Летающие жирафы, мамонты-блондины, карликовые коровы... От палеонтологических реконструкций к предсказаниям будущего Земли
Шрифт:
Похоже, что так. В течение последних 550 миллионов лет доля организмов со скелетами из арагонита и высокомагнезиального кальцита в ископаемой летописи планеты не только периодически изменялась, но и неуклонно росла, в то время как тех, кто использовал скелет из низкомагнезиального кальцита, становилось меньше и меньше. Графики, отражающие это понижение, повторяют кривую содержания двуокиси углерода в атмосфере, рассчитанную по модели геохимического баланса группой палеоклиматолога Роберта Бернера из Йельского университета. Модель учитывает данные об изменениях площади суши, расчлененности рельефа, палеоширотного положения континентов, темпах роста срединно-океанических хребтов и скорости субдукции (погружения океанических плит под континентальные), интенсивности солнечного излучения, распространения разных групп сосудистых растений и распределения центров накопления карбонатов в океане. Эти расчеты подтверждаются различными методами измерения уровня двуокиси углерода в атмосфере, о которых говорилось выше (по плотности устьиц на листовых пластинках, соотношению изотопов углерода в почвах и раковинах и так далее). Палеотемпературная кривая, построенная группой геохимика Яна Вайцера из Университета Рура по данным изотопии кислорода, ведет себя сходным образом. Значит, между колебанием содержания углекислого газа в атмосфере и изменением климата Земли есть прямая связь. Она указывает не только на цикличность этого процесса, но и на то, что эта цикличность накладывается на прогрессивное снижение температуры в приповерхностных слоях атмосферы в прошедшие полмиллиарда лет.
Отчего вообще теплеет или холодает? В глобальном смысле? Физики заявляют, что с позиций высокой теоретической науки все уже давно ясно, а потому, скажем, — нынешнее глобальное потепление — это неизбежность, данная нам в ощущение. Хотелось бы, конечно, увидеть хоть одну достоверную физическую модель, которая объясняла бы раннеэдиакарский ледниковый период (640 миллионов лет назад), когда материковые льды сползали почти до самого экватора, или хотя бы позднеордовикский (444 миллиона лет назад), когда глобальное оледенение случилось по геологическим меркам в одночасье. Ряд исследователей полагают, что на ранних этапах истории Земли — в архейском эоне (3–4 миллиарда лет назад), когда нарождающаяся жизнь особенно нуждалась в тепле, но Солнце светило на 20 процентов тусклее и еще не могло ее обогреть, на Земле все равно прохладнее не было: исследование осадочных горных пород и минералов того времени показывает, что они кристаллизовались в достаточно теплых условиях. Чтобы поддерживать подобные условия, земная атмосфера должна была быть или плотнее, чем ныне, или содержать больше парниковых газов, таких, как двуокись углерода или метан.
Но из каких газов состояла древняя атмосфера? Чтобы определить плотность древней атмосферы, а следовательно, и ее состав, в середине XIX века Чарлз Лайель, один из основоположников геологической науки, предложил… измерить ископаемые отпечатки капель дождя. Такие отпечатки хорошо сохраняются в вязких и быстро твердеющих вулканических туфах. Астробиолог Санджой Сом и его коллеги из Вашингтонского университета в Сиэтле взяли за образец отпечатки дождевых капель на исландских туфах, образовавшиеся в 2010 году после извержения вулкана Эйяфьядлайёкюдль, и сравнили их с туфами из Южной Африки, возраст которых 2,7 миллиарда лет. Выяснилось, что древние капли в момент удара о землю были в среднем мельче современных. А поскольку размер капель зависит от плотности атмосферы, значит, атмосфера была в 1,5–2 раза менее плотной, чем ныне. Вряд ли она состояла из углекислого газа или азота, но могла быть насыщена сохраняющим тепло метаном. Именно под метановой атмосферой процветали метанокисляющие бактерии, оставившие многочисленные следы в изотопной и молекулярной летописи планеты. В существовании метановой атмосферы нет ничего удивительного: например, как выявила миссия «Кассини», на спутнике Сатурна Титане всего при 100°К плавают метановые облака, проливающиеся метановыми дождями, которые наполняют метановые реки и озера.
