Земля-Снежок — ретроспектива и перспектива

На наших глазах теория глобального потепления постепенно обрастает таким количеством деталей и оговорок, что всё чаще принято говорить о «глобальных изменениях климата». Более того, судя по геохронологической шкале, мы сейчас можем жить в тёплом финале очередного межледниковья. Глетчеры высотой с Урал вполне могут вернуться в умеренные широты, а последним жителям уцелевших обезлюдевших мегаполисов промозглой Индии и пасмурной Нигерии останется только вздыхать об ушедшей аридной эпохе. Желающим почитать по-настоящему исчерпывающий труд о глобальном потеплении рекомендую книгу Уоллеса-Дэвиса «Необитаемая Земля». Но в этом посте мы поговорим о протерозойских супероледенениях, которые, в отличие от кайнозойских ледниковых периодов, были не региональными, а глобальными. Эти события относятся к криогеновому и эдиакарскому периоду и включают два крупнейших оледенения: стертское (717-660 миллионов лет назад) и мариоанское (650-635) миллионов лет назад. Это не теория, а гипотеза (поскольку доказательства в пользу нее в основном косвенные) и называется она «Земля-снежок». Впервые сформулировал эту гипотезу в 1987 году Джо Киршвинк (род. 1953), специалист по палеомагнетизму из Калифорнийского технологического института (Калтеха).     

Предыстория

Палеомагнетизм — это геологическая дисциплина, изучающая динамику изменения магнитного поля Земли с течением времени. Основным палеомагнитным маркером является рисунок залегания пород с содержанием железа. Залежи железа вытягиваются вдоль линий магнитного поля, поэтому по их расположению и изотопному составу можно понять, на какой широте и когда именно сформировалась порода. Эти закономерности начали изучать в начале XX века, пытаясь подтвердить или опровергнуть теорию Альфреда Вегенера о дрейфе континентов, выдвинутую в 1912 году. Сегодня дрейф континентов и тектоника плит не вызывают никаких сомнений, но почему-то в Солнечной системе это явление характерно только для Земли.
При этом в геологических формациях также присутствуют осадочные углеродосодержащие породы (карбонаты). Для образования некоторых из них определенно требуется оледенение, но карбонаты из формации Доушаньтоу, ныне расположенной на территории китайской провинции Гуйчжоу, образовались около самого экватора, примерно в 3±4,5° с.ш. В конце протерозоя (1,1-0,9 млрд. лет назад) тектонические плиты и прообразы нынешних материков были расположены так:

Звездочками здесь обозначены залежи ледникового происхождения, так называемые «полосчатые железные руды» (BIF). Обратите внимание на Австралию, которая находится в западном полушарии по обе стороны от экватора. Именно в Австралии, на территории гор Флиндерс, в 1958 году работал палеонтолог Брюс Раннегар из UCLA (Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе). Там он обнаружил алевролиты – твердую древнюю осадочную породу красноватого цвета с характерным полосатым узором:

Эти породы, впоследствии найденные и в других районах Южной Австралии, образуются в прибрежных регионах и покрываются карбонатными отложениями. Характерная для них полосатая форма может объясняться регулярными приливами и отливами; наиболее подходящей средой для их формирования являются мелководные морские заливы. Палеомагнитные исследования не оставляли сомнений, что эти породы образовались вблизи от экватора. Красноватый цвет породе придают окислы железа, подобные ржавчине; в этих скалах связано много кислорода, как и в марсианском реголите, имеющем схожий рыже-коричневый оттенок.

Рядом с ними также были найдены карбонатные породы диамициты, входящие в более широкую категорию карбонатных пород под названием «венчающие доломиты». Повсюду на Земле такие породы четко соответствуют границам оледенений и образуются на месте ледников вскоре после их таяния. При таянии ледникового щита в атмосферу активно выделяется водяной пар, который, как и углекислый газ, разгоняет парниковый эффект. Увеличивается кислотность атмосферы и воды, в особенности в реках и на морских мелководьях, из-за чего берега и дно заливов быстро покрываются венчающими карбонатами/доломитами (известняком CaCO₂ и доломитом CaMg[CO₃]₂). При этом карбонаты ледникового происхождения выраженно отличаются от морских карбонатов содержанием углерода-13 (2-6 ‰). Природа такой изотопной аномалии пока не вполне понятна, но как индикатор она однозначно отличает ледниковые отложения от морских.

В середине 1980-х Киршвинк заинтересовался данными Раннегара и поначалу отнесся к ним скептически. В рамках концепции палеомагнетизма дрейф материков уже был изучен весьма точно, и приходилось согласиться с тем, что 600-800 миллионов лет назад ледники формировались прямо на экваторе. Более того, непосредственно после окончания последнего глобального оледенения сформировалась эдиакарская биота, по-видимому, древнейшая многоклеточная жизнь на Земле (организмы, которые можно считать животными). Киршвинк и его ученики многократно проверили сравнительные данные о сочетании магнетитов и карбонатов, и к 1995 году окончательно сформулировали гипотезу «Snowball Earth» («Земля-Снежок»).    

