Почему Земля больше никогда не замерзнет полностью: как первые наземные растения перекрасили планету и остановили глобальные ледниковые периоды

Около 650 миллионов лет назад наша планета находилась в состоянии полного оледенения. Ледники покрывали не только полярные регионы, но и доходили до экватора. В геофизике этот период называют эпохой «Земли-снежка». Подобные катастрофы происходили в истории планеты несколько раз, но около 600 миллионов лет назад они внезапно прекратились. С тех пор, несмотря на значительные колебания температур и движение материков, Земля больше никогда не замерзала полностью.

Долгое время причины этого изменения оставались предметом дискуссий. Группа итальянских исследователей из Национального института астрофизики (INAF) совместно с коллегами из других научных центров провела математическое моделирование климатических процессов того периода. Их работа показывает, что ключевым фактором, стабилизировавшим климат планеты, стало появление первых наземных растений. Заселив сушу, они изменили ее физические свойства и прекратили эпоху глобальных ледниковых периодов.

Физика планетарного замерзания

Климат любой каменистой планеты зависит от баланса между энергией, которую она получает от своей звезды, и энергией, которую она излучает обратно в космос. Этот баланс регулируется двумя основными факторами: парниковым эффектом в атмосфере и отражательной способностью поверхности — альбедо.

Альбедо измеряется в диапазоне от 0 до 1. Значение 0 означает, что поверхность полностью поглощает падающий свет, а значение 1 — что она полностью его отражает. Чем выше альбедо планеты, тем меньше солнечной энергии преобразуется в тепло и тем ниже температура у поверхности.

Около 700 миллионов лет назад на Земле сложились условия, которые привели к резкому падению температуры:

1. Пониженная светимость Солнца. В то время Солнце светило примерно на 5% слабее, чем сейчас. Соответственно, планета получала меньше тепла.
2. Особое положение материков. В тот период на Земле существовал суперконтинент Родиния. Движение литосферных плит привело к тому, что практически вся суша оказалась сосредоточена в районе экватора.
3. Отсутствие растительности. На суше еще не существовало сложной органической жизни. Поверхность материков состояла из голых горных пород, преимущественно гранита.

Экваториальное положение суши запустило процесс, который геофизики называют силикатным выветриванием. Дождевая вода, содержащая растворенный углекислый газ из атмосферы, вступала в химическую реакцию с гранитными породами. В результате этих реакций углерод связывался в минералы, которые затем вымывались реками в океан и оседали на дне в виде карбонатных отложений.

Поскольку суша находилась на экваторе, где всегда тепло и идут дожди, этот процесс шел очень быстро. Атмосфера стремительно теряла углекислый газ — главный парниковый газ планеты. В результате парниковый эффект ослаб, и температура на Земле начала падать.

Механизм обратной связи

Падение температуры запустило процесс, который в климатологии называют положительной обратной связью между льдом и альбедо.

Когда температура снижается, площадь ледников на полюсах начинает расти. Лед и снег обладают очень высокой отражательной способностью — их альбедо достигает 0,7-0,8. Они отражают большую часть солнечного света обратно в космос, из-за чего планета остывает еще сильнее. Это приводит к образованию нового льда, который отражает еще больше света.

Математические модели показывают, что в этом процессе существует критическая точка. Если ледники опускаются ниже 30 градусов широты (примерно на уровень современной Северной Африки), процесс становится необратимым. Планета начинает отражать так много энергии, что замерзает полностью, вплоть до экватора. Именно это и произошло во время эпохи «Земли-снежка».

Из этого состояния Землю выводили только вулканы. В течение миллионов лет они продолжали выбрасывать в атмосферу углекислый газ. Поскольку океаны были покрыты льдом, испарение воды прекратилось, дожди не шли, и углекислый газ больше не вымывался из атмосферы. Со временем его концентрация достигала критического уровня, парниковый эффект усиливался, и ледники таяли.

Как растения изменили отражательную способность суши

После завершения последнего глобального оледенения около 635 миллионов лет назад жизнь сделала важный шаг: растения начали заселять сушу. Сначала это были простые мхи и лишайники, а затем — сосудистые растения и первые леса.

С точки зрения физики, появление растений кардинально изменило свойства поверхности континентов. Голый гранит имеет альбедо около 0,35. Это означает, что если на него падает 100 единиц солнечного света, 35 единиц отражаются обратно в космос, а 65 единиц превращаются в тепло.

Среднее альбедо лесного покрова составляет всего 0,15. Леса поглощают 85% падающего на них солнечного света. Поверхность планеты стала темнее, а значит, начала поглощать гораздо больше тепла.

Этот процесс также работает по принципу обратной связи, известному как механизм Чарни. Темная растительность поглощает солнечные лучи и нагревает воздух над собой. Нагретый воздух поднимается вверх, создавая области низкого давления. Это усиливает приток влажного воздуха с океанов, увеличивает количество осадков и стимулирует дальнейший рост растений. В глобальном масштабе потемнение континентов привело к тому, что планета стала удерживать гораздо больше солнечной энергии.

Результаты численного моделирования

Чтобы оценить, насколько сильно появление растений повлияло на климатическую стабильность, авторы исследования использовали модель pRT-ESTM (модель поверхностной температуры землеподобных планет). Это компьютерная программа, которая рассчитывает распределение тепла на планете в зависимости от сезона, широты, облачности, состава атмосферы и типа поверхности.

Ученые провели серию компьютерных экспериментов, моделируя климат планеты при различных параметрах:

• Светимость Солнца: современная и пониженная на 5% (как в неопротерозое).
• Положение континентов: современное и экваториальное (как во времена суперконтинента Родиния).
• Концентрация углекислого газа: от минимальных 100 ppm до максимальных 10 000 ppm (частей на миллион).
• Состояние поверхности суши: от голого гранита (альбедо 0,35) до густой растительности (альбедо 0,10-0,15).

Результаты расчетов показали, что при слабом Солнце (95% от современного) экваториальное положение безжизненных гранитных материков неизбежно приводит к оледенению. Даже при высокой концентрации углекислого газа в 1000 ppm планета замерзала полностью. Силикатное выветривание и высокое альбедо гранита преодолевали парниковый эффект.

Однако когда ученые заменили голый гранит на растительный покров с альбедо 0,15, ситуация изменилась. Поглощения тепла темными лесами оказалось достаточно, чтобы удержать планету от замерзания. В этом случае полное оледенение могло начаться только при падении уровня углекислого газа ниже 360-400 ppm. Растительность создала физический барьер для лавинообразного оледенения.

При современной светимости Солнца замерзание планеты оказалось практически невозможным. Модель показывает, что даже при полном отсутствии растений для этого потребовалось бы снизить концентрацию углекислого газа до экстремальных 100 ppm, что маловероятно при текущем уровне вулканической активности.

Биосфера как активный участник климатических процессов

Исследование итальянских ученых демонстрирует важный принцип: живые организмы, кроме того что приспосабливаются к условиям на планете, еще и активно формируют ее климат. Появление наземной растительности перестроило физические процессы на Земле. Изменение цвета суши с серого на темно-зеленый позволило планете удерживать больше тепла и разорвало порочный круг, приводивший к глобальным оледенениям.

Эти данные имеют значение не только для понимания истории Земли, но и для поиска жизни на других планетах. При анализе экзопланет астрономы оценивают их пригодность для жизни по расстоянию от звезды. Работа ученых показывает, что планеты, на которых развилась наземная растительность, могут оставаться теплыми и пригодными для жизни даже на более далеких орбитах, где безжизненные каменные миры давно бы превратились в ледяные пустыни.

Источник:International Journal of Astrobiology