Это вторая из пяти частей серии, написанной экспертами, представленной в новой Смитсоновской выставке «Зал окаменелостей - Deep Time», открывающейся 8 июня в Национальном музее естественной истории. Полную серию можно найти, посетив наш специальный доклад Deep Time
Сотни миллионов лет назад массивные ледяные шапки покрывали континенты Земли от побережья до побережья. Лишь вершины гор планеты стояли над льдом, когда ледники простирались и прокладывали себе путь через скальную породу, медленно блуждая к заснеженным равнинам. Там, где ледники встречались с океанами, огромные глыбы льда и камней отрывались от ледников и падали в море. Жизнь, в основном водоросли, цианобактерии и другие бактерии, каким-то образом сохранялась в небольших свободных ото льда очагах океанской воды. Как ледяная планета в далекой солнечной системе, Земля в течение ее формирующих лет, юношеская фаза, известная как Земля «Снежка», была местом, совершенно отличным от сегодняшней, в основном голубой планеты.
Драматические изменения в климате Земли издавна очаровывали геологов. Ученые-геологи изучают периоды, когда Земля в корне отличалась от современной, чтобы узнать о скорости и времени изменения климата. Мистика планеты, почти полностью покрытой льдом, столь неузнаваемой для нас сегодня, очевидна. Непрекращающаяся двусмысленность знания только части истории Земли - истории, чернила которой со временем все больше исчезают по мере того, как исходные геологические слои перерабатываются для образования новых, - создает постоянный цикл новых открытий, поскольку свидетельства многократно переплетаются.
В основе разгадки тайны истории нашей планеты лежит вопрос: как работает Земля? Ископаемые записи указывают на двунаправленное взаимодействие между жизнью и системами Земли. Эти взаимодействия регулируются углеродным циклом, тонкой машиной планетарного масштаба, которая определяет климат Земли. В конечном счете, понять, как работает углеродный цикл Земли, значит оценить влияние человека, которое в настоящее время на него влияет: несмотря на неоднозначность прошлого, наша нынешняя траектория уникальна.
В последний раз Земля со снежным комом случалась 640 миллионов лет назад, во время периода, известного как Криоген. В то время сложная жизнь еще не развивалась, поэтому трудно понять, какая часть жизни погибла под негостеприимным льдом. Примерно через десять миллионов лет лед начал отступать, снабжая океаны богатыми питательными веществами для жизни. Этот постледниковый океанский буфет совпадает с первым ископаемым свидетельством наличия губок, и, таким образом, он мог способствовать появлению первых животных. Основываясь на нескольких оставшихся слоях древнего морского дна, ученые считают, что планета была почти полностью замерзшей, не один раз, а несколько раз в первые годы.
Напротив, другие периоды в истории Земли были чрезвычайно теплыми. Пятьдесят два миллиона лет назад, во время эоцена, пышные мега-леса болотного кипариса и рассветного красного дерева заняли то, что сейчас является Полярным кругом, и первые животные, которых мы узнали в качестве млекопитающих, появились в летописи окаменелостей. Такие периоды, как эоцен, часто называют «тепличной» землей, поскольку известно, что они совпадают с высоким уровнем углекислого газа в атмосфере.
Подобно тому, как Златовласка ищет кашу с нужной температурой, климат Земли неоднократно пробовал из крайностей.
Хотя идея переключения между покрытыми льдом или зараженными болотами планетами может показаться сложной, такие значительные изменения климата произошли на протяжении десятков миллионов лет, что дало жизнь достаточно эволюционного времени для разработки новых стратегий для достижения успеха. Эти медленные переходы от оранжереи к ледяному климату являются результатом незначительных изменений в геологическом углеродном круговороте Земли.
На протяжении всей истории Земли вулканы постоянно выпускали углерод, хранящийся глубоко в недрах Земли в ответ на смещение тектонических плит. Углекислый газ (CO2) из целого ряда изверженных вулканов попадает в атмосферу, где растворяется в дождевой воде и возвращается на Землю. По мере того, как дождевая вода просачивается через почву, она растворяет камни и накапливает кальций по пути. Затем речные системы доставляют кальций и CO2 в океан, и когда карбонат кальция или известняк выпадает в осадок, часто благодаря кальцинирующимся организмам, таким как кораллы и моллюски, CO2 окончательно блокируется.