Парниковый эффект и горообразование как причины глобальных оледенений

Как я уже упоминал выше, гипотеза Земли-Снежка остается гипотезой и одним из объяснений странного расположения карбонатных отложений, не проверена и не имеет бесспорного подтверждения. Но далее в рамках этой статьи мы поговорим о ней как о теории, считая её таким же фактом, как и дрейф материков, постулированный Вегенером. В наше время всеобщей озабоченности парниковым эффектом необходимо учитывать, что при определенном стечении обстоятельств он может привести к развитию не венерианского, а европейского сценария. Что касается позднепротерозойских времен, глобальное оледенение могло произойти в результате следующей последовательности событий.

В результате возросшей вулканической активности Родиния стала растрескиваться на литосферные плиты. В ней начали образовываться рифты и вулканические дуги, все активнее насыщавшие атмосферу пеплом (сажей). Наступил аналог ядерной зимы или, скорее, ядерной осени, когда температура на поверхности Земли долгое время держалась в районе нуля или даже значительно ниже, учитывая, что молодое Солнце было не таким ярким, как сегодня. К тому моменту, как вулканическая активность ослабла, и тот акт бурного горообразования пошел на спад, значительно повысилась отражательная способность (альбедо) нашей планеты. Поскольку практически всю энергию мы получаем от Солнца, именно повышение альбедо — наиболее действенный (и наименее контролируемый) способ остудить Землю. В постапокалиптическом сериале «Сквозь снег» глобальная зима, служащая мизанпейзажем разворачивающейся драме, случилась именно из-за неграмотного геоинженерного вмешательства, когда в атмосфере Земли был распылен аэрозоль, резко повысивший альбедо планеты – именно поэтому перегретую планету не просто остудили, а заморозили. Выше я уже упоминал, что структура венчающих карбонатов свидетельствует о накоплении избыточного водяного пара в атмосфере, а это также могло поспособствовать возросшей облачности. Облака белые, они также повышают альбедо, и могли дополнительно ускорить превращение Земли в снежок.

Гористая планета обладает большим альбедо, чем равнинная, во многом потому, что и на вершинах, и в долинах образуются многовековые ледники. Но самую существенную роль в поддержании альбедо на Земле играет океан: ведь из космоса он значительно темнее суши, поэтому в основном поглощает, а не отражает солнечный свет (отчасти именно поэтому океаническая биота более уязвима перед парниковым эффектом, чем обитатели суши). Постепенное сковывание океана ледяным щитом могло привести к дальнейшему ускоряющемуся росту альбедо – и за считанные сотни тысяч лет Земля могла превратиться в бесконечные ледяные пустоши, над которыми всё ещё поднимались бы самые высокие горные пики, хребты и продолжали куриться вулканы.   

При этом климатологическое моделирование свидетельствует, что осадки из облаков, образующихся над океаном, выпадают также преимущественно в океан, а не на сушу. Поэтому океаническая ледяная корка могла быстро утолщаться как под действием сползающих ледников, так и при постоянных снегопадах.

Здесь оговоримся, что мы можем сопоставить массив факторов, вероятно, способных спровоцировать полное или частичное глобальное оледенение, но первопричины его не знаем. Парниковый эффект в древней атмосфере Земли мог обеспечиваться не только и не столько углекислым газом, сколько метаном. Парниковый эффект метана в 30 раз выше, чем у углекислого газа, а в бескислородной атмосфере этот газ мог оставаться в достаточно стабильной концентрации (не сгорать). Выведение метана из атмосферы, в том числе, в результате реакции с кислородом, образующимся в ходе фотосинтеза, могло сильно остудить планету, несмотря на некоторый рост концентрации углекислого газа.

Другим фактором, который просто «подставляется» в ситуацию в качестве триггера – это разовое прохождение Земли через межзвездное облако крупной космической пыли. Смешиваясь с сажей и вулканическим пеплом, такие частицы могли бы повысить альбедо не столько самой Земли (где продолжалась вулканическая осень), сколько верхних слоев ее атмосферы – значительная часть лучистой энергии, получаемой от Солнца, рассеивалась бы на высоте, не достигая поверхности. Такие облака обычно образуются на месте взрывов сверхновых, поэтому в них велика концентрация тяжелых элементов и заряженных частиц. Само такое облако очень велико, и на его полное прохождение через Солнечную систему могло уйти порядка 500 000 лет, что и объясняет хотя бы одну итерацию «снежка», а также быстрое и кардинальное перемагничивание Земли. Но эта теория слаба, поскольку в случае её верности на Земле наблюдались бы следы аномально молодого урана-235 и других тяжелых элементов внеземного происхождения.

Ещё одна альтернативная теория заключается в том, что наклон земной оси, сейчас составляющий 23,44°, мог резко увеличиться из-за столкновения с крупным астероидом, а затем постепенно выравниваться. В таком случае все земные широты стали бы по нынешним меркам «полярными», значительная часть солнечного света «проходила бы по касательной», не согревая планету. Гидрологические циклы также были бы полностью нарушены. Впрочем, такое импактное событие также пока не подтверждается (не найден достаточно крупный и древний кратер).

