Почему ранняя Земля была тропически теплой, несмотря на все еще слабое в тот период Солнце? Возможно, что немецким исследователям удалось найти решение этого парадокса. В соответствии с их выводами, атмосфера первозданной Земли содержала гораздо больше углекислого газа, чем ожидалось - один лишь этот газ обеспечивал давление в один бар. Это и создавало суперпарниковый эффект, разогревавший молодую Землю. И только когда началась тектоника плит и поднялись массивы суши, эта тепловая фаза на нашей планете закончилась.
В первые дни существования нашей планеты Солнечная система была значительно холоднее, чем сегодня, потому что молодое солнце светило всего от 70 до 80 процентов своей нынешней силы. Тем не менее, Земля три-четыре миллиарда лет назад должна была быть довольно теплой, потому что, как показывают изотопные измерения, в то время почти не было ледниковых льдов. Но откуда же изначальная Земля взяла это дополнительное тепло?
Ясно одно: внутреннего тепла, оставшегося со времени образования планеты, было явно недостаточно для создания теплого тропического климата. Вместо этого систему обогрева молодой Земли вероятно обеспечил естественный парниковый эффект углекислого газа, метана или других атмосферных газов. Однако эффект этот, должно быть, был намного сильнее, чем сегодня.
Загадочные несоответствия
Это поднимает вопрос о том, какой же парниковый газ стал причиной столь сильного и раннего всплеска тепла на нашей планете. Долгое время главным действующим «лицом» считался метан, потому что он обеспечивает парниковый эффект, который более чем в 30 раз сильнее, чем CO2. Но со временем стало появляться все больше свидетельств того, что на изначальной Земле метана было гораздо меньше, чем считалось ранее - вероятно, его вряд ли было больше, чем сегодня.
Странным выглядит еще вот что: изотопные измерения морских отложений с древнейших времен предполагают также и чрезвычайно высокие температуры моря. Согласно соотношению изотопов кислорода 18O и 16O, первобытные океаны должны были быть нагретыми до 70 градусов тепла - температуры, которая вряд ли выглядит реалистичной из-за слабой солнечной радиации.
Как выглядела изначальная атмосфера?
Даниэль Хервартц из Кельнского университета и его коллеги, возможно, смогли найти решение этого парадокса. Отправную точку для их исследования дало наблюдение, что около 3,2 миллиарда лет назад на Земле была фаза, в которой в породах было связано особенно большое количество СО2. «Количество CO2, которое тогда хранилось в океанической коре австралийской пилбары, составляло около двенадцати миллионов моль на квадратный метр - это примерно в 100 раз больше, чем сегодня», - говорят исследователи.
Но для того, чтобы такое количество углекислого газа было связано горными породами, океаны и атмосфера должны были содержать соответственно большое количество СО2. Команде ученых удалось реконструировать с помощью геофизической модели, как много его могло быть и как это повлияло бы на температуру на молодой Земле.
Суперпарник из-за одного бара углекислого газа
Был получен поразительный результат. Давление газа CO2 на молодой Земле, по-видимому, было намного выше, чем предполагалось ранее. Согласно модели, оно могло быть около одного бара. То есть один лишь CO2 достиг такого же высокого давления в первичной атмосфере, как и все газы в сегодняшней атмосфере, вместе взятые. «Сегодня CO2 - это всего лишь следовой газ в земной атмосфере. По сравнению с этим целый бар давления CO2 звучит совершенно невероятно», - объясняет соавтор исследования Андреас Пак из Геттингенского университета. - «Но если мы посмотрим на нашу сестринскую планету Венера с уровнем давления CO2 около 90 бар, это уже не будет выглядеть настолько невероятным».
Как бы там ни было, это означает, что парниковый эффект молодой Земли, вероятно, был вызван в первую очередь высокими значениями CO2, а не метаном. Высокая концентрация углекислого газа создавала своего рода суперпарниковый эффект, который компенсировал относительно слабый солнечный свет. «Таким образом, наше исследование подтверждает предположение, что CO2, а не метан компенсировал более низкую интенсивность излучения слабого молодого Солнца», - пишут исследователи.
Водный мир и отсутствие тектоники плит в роли спускового крючка
Основной причиной высокого содержания CO2 было вулканическое выделение газа из магмы, которая покрывала всю Землю вплоть до образования изначальных океанов. Но когда появились моря, суша над водой почти не вырисовывалась - Земля превратилась в водную планету. И это тоже имело последствия для углеродного цикла: происходило лишь несколько процессов, которые связывали углекислый газ в горных породах или органических молекулах и, таким образом, выводили его из атмосферы.
«Это объясняет огромное содержание CO2 на молодой Земле с сегодняшней точки зрения», - говорит Торстен Нагель из Орхусского университета. - «Тектоника плит и развитие массивов суши, в которых углерод может храниться в течение долгого времени, набрали скорость лишь примерно три миллиарда лет назад». С этого времени силикатное выветривание стало происходить быстрее, превращая CO2 в известняк. Кроме того, большое количество углеродистых отложений погрузилось в земную мантию в зонах субдукции.
«Все указывает на то, что содержание CO2 в атмосфере быстро уменьшилось именно после начала тектоники плит», - говорит Херварц. Эта великая веха не только изменила облик нашей планеты, но и положила конец фазе сильного парникового эффекта на молодой Земле.
«Кислородный термометр» откалиброван неправильно
Интересно еще вот что: если на изначальной Земле в воздухе действительно было такое количество CO2, то это должно было иметь решающее влияние на химию моря, а вместе с этим и на соотношение изотопов кислорода в воде и отложениях. Но это может означать и то, что предыдущая оценка ранних температур моря была слишком высокой, потому что она была основана на тех же параметрах кислорода 18О, как это имеет место быть сегодня.
«Таким образом, высокие уровни CO2 могли бы объяснить два явления одновременно: с одной стороны, теплый климат на Земле и, с другой стороны, почему часто используемые геотермометры показывают слишком горячую морскую воду», - говорит Херварц. - «Но если принять во внимание другое кислородное соотношение морской воды, температура воды, скорее всего, будет около 40 градусов».
Исследователи не исключают, что на изначальной Земле в атмосфере все же было немного метана. Но это не объясняет, почему кислородный геотермометр показывает слишком высокие температуры. «Оба эти явления можно объяснить только большим количеством CO2, и никак иначе», - говорит Херварц.
