Древние докембрийские породы говорят о том, что наша планета как минимум дважды покрывалась льдом полностью: от полюсов до экватора. Из космоса она выглядела точь-в-точь как снежок на новогодней елке. Эти оледенения могли бы полностью уничтожить едва зародившуюся клеточную жизнь, но вместо этого привели к появлению сложных организмов.
Я знала, что на Земле случались оледенения. Последнее было сравнительно недавно — 10 тысяч лет назад. Но что Земля полностью покрывалась льдом 600 млн лет назад, неожиданно для себя открыла на курсе The History of Ancient Environments, Climate, and Life, MITx. Как это произошло и почему, давайте разбираться вместе.
Написано по материалам статьи The story of Snowball Earth by Laura Poppick The story of Snowball Earth | Knowable Magazine и видео на ютуб-канале Дарвиновского музея.
Как выглядела Земля во время массивного оледенения?
За свои 4,5 миллиарда лет Земля претерпела множество изменений, в том числе кардинальных. Одно из, возможно, самых значимых событий произошло от 700 до 600 млн лет назад, когда, по мнению ученых, вся планета от полюсов до экватора покрывалась льдом — два раза подряд.
Это момент в истории планеты описывает теория «Земля-снежок». Ее название точно передает то, как выглядела Земля из космоса — как блестящий белый шар. Вся ледовая поверхность была покрыта инеем и крошечными кристаллами льда, которые оседали из холодного сухого воздуха. Температура по всей планете была намного ниже нуля, а в низких широтах дули сильные ветры. Океан подо льдом постоянно баламутили приливы и турбулентные водовороты, которые возникали из-за геотермального тепла, поступавшего из недр Земли.
Что навело геологов на мысль о массивном оледенении?
Однажды в Австралии, в породах старше 600 млн лет, геолог Дуглас Моусон обнаружил ледниковые отложения ー тиллиты. В этом нет ничего удивительного: согласно теории движения литосферных плит, Австралия могла тогда находиться в районе полюсов и быть покрыта ледником.
Потом отложения того же возраста нашли на Шпицбергене и в Гренландии. И снова ничего необычного — эти места уже точно находятся на севере. Но после палеотектонических реконструкций перемещения континентов выяснилось, что и Гренландия, и Шпицберген во время оледенений располагались на экваторе и входили в состав суперконтинента Родиния. Велика вероятность, что вся планета была покрыта льдом.
Что спровоцировало оледенения?
Вопрос о причинах оледенения крайне сложный, единого мнения по нему нет. Из-за чего происходят такие крупные колебания температуры на Земле? Возможно, из-за циклов Миланковича, когда при смещении земной оси на Землю поступает меньше солнечной энергии. Эти циклы вполне коррелируют с изменениями климата за последние сотни тысяч лет. Но Земля покрывалась льдом более 20 млн лет назад — вряд ли столь длительное оледенение было связано с космическими факторами.
Давайте рассмотрим два вопроса. Что создало условия для похолодания и оледенения? И что стало толчком к ним?
В серьезных климатических изменениях большую роль играют парниковые газы, особенно углекислый, СО2. Сейчас многие обеспокоены тем, что из-за выбросов СО2 на Земле поднимается температура. Логично предположить обратный процесс — чем меньше СО2, тем ниже температура и холоднее планета. Что же могло 700 млн лет назад привести к снижению концентрации углекислого газа?
Во время массивного оледенения единый суперконтинент Родиния распадался на части. Считается, что между этими двумя событиями есть связь: распад суперконтинента мог увеличить количество осадков на окраинах континентов, а это усилило выветривание горных пород.
Под действием химических и физических факторов горные породы разрушались. Этот процесс называется выветриванием. При нем активно поглощается углекислый газ и образуется SiO2 ー то, из чего состоит самый обычный песок. Продукты выветривания, насыщенные СО2, переносились водными потоками в океан, где и были погребены.
Кроме этого, частично при эрозии освобождается кальций. Он растворяется в воде, которая начинает активно поглощать углекислый газ, образуя CaCO3, то есть известняк. Так, суша и вода постоянно накапливали в себе углекислый газ. Атмосфера постепенно, на протяжении миллионов лет, теряла парниковые газы и охлаждалась.
Что же касается триггера, запустившего необратимые процессы оледенения, то в последние годы относят к нему серию крупных извержений, которые произошли на территории современной Арктики в Канаде примерно 717 и 719 млн лет назад.
