Про те, як Земля перетворилася на снігову кулю 700 мільйонів років тому

У геологічному минулому вкрай низькі викиди вулканічних парникових газів та силікатне вивітрювання на континентах спровокували глобальний льодовиковий період на нашій планеті, тривалістю близько 57 мільйонів років.

У великому науковому дослідженні 2023 року, австралійські геологи використовували моделювання тектоніки літосферних плит, щоб визначити причини, що спровокували глобальне зледеніння Землі, яке відбулося понад 700 мільйонів років тому, - Стертське зледеніння (гіпотеза «Землі – сніжка», «Snowball Earth»). Дослідження, опубліковане в журналі Geology, допомагає нам зрозуміти функціонування вбудованого в Землю термостата, який запобігає планету від надмірного перегріву. Виявлені результати також показують, наскільки чутливим є глобальний клімат до коливань концентрації вуглецю в атмосфері.

«Уявіть, що Земля майже повністю замерзла», - говорить провідний автор дослідження, доктор Адріана Дуткевич. «Саме це сталося в період Кріогенію, близько 717 мільйонів років тому; планета була вкрита товстим шаром льоду від полюсів до екватора (рис. 1), а середня температура на поверхні знизилася до -45 °С (в наш час середня температура становить близько +15 °С). Однак, що саме спричинило таке масштабне заледеніння, довгий час залишалося відкритим і дискусійним питанням». «Тепер ми думаємо, що нарешті розгадали загадку: історично низька вулканічна діяльність в ті часи постачала вкрай мало вуглекислого газу та метану в атмосферу. Натомість відбувалося масштабне вивітрювання гірських порід на території нинішньої Канади – хімічний процес, який поглинає атмосферний вуглекислий газ». Земля вийшла з льодовикової епохи лише приблизно 660 млн років тому. Доктор Дуткевич пояснила: «Раніше були запропоновані різні гіпотези, які пояснюють початок і закінчення цього екстремального льодовикового періоду, але найзагадковіший аспект полягає у тому, чому він тривав цілих 57 мільйонів років – період часу, який нам, людям, важко собі уявити».

Команда дослідників відтворила детальну модель тектоніки плит тієї епохи, яка показує еволюцію континентів та океанічних басейнів після розпаду стародавнього суперконтиненту «Родінія» приблизно 750 млн. років тому (рис. 2). Потім тектонічна модель була об'єднана з моделлю, яка розраховує дегазацію CO₂ із підводних вулканів уздовж серединно-океанічних хребтів – місць, де плити розходяться та народжується нова океанічна кора. Стало ясно, що початок Стертського зледеніння точно корелює з рекордно низьким рівнем вулканічних викидів парникових газів. «У той час на Землі ще не було багатоклітинних тварин чи наземних рослин. Концентрація парникових газів в атмосфері майже повністю визначалася геологічною активністю та вулканічною діяльністю, а також процесами вивітрювання силікатних порід, внаслідок яких поглинається СО₂ із атмосфери», - уточнила Дуткевич.

Співавтор дослідження професор Дітмар Мюллер із Сіднейського університету пояснив: «У той час кліматом керувала геологія. Ми думаємо, що льодовиковий період почався через збіг двох чинників: тектонічна реорганізація плит і зменшення зон субдукції (місця на в земній корі, де одна літосферна плита занурюється під іншу) звела до мінімуму вулканічну дегазацію, в той час як континентальна вулканічна провінція в Канаді почала інтенсивно руйнуватися, поглинаючи атмосферний CO₂ в результаті вивітрювання.

Процес силікатного вивітрювання є хімічною реакцією, в ході якої силікатні породи (до складу яких входить кремній) при взаємодії з атмосферним повітрям поступово руйнуються, поглинаючи вуглекислий газ. Подібні реакції поступово переводять вуглець у літосферу, формуючи осадові породи (найчастіше карбонати, вапняки). Внаслідок цього ефекту вміст CO₂ в атмосфері впав до рівня, при якому починається заледеніння – який, за сучасними оцінками, був нижчий за 200 ppm, що становить менше половини від сьогоднішнього рівня.

Коли Земля охолоджується (через природні кліматичні флуктуації та зміни в сонячній радіації), швидкість хімічних реакцій падає, і цей тип вивітрювання сповільнюється. В результаті, з атмосфери витягується менша кількість вуглекислого газу. Підвищення концентрації діоксиду вуглецю призводить до зворотного ефекту Земля розігрівається. Цей від’ємний зворотний зв'язок обмежує інтенсивність похолодання. За часів Кріогенію більша частина суходолу розташовувалася в тропічному поясі (поблизу екватора), що робило цей процес стримування менш ефективним, оскільки висока швидкість вивітрювання зберігалася на суші навіть під час охолодження Землі. Це дозволило льодовикам просунутися далеко від полярних регіонів. Коли вони дійшли досить близько до екватора, додатній зворотний зв'язок через збільшення відбиття (альбедо) призвів до подальшого похолодання, поки Земля повністю не зледеніла. В результаті, глобальна температура впала настільки, що на екваторі було так само холодно, як у сучасній Антарктиді. Ця низька температура підтримувалася самим льодовим покривом, високе альбедо якого призводило до того, що більшість сонячного випромінювання, що надходила на земну поверхню, відбивалася назад у космос. Цей ефект посилювався невеликою кількістю хмар, внаслідок зменшення концентрації водяної пари в атмосфері.

Вихід із заледеніння стався завдяки активізації вулканізму та наповнення атмосфери парниковими газами, а також внаслідок зниження планетарного альбедо за рахунок поступового танення льодовиків. Додатковими факторами, можливо, були флуктуації параметрів земної орбіти.

Підготував Ігор Кібальчич, кандидат географічних наук, метеоролог.