Большинство геохимиков и геологов соглашаются, что по меньшей мере с протерозойского эона (то есть 2,5 миллиарда лет назад и позднее) основным атмосферным газом, определяющим температуру на поверхности нашей планеты, был углекислый. Правда, что именно и как влияло на содержание двуокиси углерода в атмосфере (а также в гидросфере и литосфере), остается загадкой. Часто приходится читать, что хорошим поглотителем углекислого газа являются рифовые экосистемы. Действительно, в них сосредоточены огромные запасы карбоната кальция, и ежегодно добавляется по 900 миллионов тонн. Соблазнительно допустить, как многие и делают, что на образование этого минерала уходит атмосферная двуокись углерода. Однако обызвествление кораллов, губок, водорослей, простейших, что обеспечивает рост и расширение рифов, записывается формулой:
Са2+ + 2НСO3 – > СаСO3 + Н2O + CO2^.
К тому же процесс этот отнюдь не равновесный, а протекает с явным сдвигом в правую строну, в результате чего рифы подгазовывают атмосферу на 245 миллионов тонн углекислоты в год. По этому показателю среди текущих «нечеловеческих» процессов они уступают только наземным вулканам (в среднем около 300 миллионов тонн в год, что, кстати, составляет всего один процент от того, что производит в год человечество).
Идея связать содержание углекислого газа в атмосфере Земли с температурой и явлениями на поверхности родилась в 1899 году: геолог Томас Чемберлин, работавший в Чикагском университете, один из создателей теории оледенений, предположил, что этот газ расходуется на выветривание горных пород, реагируя с содержащимися в них силикатными минералами. Значит, в горообразовательные эпохи, когда в контакт с атмосферой вступают значительные объемы «свежих» силикатных минералов, нужно ожидать резкое падение уровня двуокиси углерода в атмосфере и столь же быстрое похолодание. К этой идее возвращались неоднократно: ведь действительно многим периодам похолодания и оледенения в истории Земли предшествовали вздымания обширных хребтов и плато. Но добыть более-менее обоснованные доказательства ее смогли лишь в 1990-е. К тому времени по изотопной летописи стронция (87Sr к 86Sr) научились привязывать к определенному интервалу такие события, как рост гор и интенсивность этого явления. (Чем быстрее вздымаются горы, тем большие площади свежих, еще не измененных и обогащенных 87Sr горных пород оказываются доступными для атмосферных газов и текучих вод, разрушаются под их действием, а продукты разрушения выносятся в океан.) Одновременное возвышение мощных горных систем, таких, как Альпийско-Гималайский пояс и Анды в кайнозойскую эру, особенно начиная с миоценовой эпохи (20 миллионов лет назад), совпало по времени с наступлением последней ледниковой эпохи. Причем по мере усиления горообразования возрастала и степень химического выветривания силикатных минералов. Казалось бы, загадка великих оледенений наконец решена…
Но тут же последовало «разоблачение» со стороны геохимиков Деррилла Керрика из Университета штата Пенсильвания и Кена Калдейры из Научного института имени Карнеги в Вашингтоне: ведь горообразование связано с существенным нагревом пород, ведущим к выделению в атмосферу углекислого газа. И в таких объемах, что вздымание Гималаев должно было бы привести к повышению наземной температуры на 0,5 °C, в то время как его поглощение к понижению на 0,2 °C. В итоге получаем дополнительный прирост в +0,3 °C, что никак не вяжется с глобальным похолоданием. Тем не менее Янцзы, Ганг с Брахмапутрой и Амазонка — реки, берущие свое начало именно в Тибете, Гималаях и Андах, — выносят в океан свыше 20 процентов карбонатных растворов, образовавшихся при химическом выветривании. Значит, поглощение «излишков» углекислого газа в этих регионах происходит. Но как? Как можно ускорить химическое выветривание, если площадь обнажившихся горных пород даже во время столь стремительных (в геологическом смысле) процессов, как горообразование, прирастает незначительно? Оказалось, что можно, — если на планете существует жизнь.
