Взимку в північній півкулі, як правило, не спекотно. Мороз, сніг, хуртовини, довгі ночі, короткі дні. Життя сповільнюється, десь і зовсім завмирає на кілька місяців до приходу весни. Ми знаємо сьогодні, однак, що були часи, коли зима настала на всій Землі і тривала тисячі тисячоліть. Про те, як і чому наша планета потрапила в полон зими і звідки мільйони років потому прийшла, нарешті, весна, розповідає гляціолог Олексій Єкайкін.
1.
Одну річ про клімат можна сказати напевно: він весь час змінюється. Я нерідко повторюю це фразу, починаючи розмову про сучасні кліматичні зміни. Справжня розповідь - чудова ілюстрація цього твердження.
Ми живемо в епоху дуже швидких кліматичних змін. Зростають середні та екстремальні температури, змінюються кількість та інтенсивність опадів, повторюваність посух, повеней і пожеж. Зростає рівень моря. Трансформуються екосистеми. Але клімат змінювався протягом усього життя нашої планети, ще до того, як люди почали на нього впливати. Були епохи суттєво тепліші за нинішню, коли на Землі взагалі не було льоду. Були й епохи помітно холодніші за сучасну.
Розгляньмо період, коли на Землі було холодніше, ніж у розпал останнього льодовикового періоду.
До речі, в геологічних масштабах часу ми живемо у відносно прохолодну епоху. На більшому протязі історії Землі клімат був істотно тепліше.
Але раніше розповімо про те, чому взагалі змінюється клімат.
Для початку подивимося на міжрічну мінливість температури. На будь-якому температурному графіку ми побачимо стрибки температури від року до року, які виглядають як випадкові коливання. Це в основному і є випадкові флуктуації, пов'язані з особливостями атмосферної та океанічної циркуляції в конкретний рік.
Потім подивимося на температурну криву з невеликого віддалення. У масштабах десятків і сотень років зміни клімату відносно невеликі і в основному пов'язані з коливаннями іншого роду - сонячної і вулканічної активності. Перша визначає кількість тепла, яке приходить до Землі від Сонця, друга відповідає за кількість вулканічного аерозолю в атмосфері, який відображає частину сонячного тепла назад у космос.
Так було в доіндустріальну епоху, але з приходом людини основним кліматичним фактором стала зміна теплового балансу планети за рахунок додавання в атмосферу парникових газів, в першу чергу вуглекислого газу (CO2) і метану.
Тепер подивимося на коливання температури довжиною тисячі і сотні тисяч років. Тут основною рушійною силою кліматичних змін стають плавні зміни параметрів орбіти Землі - так звані цикли Міланковича - з періодами близько 20, 40, 90 і 400 тисяч років. Ці коливання викликають відносно невеликі зміни припливу сонячного тепла влітку до високих широтів північної півкулі. Потім ці спочатку слабкі флуктуації посилюються складними механізмами зворотних зв'язків, в яких одну з головних ролей знову-таки грають парникові гази (детальніше про те, як це працює, можна прочитати тут).
У масштабах мільйонів і десятків мільйонів років основні фактори - тектоніка, розташування океану і суші, конфігурація морських течій, інтенсивність вулканізму, співвідношення процесів зростання гір і їх ерозії (орогенезу і денудації), яке визначає рельєф суші.
І, нарешті, на дуже довгих проміжках часу, порівнянних з віком планети (сотні мільйонів і мільярди років), на перший план виходять такі фактори, як світність Сонця (яка зростає в міру старіння нашої зірки), концентрація основних газів атмосфери (зокрема, кисню, якого колись не було зовсім), розвиток біосфери і так далі (про них і більш масштабні проблеми світобудови читайте матеріал «Це кінець»).
2.
Перенесемося на без малого 800 мільйонів років тому. На Землі в самому розпалі неопротерозойська ера. Протягом попереднього мільярда років клімат Землі був досить теплим і стабільним - цей період історії планети іноді називають «нудний мільярд років». Суша зібрана в суперконтинент Батьківщину, яка в основному знаходиться в низьких широтах. На Землі вже є багатоклітинне життя, але ще вельми примітивне - нитчасті водорості, мікроскопічні гриби, найпростіші тощо (про те, що десь у час, можливо, могло вже починатися «цікаве», в сенсі багатоклітинне життя, - в матеріалі «Наша прагубка»).