Таким образом, в рамках этого поста продолжим считать, что «Снежок» образовался в результате совокупного воздействия атмосферных и литосферных факторов (горообразования и возрастания альбедо) и обсудим, как такие события могли повлиять на развитие жизни, а также попробуем их экстраполировать.

Подледный рефугиум

Френсис Крик, автор книги «Жизнь как она есть» («Life itself») не упоминает гипотезу Земли-Снежка, рассуждая о зарождении жизни на Земле. Но он предполагает, что одноклеточная жизнь, должно быть, штука очень простая, и «маленький теплый пруд Дарвина» должен легко давать ей начало на вполне жизнепригодной каменной планете. А вот очевидных причин для развития многоклеточности Крик не видит, тем более он не берется объяснять, по каким причинам эволюция должна свернуть на столь сложный путь, как развитие органов и тканей. Крик предполагает, что толчком к многоклеточности могла бы стать экологическая катастрофа или катаклизм. Тем интереснее, что в ноябре 2021 года в университете Чикаго вышла статья, связывающая феномен многоклеточности с гипотезой Земли-Снежка. Действительно, до возникновения эдиакарской биоты на Земле уже существовала не только разнообразная бактериальная и архейная жизнь, но и крупные колонии одноклеточных, например, бактериальные маты и строматолиты. Все это — прокариотические формы жизни, а многоклеточность присуща эукариотам и, как правило, связывается с переходом на аэробное дыхание, позволившее организмам эффективнее запасать и расходовать энергию и, следовательно, усложняться. Но именно в условиях Земли-Снежка прокариоты могли столкнуться с двумя принципиальными вызовами: холодная вода ограничивала скорость обмена веществ в клетке, а также подвижность как самих клеток, так и их ресничек, и жгутиков. Кроме того, должна была постепенно возрасти вязкость и соленость воды (водных растворов): под толстой ледяной коркой в океане и на литорали сохранялось высокое давление, поэтому вода могла оставаться в жидком состоянии при температурах ниже нуля. Как этот фактор, так и насыщение воды карбонатами могли спровоцировать сразу три большие экологические перемены:

1. Вымирание многих таксонов одноклеточных организмов, освобождение экологических ниш.

2. Переход к хищничеству и паразитизму, в результате чего добыча могла превращаться в паразитов, затем в органеллы и, наконец, в мелкие клетки внутри ранее одноклеточного организма.

3. Осложнение обмена веществ как с физической точки зрения (приходилось фильтровать густую холодную жидкость), так и с химической (состав рассолов стал разнообразным и непривычным).

Сравнительно крупное многоклеточное существо наподобие губок не только справилось бы с этими проблемами успешнее, чем одноклеточные, но и имело бы стимул к росту, а также к специализации тканей. Кроме того, именно многоклеточность является предпосылкой к возникновению одиночных полипов и целых колоний такой фауны. Специализация тканей могла стать следующим большим эволюционным скачком.

Может ли ситуация Земли-Снежка повториться?

Ответить на этот вопрос попыталась в 2011 году группа ученых из Пекинского университета, для чего была построена специальная компьютерная модель. Учитывая вышеизложенное, повторю, что переход к состоянию Земли-Снежка предполагает некоторую точку невозврата, после которой становится практически необратимым, и при потенциальном переходе к такому сценарию ключевые роли отводятся трем факторам: снижению инсоляции, увеличению альбедо планеты и снижению содержания парниковых газов в атмосфере. Фактор инсоляции сегодня не столь существенен, как миллиард лет назад, поскольку Солнце постепенно разгорается, и сейчас греет значительно сильнее, чем тогда. Тем не менее, переход возможен, если интенсивность солнечного излучения снизится на 10-10,5 % от современного уровня, либо при 6-9 % снижении инсоляции и уменьшении содержания углекислого газа в атмосфере до 286 частей на миллион (современное значение – около 400 частей на миллион, но некоторые измерения, например, в районе Гавайских островов в конце апреля 2022 года дают цифру выше 420 частей на миллион). Значительно более вариабельным фактором в этой модели является увеличение альбедо, происходящее за счет роста площадей, которые потенциально могут покрываться снегом или ледниками. В случае, если содержание углекислого газа уменьшится до 286 частей на миллион, а инсоляция — всего на 1%, то температура на планете снизится примерно на 3,2 градуса, а площадь ледников возрастет на 6-11%. Это уже достаточно опасные показатели, которые могут привести к «мягкому» варианту Земли-Снежка и сильному росту вечных льдов на полярных шапках и в горах, с дальнейшим усугублением ситуации. Поскольку мы пока совершенно не в силах контролировать инсоляцию, нам остается лишь внимательно контролировать состав атмосферы. В рамках борьбы с глобальным потеплением необходимо купировать накачку атмосферы метаном, для чего было бы неплохо сократить разработки сланцевого газа, но внимательно следить за тем, чтобы концентрация углекислого газа в атмосфере не уходила далеко от современных вполне комфортных значений.