживает скорее противоположные тенденции. Подробно об антропогенных изменения климата мы писали в материале «Глобальное потепление — не миф?» Сейчас стоит вспомнить основные выводы: климатическая система Земли нагревается, это происходит из-за повышенного уровня углекислого газа в атмосфере, увеличивается по сравнению с доиндустриальным периодом из-за деятельности человека. В основном — из-за использования ископаемого топлива. Станут ли снегопады воспоминанием из прошлого через глобальное потепление? На самом деле, не все 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 экстремальной: например, ураганы будут длиться дольше и приносить больше опустошения. 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, напротив, увеличится. Так будет происходить, потому что теплый воздух содержит больше влаги, и эта дополнительная влага может выпадать в виде снега, когда температуры падает ниже нуля. Для регионов, в которых зимой температуры опускаются чуть ниже точки замерзания воды, а высота поверхности составляет ниже 1000 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 привести к более раннему таянию снега. Например, теплый воздух на Аляске способствует тому, что с каждой новой весной снег тает здесь раньше, а бесснежный летний сезон увеличивается. Теплые периоды зимой также могут вызвать дожди вместо снегопада или привести к таянию даже в холодное время года. Но, опять же, все зависит от региона.

На Украине в этом контексте также будут перемены. Согласно данным Центральной геофизической обсерватории имени Бориса Срезневского, в прошлом году метеорологическая зима в Киев так и не пришла. Так или иначе, а ждать снега на зимние праздники мы вряд ли перестанем.

Перевод материала nauka.ua