Начать придётся издалека. А криогений, – это очень далеко от катархея. Конец протерозоя. Три с половиной миллиарда лет разницы. Но началось, наплевав на причинно-следственные связи, всё именно с криогения. Я написал о сильнейшем в истории Земли глобальном оледенении, во времена которого температура упала, сравнительно с современной, на 35 градусов, и обнаружил в комментариях массу интересного и неожиданного.
Кому-то показалось, что остывание Земли, – один из факторов, обусловивших оледенения в протерозое, – и изменения климата связаны вот-так прямо – в лоб. Кому-то, что температура планеты падает, начиная с ядра, монотонно. И опять-таки прямо связана с температурой на поверхности… Следовательно, механизмы надо разъяснить.
...Катархей – первый эон геологической истории Земли, начавшийся сразу после образования планеты в последнем – особо эпичном – слиянии с телом размером с Марс. И кажется излишним подчёркивать, что планета в тот момент была весьма горяча. Но – это, если без подробностей. С подробностями же… температура ядра, например, в тот момент была даже меньше. Оно даже не было полностью расплавлено.
Источником первичного нагрева формирующейся планеты является ударное тепло. То самое, которое выделяется при падении тел на её поверхность. Неважно, причём, каких тел. Это может быть планетоид, пылинка или молекула. Все они, разгоняясь в гравитационном поле, приобретут скорость равную второй космической. Разве что, пылинка «поверхность» понимает иначе, и передаст свою кинетическую энергию молекулам газа в атмосфере, – да и то, если атмосфера уже есть.
Далее – интересно. Из-за разницы в массе, ускорении свободного падения и второй космической скорости, Луна на тонну добавленного вещества получит в 30 раз меньше тепла. Ударное тепло выделяется на поверхности, и если представить растущую Землю, как совокупность сферических слоёв, с возрастанием радиуса слоя выделившаяся на нём энергия будет расти экспоненциально. От нуля. Первые две пылинки, соединившиеся, чтобы дать начало планете, просто соприкоснулись и схватились вакуумной сваркой. Измеримого притяжения друг к другу они не испытывали.
Следовательно, в момент завершения формирования максимальной температурой Земля обладала у поверхности. Какой? Ну, это известно точно: 2950 по Цельсию. Температура кипения кремнезёма. Сильнее вещество уже не нагреть, так как энергия уносится покидающими поверхность молекулами. Но и такая температура наблюдалась лишь местами, – в трещинах и кратерах. Отдавая тепло излучением и испарением магма быстро «замерзала», образуя первичную кору – чёрную и тонкую.
С ростом же глубины температура падала. Однако, эффект был смазан процессами разогрева уже внутреннего. В массе планеты выделялось радиогенное тепло, связанное с распадом нестабильных изотопов, – в первую очередь радиоактивного калия-40 (время жизни 1.25 миллиардов лет) и урана. В катархее интенсивность выделения радиогенного тепла в недрах была на порядок выше, чем теперь. Так как концентрация изотопов спадает по экспоненте.
Наконец, третьим источником разогрева стали гравитационное сжатие и дифференциация недр. По мере того, как тепло распространялось от поверхности вглубь и породы плавились, более тяжёлые вещества, – в основном это было железо, – тонули в менее тяжёлых. В таком случае, погружение железа означало подъём на такую же высоту того же объёма кремнезёма, но в силу более высокой плотности железа, опускающаяся масса оказывалась выше. То есть, потенциальная энергия вещества Земли в её же гравитационном поле убывала, переходя в тепло.
...И ещё одним источником нагрева, – ныне основным, – является сжатие Земли. То что жар недр планеты рождается именно данным эффектом плохо заходит в умы, – многим, не только адептам секты «расширяющейся Земли», – ещё со времён «Природоведения» (V, кажется, класс, советской школы). Хотя, казалось бы, что здесь? При сжатии вещество нагревается. Давление же в недрах Земли огромно, так что плотность железа во внутреннем ядре достигает 14 г/см3. Оно утрамбовано почти вдвое.
Тем не менее, здесь действительно присутствует аспект трудный для интуитивного понимания. По мере остывания и сжатия Земли, её недра становятся всё горячее. Но это же очевидно. Так работает гравитационный коллапс. Сжатие ведёт к росту плотности тела, а значит, давления в его центре. Следовательно, требуется большая температура, чтобы уравновесить давление силой теплового расширения.
Теперь к вопросу, какое всё это имеет отношение к недоумению, выраженному в комментариях. Молодую Землю отличали тонкая кора и очень протяжённая и горячая – на грани кипения – верхняя жидкая мантия, под которой скрывалось условно «холодное», ещё слабо дифференцированное ядро. Понятно, что жар аккумулировавшей ударное тепло мантии распространялся как вверх, – с изливающейся лавой, выходящими газами, просто с тепловым излучением коры, – так и вниз. Чем была обусловлена очень высокая (более 200 градусов по Цельсию 4.4-4.3 миллиарда лет назад) температура атмосферы… «Климатом» же принято считать именно температуру атмосферы у поверхности. Прямо с температурой недр (каких именно недр? на какой глубине?) климат не связан.
В дальнейшем, – в архее, в протерозое, – поступление тепла в атмосферу именно из недр планеты постоянно падало. Непосредственно контактирующая с корой мантия истончалась и остывала. Ядро и нижняя мантия, напротив, разогревались, – но и что с того, если они далеко от поверхности? Соответственно, всё большую роль начинал играть нагрев атмосферы отражённым и поглощённым в ней солнечным светом. Климат, – в архее такая связь ещё не прослеживалась, – стал зависеть от светимости Солнца и парникового эффекта. Светимость росла, парниковый же эффект падал.
...Марс получил, сравнительно с Землёй, вчетверо меньше ударного тепла на единицу массы. Что привело к быстрому остыванию… Но катастрофу это вызвало косвенно, – лишь постольку, поскольку прекратилось выделение вулканических газов, подпитывавших атмосферу. Как и на Земле, радиогенное и гравитационное тепло продолжают выделяться в его недрах, – но давление-то там меньше. Соответственно, меньше выделяется тепла при сжатии вещества, и тепла этого не хватает, чтобы мантия оставалась жидкой.
Земля обязана сохраняющейся тектоникой относительно высокой массе и, – в некой мере, – наличию массивного спутника. Но, – это важно подчеркнуть, – последние 2.5 миллиарда лет – с начала протерозоя, – климат зависит от жара недр лишь косвенно. Оценить прямой вклад в нагрев атмосферы излучения поверхности, обусловленного выходом тепла из недр, достаточно сложно, однако, ныне более чем о +3 градусах речь не идёт. А это на уровне погрешности измерения среднегодовых температур за последние геологические периоды.
Недра согревают планету косвенно, путём пополнения запасов углекислоты, но и колебания концентрации углекислого газа в атмосфере – с пермского периода, как минимум, – связаны уже исключительно с биогенными процессами.