Когда извергаются огненные фонтаны — лава, которая выходит из кратера вулкана в течение нескольких недель или месяцев — в атмосферу выбрасывается и поднимается в ее верхние слои сильный тепловой поток. С ним в стратосферу утягиваются и надолго там остаются частицы серного газа. Они отражают падающее солнечное излучение, отчего температура на поверхности снижается. Эти извержения совпадают по времени с началом первого и более продолжительного из двух «снежных» периодов, поэтому возникло мнение, что вулканы и спровоцировали эти события.
Как выглядела жизнь на Земле в то время и как она изменилась из-за оледенения?
Ученые считают, что массивное оледенение могло привести к кембрийскому взрыву жизни — периоду, когда многоклеточные организмы стали разнообразнее и начали распространяться по планете.
Океаны подо льдом не промерзали — отложения горных пород того времени содержат следы волновой ряби или качения по дну. Раз была вода, значит, могла быть и жизнь, хотя бы на морском дне вокруг гидротермальных подводных источников, как сейчас это происходит вокруг черных курильщиков.
К тому же некоторые микроорганизмы могли жить и во льдах. Те же бактерии переносят экстремальные условия. Недавние находки на озере Восток (Антарктида) показали, что подо льдом в воде могут существовать организмы, причем фотосинтезирующие, которые живут за счет энергии солнечного света. Лед должен быть не слишком толстым, чтобы свет проникал метров на сто. Возможно, если лед покрывал всю Землю, то местами он достигал километров. Но на экваторе его толщина была не больше 10 м, то есть организмы могли выжить даже в условиях оледенения.
Океаны тогда населяли бактерии, водоросли и одноклеточные организмы, они же простейшие. Есть свидетельства, что в это же время возникли первые многоклеточные организмы, вероятно, что-то вроде губок.
Есть одна гипотеза, как именно оледенение повлияло на жизнь на Земле. Экосистемы «Земли-снежка» могли быть сильно изолированы друг от друга, что дало толчок для развития новых форм жизни, особенно альтруистических — с клетками, которые считают, что лучше работать сообща, а не по отдельности. Таким образом, большая изоляция экосистем могла позволить им превратиться в многоклеточные организмы, укрепить сотрудничество и развиваться совместно.
После оледенения наступил эдиакарский период, в котором появилось уникальное сообщество многоклеточных животных, и все мелководье наполнилось жизнью.
Как теорию «Земли-снежка» приняли геологи?
Когда в 1989 году геолог из Калифорнийского технологического института Джо Киршвинк ввел термин «Земля-снежок», многие ученые усомнились, что эти оледенения происходили на самом деле. Научный мир оказался слишком привязан к идее о том, что Земля никогда сильно не меняла свой облик.
Геологи XIX века так же с трудом поверили, что всего 20 000 лет назад большая часть Северной Европы и Северной Америки была покрыта ледником, как геологи XX века поверили в теорию «Земли-снежка».
Доказательств оледенений на низких широтах, в самых теплых частях Земли, долгое время не хватало. Не были достоверно известны даты этих событий. Но в 2010–2014 годах два абсолютно разных метода датировки дали очень схожие результаты. С тех пор большинство геологов, изучающих эти оледенения, приняли гипотезу «Земли-снежка».
После датировок к ученым появились новые вопросы. Почему на Земле произошли подряд два ледниковых периода? Почему первый длился 58 миллионов лет, а второй — от 5 до 15 миллионов лет? Почему между ними был такой короткий промежуток, всего 10 миллионов лет, когда льда не было вовсе? Почему не произошло третьего или четвертого оледенения?
Может ли оледенение повториться и зачем вообще изучать историю Земли?
Вероятность того, что вся Земля снова покроется льдом, комментирует геолог Пол Хоффман из университета Виктории, Британская Колумбия, Канада:
Вряд ли мы можем ответить, случится ли оледенение в будущем. Будущее — это долгий срок. Я думаю, мы можем сказать, что оно не произойдет в ближайшие несколько десятков тысяч лет.
История нашей планеты — одна из величайших историй. Поскольку мы живем здесь и зависим от этого места, очень важно понимать, что Земля не всегда была такой, как сегодня. Земля-снежок — пример удивительных событий, через которые прошла наша планета и о которых мы бы никогда не узнали, если бы не изучали геологические отложения.