Пока же отметим, что климат планеты зависит от множества явлений, включая потоки галактической космической радиации; определенные стадии орбитальных циклов (задающих время потеплений и оледенений, но отнюдь не их интенсивность); положение континентов и их площадь, доступная выветриванию; характер океанических течений; особенности горообразовательных процессов и вулканизма; типы наземного растительного и облачного покрова; наличие тех или иных групп планктона, активность организмов-деструкторов; таяние метангидратов… Список можно продолжать и продолжать.
Почему бы ни включить в перечень климатических факторов растительноядных динозавров или мамонтов? Ведь их пищеварение вряд ли протекало без выделения метана, который влияет на парниковый эффект. Если принять парниковый эффект двуокиси углерода за единицу, то метан, по данным Рабочей группы I при Межправительственной группе экспертов по изменению климата за 2007 год, окажется в 21–25 раза эффективнее, то есть поступление в атмосферу миллиона тонн метана равнозначно 21–25 миллионам тонн углекислого газа. Ныне метан попадает в атмосферу как из природных источников (вулканы, таяние многолетнемерзлых пород, болота), так и благодаря деятельности человека (потери при добыче природного газа, рисовые чеки, разведение скота, мусорные свалки). Биолог Фелиса Смит из Университета Нью-Мексико и ее коллеги не исключают, что вина человечества в изменении климата имеет давнюю историю и восходит к уничтожению мамонтовой фауны, которая существенно влияла на уровень метана в атмосфере. Расчетные данные вроде бы совпадают с колебанием уровня метана в атмосфере по данным бурения на ледяном щите Гренландии (во льду в виде пузырьков газа заморожены атмосферные пробы за 110 тысяч лет истории Земли). Правда, тогда бы исчезновение мамонтов и прочих мохнатых гигантов должно было усилить похолодание, но никак не потепление. Может, наоборот, узнав о грядущем потеплении, мамонты с испугу усилили метановую эмиссию — вот и потеплело? Пусть физики посчитают…
Однако задолго до появления мамонтов Землю населяли гораздо более крупные растительноядные позвоночные — завроподы. Ныне разведение домашнего скота, основу которого составляют жвачные млекопитающие, является источником примерно 20 процентов метана, ежегодно поступающего в атмосферу. Учитывая огромную разницу в размерах между растительноядными ящерами и млекопитающими, эколог Дэвид Уилкинсон из Ливерпульского университета имени Джона Мура, климатолог Эуан Нисбет из Лондонского университета и эколог Грэм Ракстон из Университета Глазго предположили, что завроподы влияли на климат юрского и мелового периодов. В своих расчетах они исходили из данных по встречаемости костей завропод в верхнеюрской формации Моррисон, распространенной на западе США на площади 15 миллионов квадратных километров. И если скорость обмена веществ у завропод приближалась к таковой у современных пресмыкающихся, а не млекопитающих, то биомасса этих динозавров могла достигать 200 тонн на квадратный километр, или, скажем, 100 апатозавров по 20 тонн каждый. По другим оценкам, общая биомасса ящеров могла составлять от 80 до 670 тысяч килограммов на квадратный километр, то есть в 4–24 раза превышать таковую растительноядных млекопитающих на такой же площади. Кроме того, при более высокой температуре и уровне содержания углекислого газа в юрской и меловой атмосфере продуктивность растительности была оценена как повышенная, несмотря на несколько укороченный световой день (планета вращалась быстрее). И если современные нежвачные млекопитающие производят метана примерно 0,18 литра на килограмм собственной массы, получается, что один апатозавр мог бы испускать 2675 литров этого газа в день, а общий объем динозавровых «выхлопов» приближался к 520 миллионам тонн в год. Это больше, чем образуется метана благодаря деятельности человека, и почти столько же, сколько его выделяют все современные источники, вместе взятые. Впрочем, геолог Том ван Лун из Университета имени Адама Мицкевича в Познани сомневается в правильности подсчетов биомассы завропод. Действительно, эти динозавры могли весить по 20 тонн и более, а продуктивность растительности в теплом мезозойском климате превосходила современную, но скорость обмена веществ у динозавров, особенности их стадного поведения и реальные площади распространения растительности вряд ли позволяли поддерживать очень большую численность ящеров.