І раптом сталася катастрофа. З деяких причин на Землі відбулося глобальне похолодання, яке призвело до того, що планета повністю покрилася льодом. У розпал оледеніння середня температура поверхні суші в районі екватора була -25 градусів Цельсія, мінімальна температура в районі Західно-Африканського протоконтиненту (який тоді знаходився на 60-му градусі південної широти) опускалася до позначки аж − 110 градусів (це, звичайно, результати моделювання, оскільки реконструювати температуру звичайними палеогеографічними методами - наприклад, за геохімічним складом осадових порід, немає можливості). Середня температура планети була близько 50 градусів - чимось схоже на сучасний Марс.
Товщина льоду на суші в ті роки могла досягати п'яти кілометрів. Але не вся вона була суцільно покрита льодом - в таких екстремально холодних умовах повітря занадто сух і не несе достатньої кількості вологи для формування льодовиків у віддалених від океану районах. Не вкриті льодом ділянки суші перетворилися на холодну суху пустошь. Океан не був проморожений до дна - його придонні шари підтримувалися в рідкому вигляді геотермальним теплом подібно до того, як це відбувається зараз з підльодовиковими озерами в Антарктиді, але його покривав кілометровий щит з льоду. Втім, могли бути і ділянки з відносно тонким льодом, який пропускав до води невелику кількість світла, підтримуючи фотосинтезуючі організми.
Все це виглядає, як сценарій фільму-катастрофи, але, на думку сучасної науки, саме так все і було. Цей момент історії Землі і називають «Земля-сніжок» (англійською Snowball Earth). Цей термін ввів в обіг Джозеф Лінн Кіршвінк (Joseph L. Kirschvink) 1992 року.
Життя на Землі вимерло практично повністю, збереглися лише її невеликі оазиси в деяких екологічних нішах. На дні океанів поблизу гарячих джерел вижили хемоавтотрофні мікроби (такі, яким не потрібне сонячне світло), вціліли психрофільні (холоднолюбні) мікроби, збереглися деякі види ціанобактерій і водоростей, що мешкають у снігу, в пористих скелях. Якщо морський лід пропускав якусь частину світу, то могли вижити і якісь фотосинтезуючі морські організми.
Строго кажучи, Земля перетворювалася на такий сніжок кілька разів. Виділяють два великих періоди оледеніння:
- Стертське 717-659 мільйонів років тому;
- Мариноанське 650-635 мільйонів років тому.
Їх розділяв теплий період. Під час обох цих епізодів Земля була повністю покрита льодом.
Чому ми вважаємо, що все було саме так? Як думка про глобальне оледеніння взагалі могла прийти вченим в голову?
Ця історія почалася в 1960-х роках. Тоді геологи звернули увагу, що льодовикові відкладення зустрічаються в неопротерозойських породах майже повсюдно, у всіх частинах Батьківщини, яка розташовувалася в районі екватора. Тобто в той час у тропічних широтах лежали льодовики, причому на рівні моря. На екваторі можна і зараз зустріти лід, але для цього треба забратися на висоту від 5000 метрів і вище.
Ці результати ставили вчених у глухий кут. При цьому відразу ж над цими льодовиковими відкладеннями йдуть пласти вапнякових порід, які могли сформуватися лише в теплій воді. Ці породи, які перекривають льодовикові відкладення, називають «вінчаючі карбонати», англійською, carbonates. Виглядало це так, немов перехід від льодовикового до тропічного клімату відбувся миттєво.
Нарешті, на довершення цієї головоломки, в неопротерозойських відкладах знаходили смугасті залізні руди, які могли утворитися лише за відсутності (або дуже малої концентрації) кисню в океані і атмосфері. Такі руди характерні для порід віком близько 2,2 мільярда років. До цього кількість кисню в атмосфері була невелика, і в океані було розчинено велику кількість двовалентного заліза. Але ось з'явився кисень - і залізо у вигляді нерозчинного у воді оксиду випало в осад. Те ж саме відбувається, коли ви відкриваєте пляшку із залізовмісною мінералкою: поки пляшка щільно закрита, вода залишається прозорою; але якщо її відкрити і дати постояти якийсь час, залізо вступить у реакцію з киснем з повітря і незабаром осяде на дно пластівцями іржі.
Але 700 мільйонів років тому. кількість кисню в атмосфері була хоч і менше нинішнього, але вже дуже велика, і накопичення двовалентного заліза в океані бути не могло. Звідки ж тоді взялися ці залізисті породи?