В некоторых отношениях углеродный цикл напоминает отопление дома с помощью сломанного термостата: когда печь выделяет слишком много тепла или CO2, окна могут быть открыты для охлаждения дома. Для углеродного цикла увеличение активности вулканов нагревает планету, что компенсируется увеличением выветривания горных пород в почвах, перемещением большего количества кальция и CO2 в океаны с образованием известняка и созданием отрицательной обратной связи, которая поддерживает постоянный уровень CO2 в атмосфере. и, соответственно, температура планеты, в проверке. Этот перетягивание каната между печью или глобальными выбросами CO2 и окнами, или выветривание камней в значительной степени определяет состояние климата Земли. Легко видеть вулканы как гнусных действующих лиц в этом климатическом перетягивании каната; однако вялое и безразличное выветривание скал в почвах может быть столь же злодейским.
Пар и другие газы, такие как углекислый газ, просачиваются из земли возле вулкана в Исландии. Несмотря на то, что растения поглощают углекислый газ, в течение миллионов лет большая часть этого углерода возвращается в атмосферу, так что вулканы на протяжении всей истории Земли являлись чистым источником углекислого газа в атмосфере. (Кейт Махер) Чудесным образом, почва планеты в основном достаточно умела открывать и закрывать окна, если им уделено достаточно времени. В среднем время жизни молекулы углерода в системе океан-атмосфера составляет около 300 000 лет, и, таким образом, в масштабе времени в миллион лет Земля в основном сбалансирована открытыми окнами.
Тем не менее, климатические катастрофы происходили много раз в истории Земли, часто совпадая с большими массовыми вымираниями. Раскрыть виновника этих катастрофических событий сложно. Иногда избыточные вулканические выбросы подозрительно совпадают с серьезными потрясениями в углеродном цикле.
В конце Пермского периода, 251 миллион лет назад, сибирские ловушки прорвались на угольные пласты современной Сибири, высвободив столько углерода, что глобальное потепление и подкисление океана, несомненно, сыграли свою роль в самом большом из исчезновений на море. В конце массового вымирания в Перми 90 процентов морских видов вымерли, а затем медленно, в течение миллионов лет, восстановился баланс углерода и восстановилась жизнь. Жизнь выглядела иначе, чем раньше, с первым появлением ихтиозавров и склерактиновых кораллов.
Смитсоновская выставка «Зал Ископаемых - Глубокое время» открывается 8 июня 2019 года. (Smithsonian.com) Соблазнительно рассматривать историю Земли как одну из катастрофических потрясений, сопровождаемых созданием новых и все более сложных форм жизни. Это правда, но, возможно, более чудесная история о том, как двум, казалось бы, разрозненным акторам, испускающим CO2 вулканы и континууму почва-река-океан, возвращающему CO2 внутрь Земли, удалось сохранить климат Земли, пригодный для обитания в течение миллиардов лет. Оценки по ископаемым почвам и растениям, а также морским отложениям показывают, что, по крайней мере, в течение последних 600 миллионов лет атмосферные уровни CO2 в основном были в пять раз выше, чем доиндустриальные уровни.
Для сравнения, наиболее пессимистичный сценарий, предложенный Межправительственной группой экспертов по изменению климата (МГЭИК), предполагает, что к 2100 году атмосферные уровни CO2 могут приблизиться к 3, 5-5-кратному доиндустриальному значению, а уровни не наблюдались со времени массового вымирания в конце Перми. Чтобы представить это в перспективе, люди теперь выделяют СО2 со скоростью, примерно в 68 раз превышающей скорость его возвращения в твердую Землю через океаны. В настоящее время не существует известного способа увеличить перенос углерода почвами и реками более чем на несколько процентов, так что для удаления избыточного CO2 из системы океан-атмосфера потребуются сотни тысяч лет. Кроме того, из-за изменений в землепользовании и роста численности населения мы медленно замыкаем цепи почв, рек и экосистем, которые совместно работают над переносом CO2 из атмосферы в океаны и, в конечном итоге, в известняк.
Через призму истории Земли легко взглянуть на обширные голубые океаны, пышные зеленые леса, тонкие пустыни и заснеженные вершины и сделать вывод, что Земля позаботится о себе. Реальность такова, что Земля никогда не видела геологического агента, столь же быстрого и безжалостного, как люди. Хотя сейчас Земля выглядит совсем иначе, чем в прошлом, уроки истории Земли по-прежнему применимы: мы поднимаем тепло гораздо быстрее, чем Земля может открыть окна.
