Екологія
Екологія

Коли Земля була сніжкою. Яку роль відіграв сніг у геологічній історії планети?

Перший сніг — це, як відомо, гарний привід зробити пост на Фейсбук, щоб усі були в курсі, яка надворі погода. А коли наша планета побачила свій перший снігопад взагалі? Яку роль відіграв сніг у геологічній історії Землі? І чи не стануть засніжені краєвиди спогадом з минулого через глобальне потепління? Розбираємося разом з nauka.ua.

З першим снігом!

Наша планета значно змінювала свій зовнішній вигляд впродовж геологічних епох: рухалися літосферні плити, вибухали вулкани, з’являлися нові гори, континенти формувалися та знову розпадалися. Так само змінювався і клімат. Взагалі, кліматична система Землі, і зокрема, її глобальна температура, значно залежать від концентрацій кисню та вуглецю в атмосфері. Коли вуглецю стає багато, температура підвищується, коли більшає кисню — стає холодніше. Ці елементи можуть вивільнюватися чи поглинатися внаслідок біологічних, геологічних та інших процесів. Таким чином, більшість систем Землі так чи інакше пов’язані одна з одною, і зміна в одній призводить до змін в іншій.

Уся геологічна історія нашої планети ділиться на чотири великих періоди, що називаються еонами: гадей (4,6 – 4 мільярдів років тому), архей (4 – 2,5 мільярди років тому), протерозой (2,5 – 0,54 мільярдів років тому) та фанерозой, що продовжується і дотепер.

Геохронологічна шкала у вигляді спіралі. United States Geological Survey / Wikimedia Commons

Геохронологічна шкала у вигляді спіралі. United States Geological Survey / Wikimedia Commons

Про найперший з еонів нам відомо замало, адже з тих часів не збереглося шарів гірських порід. Архей характеризується наявністю перших живих організмів — прокаріотів, або без'ядерних. А на початку протерозоя відбувалася подія, що значно змінила склад атмосфери. Вона отримала назву Киснева катастрофа. За відносно короткий час кількість основних парникових газів, метану та діоксиду вуглецю, різко зменшилася, а молекулярний кисень почав накопичуватися в атмосфері. Вважається, що це відбулося завдяки біологічним процесам: ціанобактерії почали виробляти оксиген, і уся біосфера Землі внаслідок цього перебудувалася. Організми або підлаштувалися під ці зміни, або вимерли, а газова оболонка Землі вже ніколи не поверталася до попереднього стану. Зрештою, такі умови призвели до появи складних аеробних організмів: тварин та рослин, що потребують кисень для підтримки життєдіяльності. Крім того, Киснева катастрофа зробила можливими глобальні зледеніння, але про це трохи пізніше.

Ціанобактерії вважаються винуватцями Кисневої катастрофи. CSIRO / Wikimedia Commons

Ціанобактерії вважаються винуватцями Кисневої катастрофи. CSIRO / Wikimedia Commons

То коли ж на Землі вперше випав сніг? Підвищення концентрації кисню в атмосфері траплялися і до Кисневої катастрофи. Геологічні записи свідчать про значні геофізичні та геохімічні зміни на межі архею та протерозою. Свій вклад у перебудову атмосфери внесло і збільшення поверхні суші на планеті. Так, дослідники проаналізували ізотопний склад сланців з усіх континентів віком від 3,7 мільярдів років. Це дозволило встановити, що 2,5 мільярди років тому загальна кількість поверхні Землі, піднятої над океаном, вже становила близько двох третин від сучасної. Далі зміни відбувалися ланцюгово, одна за одною. Альбедо, тобто відбивна здатність Землі, збільшилася, а до океанів потрапила велика кількість поживних речовин для організмів. Материки зазнали більшого вивітрювання, концентрація вуглекислого газу в повітрі знизилася. Усі разом ці зміни сприяли охолодженню планети. Саме тоді, приблизно 2,5 мільярди років, над Землею пішов перший снігопад, вважають дослідники.

Земля в архейському еоні та на після Кисневої катастрофи. Ilya Bindeman

Земля в архейському еоні та на після Кисневої катастрофи. Ilya Bindeman

Крім того, вчені роблять ще один висновок, який не збігається із загальноприйнятим визначенням. Насичена киснем атмосфера постала в основному через літосферні процеси, тобто живі організми не викликали такі зміни, а радше пристосувалися до них. Хай там як, але кисень призвів і до більш глобальних та незвичайних умов — Земля повністю вкрилася льодом на мільйони років.

Гра в сніжки

Навколо гіпотези «Земля-сніжка» не вщухають дискусії науковців. Назва говорить сама за себе: існує припущення, що наша планета від полюсів до екватора була затягнута кригою. Тобто, тоді Земля буквально перетворилася на «сніжку»: і моря, і континенти були вкриті товстим шаром льоду, у низьких широтах над цими засніженими ландшафтами проносилися штормові вітри. Навіть на екваторі середня температура становила близько мінус 20 градусів Цельсія. Причому в такому стані планета опинялася щонайменше двічі під час періодів надзвичайного охолодження. Вони сталися на часовому проміжку між 2,4 мільярдами та 580 мільйонами років тому, і перший з цих періодів називається гуронським зледенінням.

NASA

NASA

Ця найдавніша серія зледенінь тривала близько 200 мільйонів років та була пов’язана у першу чергу з підвищенням рівня атмосферного кисню. Слід враховувати ще й астрофізичний факт: тоді світність Сонця була значно нижчою за сучасний рівень, і щоб компенсувати цей ефект, був необхідний ефективний парниковий газ. Впродовж архею цю роль виконував метан, але близько 2,4 мільярдів років тому його концентрації значно знизилися, і основним парниковим газом став вуглекислий газ, що і призвело до таких глобальних та масштабних змін.