Щоб пояснити повсюдне поширення льодовикових відкладень у неопротерозої, британський геолог Брайан Харланд (Brian Harland) 1964 року одним з перших запропонував гіпотезу глобального оледеніння. Вона багато пояснювала, але на головні питання відповіді не було: як Земля потрапила в таку ситуацію і, що ще важливіше, як змогла цього палітурка вибратися?
На перше запитання намагалися відповісти кліматологи, і одним з перших у цьому напрямку був наш співвітчизник Михайло Іванович Будико (він же був одним з перших, хто досить точно передбачив антропогенне глобальне потепління - про це наш матеріал «У пошуках тепла»). За допомогою відносно простої кліматичної моделі він показав важливу роль альбедо Землі - відображаючої здатності поверхні - у зміні клімату. Якщо в результаті початкового похолодання на планеті з'являється сніг і лід, які білого кольору, тобто відображають більшу частину сонячного випромінювання, то включається позитивний зворотний зв'язок: більше снігу і льоду - більше альбедо - Земля відображає більше сонячної енергії - стає холодніше - ще більше снігу і льоду. За розрахунками Будико, якщо льодовики добираються до 30 градусів північної або південної широти, процес виходить з-під контролю і льодовики покривають всю планету.
До речі, зворотний механізм теж працює: чим тепліше, тим менше снігу і льоду, тим менше альбедо, тим тепліше. Це одна з причин того, чому Арктика зараз теплішає суттєво швидше за решту планети.
Таким чином, кліматологи показали, що змусити Землю повністю покритися льодом в принципі не так вже й складно. Але за їхніми розрахунками, клімат покритою льодом Землі дуже стійкий, тому залишалося абсолютно незрозуміло, як наша планета змогла вибратися з цієї крижаної пастки.
Відповідь надійшла 1981 року, коли американський дослідник Джеймс Вокер з співавторами опублікували статтю, в якій пояснили механізм терморегуляції нашої планети. Цей механізм (який можна назвати Великим Земним Термостатом) заснований на зворотних зв'язках у вуглецевому циклі. Вуглецевий цикл Землі, взагалі кажучи, досить складний, в ньому багато джерел і стоків вуглецю, але в масштабах сотень тисяч і мільйонів років першорядне значення набувають два потоки:
- постійне надходження CO2 в атмосферу через вулкани;
- природне поховання атмосферного CO2 через процеси вивітрювання, в ході яких цей газ зв'язується з гірськими породами (зокрема, силікатами), разом з поверхневими водами надходить в океан і у вигляді карбонатів захоронюється на дні моря. Частина вуглецю також виводиться біогенним способом: морські мікроорганізми споживають розчинений у воді вуглець і, відмираючи, захоронюють його на дні моря.
Обидва ці потоки вкрай малі: наприклад, сучасний потік CO2 з вулканів на два порядки менше антропогенної емісії вуглецю і на три порядку менше потоків вуглецю з атмосфери в рослинність і назад. Більше того, при стабільному кліматі (знову ж таки, в масштабах сотень тисяч років) ці два потоки приблизно врівноважують один одного. Якщо ж клімат змінюється, то починає відбуватися ось яка річ.
У відносно теплу епоху швидкість вивітрювання збільшується за рахунок зростання температури і річкового стоку, CO2 починає прискорено виводитися з атмосфери, парниковий ефект слабшає, а Земля охолоджується. І навпаки, в більш холодну епоху швидкість вивітрювання зменшується, але, оскільки вулкани продовжують постачати вуглекислий газ, він накопичується в атмосфері, посилює парниковий ефект і розігріває планету.
Nota bene: Якщо ви зараз подумали, що цей термостат допоможе нам впоратися з сучасним глобальним потеплінням, мені доведеться вас розчарувати: як сказано вище, цей механізм діє дуже повільно. Стільки чекати у нас часу немає, тому з викидами CO2 нам доведеться справлятися самим.
Але повернемося в неопротерозою. Отже, Земля цілком укрита льодом, рідкої води немає, процеси вивітрювання практично повністю зупинилися. Але вулкани продовжують стабільно доставляти CO2 в атмосферу, рік за роком підвищуючи його концентрацію. При певному рівні CO2 парниковий ефект стає настільки потужним, що здатний підвищити температуру до точки плавлення льоду. За розрахунками, щоб вибратися з крижаної западні, парціальний тиск CO2 повинен був піднятися до 0,29 бар (що приблизно в 1000 разів вище доіндустріального рівня). Якщо вулкани в той час поставляли CO2 з такою ж швидкістю, що і зараз (близько 0,3-0,4 мільярдів тонн на рік), то могло знадобитися близько 8 мільйонів років, щоб накопичити потрібну кількість. Це мінімальна оцінка, яка отримана з допущенням, що стоки вуглекислого газу повністю були відсутні. Якщо їх враховувати, то на обігрів планети вулканам могло знадобитися і кілька десятків мільйонів років - що якраз узгоджується з тривалістю Стертського і Мариноанського оледенінь.
