ффект ослаб, и на Земле наступило похолодание, апогеем которого стали морозы криогения. Уникально то, что все эти материки находились на низких или средних широтах (подобное расположение с тех пор не повторялось), и их окружали относительно теплые океаны. Из-за обильных источников влаги и температур, находившихся в диапазоне от умеренных до тропических, выветривание (и связанное с ним удаление из воздуха углекислого газа) шло быстро. Это необычное скучивание континентов в низких широтах имело и другие последствия. Суша отражает солнечную энергию сильнее, чем вода, особенно при отсутствии растительности, как это было 800 миллионов лет назад. Поскольку все материки находились там, куда падает максимум солнечных лучей, то в космос отражалось больше энергии. Хотя к тому времени поток энергии от Солнца значительно усилился по сравнению с начальными этапами истории нашей планеты, он все еще был примерно на 6 процентов слабее, чем сегодня. Это способствовало понижению температуры во всем мире и подтолкнуло Землю к продолжительному холодному промежутку времени, отмеченному ледниковыми периодами, один или несколько из которых, вероятно, были самыми суровыми в истории нашей планеты.
Главным ключом для определения низкоширотного положения материков криогения, на которые разделилась Родиния, стали магнитные свойства горных пород. Когда стало ясно, что оледенение было распространено на всех континентах, некоторые геофизики отнеслись к этому скептически. Еще труднее было согласиться с данными, что как минимум часть этих ледниковых отложений образовалась на уровне моря, а не высоко в горах. Ледники в низких широтах существуют и сегодня, но только на больших высотах в горных системах вроде Анд и Гималаев. Однако в криогении ледниковые щиты соскребали обломки с континентов, текли к береговой линии и дальше и сбрасывали беспорядочные ледниковые отложения прямо на мелководье континентального шельфа. Как такое могло происходить в тропиках? Снова возникло предположение, что специалисты по палеомагнетизму всё путают, и в действительности во время ледниковых периодов материки находились в высоких широтах. Но несмотря на сотни исследований, направленных на поиск ошибок в палеомагнитных измерениях, никаких изъянов там не нашлось.
Компьютерное моделирование показывает, что ледники на материках в средних широтах вкупе с морским льдом вокруг полюсов могут отражать в космос столько солнечных лучей, что Земля перейдет в стадию бесконтрольного замерзания. Конечно, эти модели зависят от предполагаемых начальных условий — например, от концентрации парниковых газов в позднем протерозое. Мы не знаем этих величин наверняка, но их можно оценить, и полученные модели говорят, что Земля-снежок могла получиться: ледники могли быть даже в тропиках, а части океана могли замерзнуть.
Вот аргумент против такого сценария: если ледники распространились по тропикам, то солнечные лучи стали бы отражаться еще больше, и в результате планета попросту осталась бы замороженной. Как при таких условиях ей снова нагреться?
Ответ (или, по крайней мере, ответ, который соответствует данным из летописи горных пород) снова обращает наше внимание на важность парниковых газов для климата Земли. Джозеф Киршвинк, профессор геобиологии из Калифорнийского технологического института, придумавший в 1992 году термин «Земля-снежок», первоначально скептически отнесся к идее тропического оледенения во время криогения. Но когда его переубедили, ученый высказал предположение, как такой суровый ледниковый период мог завершиться. Киршвинк указал, что даже на замерзшей Земле вулканы продолжат извергать лаву, содержащую газы, в том числе и углекислый. При низких температурах и масштабном ледяном покрове выветривание окажется минимальным; поэтому большая часть углекислого газа останется в атмосфере. При частично замороженных океанах ограничивается фотосинтез, который также убирает двуокись углерода из атмосферы. В результате предложение углекислого газа значительно превысит спрос на него, и поэтому его концентрация в атмосфере в конечном итоге дойдет до такого высокого уровня, что сумеет противодействовать высокой отражательной способности Земли-снежка. На короткое время установится «суперпарниковый климат», и планета растает. Другие исследователи, принявшие теорию Киршвинка, добавляли, что такой суперпарниковый эффект может усиливаться из-за высвобождения метана при потеплении Земли. В очень холодные периоды основная часть метана, производимого бактериями, не может просочиться в атмосферу, поскольку он удерживается в твердых ледяных соединениях, именуемых газовыми гидратами. При повышении температуры метан будет бурно выделяться при разложении гидратов (хотя гидраты метана и похожи на лед, они не плавятся, а просто распадаются и выделяют газообразный метан).