Докази цієї гіпотези слід шукати у старих гірських породах. Навіть ті з них, які тоді, в минулому, знаходилися біля екватора, містять сліди льодовиків. Палеопротерозойські льодовикові відкладення знаходили в Північній Америці, Західній Австралії, Південній Африці, Фінляндії тощо. Поклади, які лишають льодовики, дуже характерні, їх важко з чимось сплутати. Серед них, зокрема, виділяють дропстоуни — дещо скруглені уламки породи, часто великих розмірів. Ці камені переміщувалися із льодовиковим шельфом з суші в океан, а потім вертикально випадали та опинялися у відкладеннях на дні морів. Вони виглядають так, наче опинилися не на своєму місці, занурені у розшаровану породу.

Породи, що містять сліди льодовиків та їхнього танення. Andrey Bekker

Породи, що містять сліди льодовиків та їхнього танення. Andrey Bekker

Так само, завдяки породам, дослідники змогли відстежити і закінчення глобального зледеніння. Наприклад, у пустелі Калахарі є шар марганцевої руди завтовшки 45 метрів, вік якого збігається з кінцем періоду «Землі-сніжки». Вважається, що такі відкладення утворилися завдяки швидким та масовим таненням льоду.

Після того, як скресла крига гуронського зледеніння, розпочався період, який називався «нудним мільярдом» (Boring Billion). Довгий час на Землі не відбувалося жодних глобальних та екстремальних подій: тектоніка плит лишалася стабільною, клімат врівноваженим, а біологічна еволюція спокійно продовжувалася. Аж ось приблизно 720 мільйонів років тому наступив кріогеній, а з ним і наступна низка зледенінь, у тому числі й глобальних. Цьому сприяв, зокрема, розпад суперконтиненту Родінія. Останній процес призвів до великої кількості континентальних опадів та вивітрювання гірських порід, які вбирали вуглекислий газ. А його зменшення в атмосфері неминуче призводить до похолодання клімату.

Гіпотеза «Землі-сніжки» ставить перед нами два важливих питання: як, власне, нашій планеті вдалося розморозитися та як життя могло пережити такі екстремальні періоди? До танення криги могли призвести вулкани, що виділили величезну кількість вуглекислого газу, який посилив парниковий ефект. А спасінням для живих організмів під час періодів зледеніння могли стати теплі геотермальні джерела, або ж ті самі активні вулкани, що розтоплювали лід.

Щоправда, не всі згодні з цією теорією. Існує, зокрема, її пом’якшена версія — так звана теорія «розмоклої снігової кульки» (Slushball Earth). Згідно з нею, окрім масивних крижаних покривів на континентах, інші частини планети (особливо океанічні райони поблизу екватора) могли бути вкритими лише тонким водянистим шаром льоду.

У цьому сценарії вуглекислий газ починав накопичуватися дуже швидко, зледеніння було недовгим, а лід сходив поступово.

Зима (не) близько

Сучасна Земля вже точно не нагадує сніжку, і її клімат переживає скоріше протилежні тенденції. Детально про антропогенні зміни клімату ми писали у матеріалі «Глобальне потепління — не міф?» Зараз варто згадати основні висновки: кліматична система Землі нагрівається, це відбувається через підвищений рівень вуглекислого газу в атмосфері, який збільшується у порівнянні з доіндустріальним періодом через діяльність людини. В основному — через використання викопного палива. То чи стануть снігопади спогадом з минулого через глобальне потепління? Насправді, не все так просто.

Eric Konon / flickr

Eric Konon / flickr

Сучасне глобальне потепління, спричинене людиною, не означає, що на всій планеті будуть тропіки. Кожен з регіонів реагуватиме на зміни клімату по-різному: десь очікуються посухи, десь, навпаки, повені. Погода загалом стане екстремальнішою: наприклад, урагани триватимуть довше та приноситимуть більше спустошень. Те саме стосується і опадів, у тому числі й снігу.

Моделювання показує, що в більшості регіонів середньорічна кількість снігу зменшиться із потеплінням, але у регіонах з дуже низькими температурами поверхні, навпаки, збільшиться. Так відбуватиметься, тому що тепле повітря утримує більше вологи, і ця додаткова волога може випадати у вигляді снігу, коли температури падає нижче нуля. Щодо екстремальних снігопадів, то їхня інтенсивність впаде, але не набагато. Наприклад, для регіонів, у яких взимку температури опускаються трохи нижче точки замерзання води, а висота поверхні становить нижче 1000 метрів, шанси на екстремальний снігопад до кінця 21 століття впадуть лише на 8%, тоді як у середньому снігопади у цьому ж регіоні зменшаться на 65%.

Потепління клімату також може спричинити більш ранні танення снігу та коротший сезон снігового покриву. Наприклад, тепле повітря на Алясці сприяє тому, що з кожною новою весною сніг тане тут раніше, а безсніжний літній сезон подовжується. Теплі періоди взимку також можуть спричинити дощі замість снігопаду чи призвести до танення навіть у холодну пору року. Але, знову ж таки, усе залежить від регіону.

На Україну в цьому контексті також чекають зміни. Так, згідно із даними Центральної геофізичної обсерваторії імені Бориса Срезневського, у минулому році метеорологічна зима до Києва так і не прийшла. Хай там як, а чекати снігу на зимові свята ми навряд чи перестанемо.