Як тільки температура в районі екватора досягає точки плавлення, океан починає звільнятися від льоду. Білий лід заміщується темною водою, та починає поглинати сонячну енергію. Посилюється випаровування - водяний пар починає додатково посилювати потепління, оскільки є парниковим газом. Відбувається лавиноподібна миттєва (за геологічними мірками, звичайно) перебудова кліматичної системи з режиму «морозильник» у режим «парник». При цьому різко активізуються процеси вивітрювання, починається активне вимивання CO2 з атмосфери в океан, який захоронюється там у вигляді потужних товщ «вінчаючих карбонатів». І цей цикл «морозильник - парник» був пройдений мінімум двічі!
Тепер подивимося, як в цю схему вкладається формування залізистих осадових порід. У розпал оледеніння, коли океан був повністю перекритий льодом і ізольований від атмосфери, він відчував нестачу кисню. Двовалентне залізо, що надходило з підводних гідротермальних джерел, накопичувалося в океані - а коли морський лід розкрився, випало в осад у вигляді оксидів. Нещодавно був запропонований цікавий механізм, що пояснює смугасту текстуру цих залізистих відкладень: вона може бути пов'язана зі згаданими вище циклами Міланковича. У холодні фази циклів могли складатися умови, що сприяли накопиченню заліза, а в теплі фази океан міг частково звільнятися від льоду, призводячи до облоги заліза на морському дні.
Збоєм у механізмі цього термостата можна пояснити і початок глобального оледеніння в неопротерозої. За сучасними уявленнями, тригером цих подій стали тектонічні процеси. Близько 800 мільйонів років тому Родінія прийшла в рух: почалися процеси утворення розломів земної кори (рифтогенезу) і одночасно з цим зростання гір (орогенезу), що супроводжувалися виливом базальтів, які містять велику кількість силікатів. Далі, оскільки Родінія розпалася на кілька дрібних континентів, доступ вологи на сушу став простішим. У сукупності все це призвело до різкого прискорення вимивання CO2 з атмосфери за рахунок вивітрювання. Концентрація CO2 знизилася від 1800 до 250 ppm (частин на мільйон), після чого Земля охолоділа настільки, що почалося покровне оледеніння. А далі набув чинності описаний вище механізм зворотного зв'язку, що посилив це похолодання.
Також не варто забувати, що світність Сонця в ту епоху була на 6 відсотків меншою за нинішню, тобто за інших рівних умов Земля була холоднішою.
3.
Чи траплялися події подібні «Землі-сніжку» коли-небудь ще? Мабуть, так.
За 1,6 мільярда років до неопротерозойських подій було ще Гуронське оледеніння. Його причиною стала Киснева катастрофа (англійською Great Oxidation Event, GOE), яка трапилася 2,4-2,2 мільярда років тому. До цього в земній атмосфері було багато метану (газу, чий парниковий ефект набагато потужніший, ніж у CO2), але поява кисню призвела до окислення СН4 - що обернулося різким похолоданням.
А ось під час фанерозою (який триває останні 542 мільйони років) глобальних оледенінь більше не було, хоча епохи великих покровних оледенінь траплялися неодноразово. Остання з них почалася 40 мільйонів років тому і, власне, триває досі. Ймовірною причиною могло бути більш вдале розташування суші, ніж за часів Батьківщини. В епоху фанерозойських оледенінь материки перебували переважно в середніх і високих широтах. З одного боку, це полегшує процес утворення льодовиків при похолоданні. З іншого - крижані щити локалізуються в навколополярних районах, льоди не досягають критично важливої 30-ї широти. Одночасно з цим при більш високоширотному положенні материків (до того ж частково перекритих льодом) швидкість вивітрювання відносно невелика, і Великий Термостат встигає утримати концентрацію CO2 в атмосфері на певному рівні, перешкоджаючи занадто сильному охолодженню планети.
Чи можливі такі події в майбутньому? Як знати. У будь-якому випадку, максимум наступного льодовикового періоду настане приблизно через 80 тисяч років, так що для нас це питання поки не дуже актуальне. Більш того, якщо концентрація CO2 в атмосфері залишиться на нинішньому рівні (який вже перевищив 410 ppm), то