Ученые активно спорят о суровости климата Земли-снежка и о том, действительно ли последующие теплые периоды можно называть суперпарниковыми интервалами. Некоторые специалисты полагают, что оледенение было не полным, и в название вместо снега включают снежуру[48]. Однако интенсивные полевые исследования последних десятилетий, особенно работы Пола Хоффмана и его коллег, показывают, что во время криогения экстремальный холод наблюдался даже в тропиках, и что за каждым холодным промежутком шел короткий интервал высоких температур. Все сохранившиеся осадочные породы того периода истории Земли рассказывают одну и ту же историю: беспорядочные слои ледниковых отложений довольно резко перекрываются мелкозернистыми известнякоподобными породами, физико-химические характеристики которых говорят о том, что они осаждались в теплых мелких морях. Возникает картина Земли с резкими колебаниями климата — от глобального оледенения до глобального парника и обратно. Когда вода связывалась льдами, уровень океана падал, а когда лед таял, он снова быстро поднимался.
Точные корреляции между всеми породами криогения, расположенными далеко друг от друга, установить трудно, поэтому мнения о количестве ледниковых периодов расходятся. Тем не менее, конец криогения в целом связывают с отметкой в 635 миллионов лет назад, когда четко установлено завершение сурового периода оледенения. Различные химические индикаторы в осадочных породах показывают, что содержание кислорода в атмосфере в то время было еще низким — менее 10 % от современного. Однако в начале кембрийского периода, наступившем менее, чем через 100 миллионов лет, эти же индикаторы фиксируют подъем уровня кислорода до показателя, близкого к современному. Они также отмечают, что даже глубины океана, которые до сих пор страдали от нехватки кислорода, теперь насытились этим газом. Точная причина этого относительно быстрого увеличения пока неизвестна, но хронология событий дает возможность предположить, что это может быть связано с климатическими изменениями в криогении и их воздействием на жизнь в океане. Возможно, резко увеличилось количество фотосинтезирующих организмов в поверхностных водах, поскольку вслед за последним циклом скачков от ледника до парника и обратно климат перешел в более ровную фазу, чему способствовали большие объемы необходимых питательных веществ, смытых в моря по мере того как выветривались скалы, истираемые ледниками. Какой бы ни была причина, одним из следствий оказался масштабный рывок в биологической эволюции, начавшийся с появления в океанах первых животных.
Животным для жизни нужен кислород, поэтому необходимым условием для их эволюции было повышение содержания кислорода в атмосфере и насыщение этим газом океанов. Самые старые известные окаменелости животных найдены на полуострове Авалон на Ньюфаундленде: им примерно 575 миллионов лет. Эти большие сложные мягкотелые организмы знаменуют начало ускоренной эволюции эукариотов после более чем миллиарда лет совсем незначительных изменений. Вполне вероятно, что повышение уровня кислорода было не единственным фактором скоростной эволюции. Эти новые существа могли наслаждаться благоприятным климатом, пришедшим на смену колебаниям криогения: по мере таяния ледников по краям континентов появлялись моря, создававшие множество новых экологических ниш для живых организмов.
Конечно же, эти животные возрастом 575 миллионов лет, оставшиеся в скалах Ньюфаундленда, появились не мгновенно. У них должны иметься предки, однако на сегодняшний день достоверных физических свидетельств об этих предках не найдено. Впрочем, имеются сообщения о химических признаках древней жизни в породах возрастом несколько более 635 миллионов лет: эти биомаркеры указывают на существование примитивных животных, похожих на губки. Недавно появилось также сообщение о губкоподобных окаменелостях в австралийских осадочных породах примерно того же возраста. Если данные подтвердятся, это будет означать, что какие-то сложные животные эволюционировали во время последнего оледенения в криогении, а, может, даже до него. Тем не менее, данные палеонтологических находок показывают, что основной всплеск эволюции произошел после отступления ледников и потепления климата.
Одна из идей, которые вытекают из нашего краткого путешествия по протерозойскому эону — от скрытого в тумане начала на границе с архейским периодом до более изученной эволюционной вспышки ближе к его концу — существование зависимостей между геологическими явлениями, которые на первый взгляд кажутся не связанными между собой. Строительство континентов, парниковые газы, климат, химия океана, биологическая эволюция — все это взаимосвязано тем или иным образом. Информация из протерозойских обнажений показывает, насколько тесно на самом деле объединены различные части Земли как системы.
Глава 8Холодные времена
Ледниковые периоды в конце протерозойского эона, несомненно, относились к самым суровым временам в истории нашей планеты. Однако эти холодные отрезки времени были так давно, что мы имеем о них только общее представление и никогда не сможем восстановить многие мелкие детали. Например, мы не знаем точную конфигурацию ледяных щитов, происходило ли регулярное увеличение и уменьшение ледников во время ледниковых периодов, какой толщины были льды, и насколько сильно повышался и понижался уровень океанов в ответ на образование и таяние льдов. Однако всё это (и многое другое) мы знаем о гораздо более позднем ледниковом периоде, который непосредственно повлиял на людей, воздействуя на наши ландшафты, наш климат и даже нашу эволюцию. Знания, накопленные об этом недавнем периоде, дали нам глубокое понимание того, как работает климатическая система Земли, и облегчили понимание тех признаков, которые оставили в геологической летописи ледниковые периоды далекого прошлого. Они также дают нам базу для понимания того, как система климата может реагировать на будущие возмущения.