Изображение предоставлено: Стэнфорд
Если бы машина времени вернула нас на 4,6 миллиарда лет назад к рождению Земли, мы бы увидели, что наше солнце светит на 20-25 процентов менее ярко, чем сегодня. Без земной теплицы, которая удерживала бы энергию солнца и согревала атмосферу, наш мир был бы вращающимся ледяным шаром. Жизнь, возможно, никогда не развивалась.
Но жизнь развивалась, поэтому парниковые газы, должно быть, были вокруг, чтобы согреть Землю. Данные из геологической записи указывают на изобилие углекислого газа парниковых газов. Возможно, присутствовал и метан, но этот парниковый газ не оставляет достаточного геологического следа, чтобы его можно было с уверенностью обнаружить. Молекулярного кислорода не было вокруг, указывают на камни той эпохи, которые содержат карбонат железа вместо оксида железа. Каменные отпечатки протекающих ручьев, жидких океанов и минералов, образовавшихся в результате испарения, подтверждают, что 3 миллиарда лет назад Земля была достаточно теплой для жидкой воды.
Теперь геологические данные, обнаруженные в некоторых из самых старых камней Земли, рассказывают удивительную историю о разрушении этой теплицы и ее последующей регенерации. Но еще более удивительным является то, что, по словам ученых из Стэнфорда, которые сообщают об этих находках в выпуске журнала «Геология» от 25 мая, та важная роль, которую сыграли камни в эволюции ранней атмосферы.
«Это действительно первый случай, когда мы пытались составить картину того, как ранняя атмосфера, ранний климат и ранняя континентальная эволюция шли рука об руку», - сказал Дональд Р. Лоу, профессор геологических и экологических наук, написавший работа с Майклом М. Тисом, аспирантом, занимающимся изучением молодости. Программа экзобиологии НАСА финансировала их работу. «В геологическом прошлом климат и атмосфера действительно находились под сильным влиянием развития континентов».
Запись в скалах
Чтобы собрать воедино геологические подсказки о том, какой была ранняя атмосфера и как она развивалась, Лоу, полевой геолог, проводил практически каждое лето с 1977 года в Южной Африке или Западной Австралии, собирая камни, которые буквально старше холмов. Некоторым из древнейших камней Земли, им около 3,2 до 3,5 миллиардов лет.
«Как правило, чем дальше, тем сложнее найти верную запись, скалы, которые не были изогнуты, сжаты, метаморфизированы и иным образом изменены», - говорит Лоу. «Мы оглядываемся назад настолько далеко, насколько идет осадочная запись».
После измерения и картирования горных пород Лоу возвращает образцы в Стэнфорд, чтобы разрезать их на такие разрезы, которые можно обнаружить под микроскопом. Сотрудники участвуют в геохимическом и изотопном анализе и компьютерном моделировании, которые дополнительно раскрывают историю пород.
Геологическая запись рассказывает историю, в которой континенты удаляли углекислый газ из парниковых газов из ранней атмосферы, которая, возможно, была такой же горячей, как 70 градусов по Цельсию (158 F). В это время Земля была в основном океаном. Было слишком жарко, чтобы иметь полярные ледяные шапки. Лоу выдвигает гипотезу о том, что дождь в сочетании с атмосферным углекислым газом образует углекислоту, которая выветрила выступающие горы недавно сформированной континентальной коры. Углекислота диссоциировала с образованием ионов водорода, которые проникли в структуры выветривающихся минералов, и бикарбоната, который переносился вниз по рекам и ручьям для осаждения в виде известняка и других минералов в отложениях океана.
Со временем огромные плиты океанической коры были снесены или унесены в мантию Земли. Углерод, который был заперт в этой коре, был, по существу, потерян, связан на 60 миллионов лет или около того, поэтому потребовались минералы, чтобы вернуться на поверхность или подвергнуться дегазации через вулканы.
По словам Лоу, горячая атмосфера раннего периода содержала и метан. Он полагает, что когда уровень углекислого газа упал из-за погодных условий, в какой-то момент уровень углекислого газа и метана стал примерно одинаковым. Это вызвало аэрозоль метана в мелкие частицы, создавая туман, похожий на то, что сегодня присутствует в атмосфере луны Сатурна Титана. Этот «эффект Титана» произошел на Земле от 2,7 до 2,8 миллиардов лет назад.
Эффект Титана удалял метан из атмосферы, и дымка отфильтровывала свет; оба вызвали дальнейшее охлаждение, возможно, падение температуры от 40 до 50 градусов по Цельсию. В итоге, около 3 миллиардов лет назад, теплица только что рухнула, Лоу и Тис теоретизировались, и первое оледенение Земли могло произойти 2,9 миллиарда лет назад.
Подъем после падения
Здесь скалы показывают странный поворот в истории - возможное восстановление оранжереи. Напомним, что 3 миллиарда лет назад Земля была, по сути, Водным миром. Там не было никаких растений или животных, чтобы повлиять на атмосферу. Даже водоросли еще не эволюционировали. Примитивные фотосинтетические микробы были вокруг и, возможно, сыграли роль в выработке метана и незначительном использовании углекислого газа.
Пока продолжалось быстрое континентальное выветривание, карбонат оседал на океанической коре и помещался в то, что Лоу называет «большим хранилищем…, которое удерживало большую часть углекислого газа в атмосфере».
Но поскольку углекислый газ был удален из атмосферы и включен в скалу, выветривание замедлилось - было меньше углекислоты, чтобы разрушить горы, и горы становились ниже. Но вулканы все еще выбрасывали в атмосферу большое количество углерода из переработанной океанической коры.
«Так что в конечном итоге уровень углекислого газа снова поднимается», - говорит Лоу. «Он может никогда не вернуться к своему полному славному уровню в 70 градусов по Цельсию, но он, вероятно, поднялся, чтобы снова обогреть Землю».
Этим летом Лоу и Тис соберут образцы, которые позволят им определить температуру этого временного интервала, примерно от 2,6 до 2,7 миллиардов лет назад, чтобы лучше понять, как сильно нагрелась Земля.
Новые континенты формировались и выветривались, снова выводя углекислый газ из атмосферы. Около 3 миллиардов лет назад, возможно, образовалось 10 или 15 процентов нынешней площади Земли в континентальной коре. 2,5 миллиарда лет назад образовалось огромное количество новой континентальной коры - около 50-60 процентов нынешней площади континентальной коры. Во время этого второго цикла выветривание большего количества горных пород вызвало еще большее охлаждение атмосферы, вызвав глубокое оледенение примерно от 2,3 до 2,4 миллиарда лет назад.
По словам Лоу, за последние несколько миллионов лет мы колебались назад и вперед между ледниковой и межледниковой эпохами. Сейчас мы находимся в межледниковом периоде. Это переходный период - и ученые все еще пытаются понять масштабы глобального изменения климата, вызванного людьми в недавней истории, по сравнению с тем, что вызвано естественными процессами на протяжении веков.
«Мы нарушаем систему темпами, которые значительно превышают те, которые характеризовали климатические изменения в прошлом», - сказал Лоу. «Тем не менее, практически все эксперименты, практически все изменения и все климатические изменения, которые мы пытаемся понять сегодня, происходили раньше. Природа уже провела большинство этих экспериментов. Если мы сможем проанализировать древний климат, состав атмосферы и взаимодействие между земной корой, атмосферой, жизнью и климатом в геологическом прошлом, мы сможем сделать первые шаги в понимании того, что происходит сегодня и может произойти завтра ».
Первоисточник: Стэнфордский пресс-релиз
