Ученые ошибались в оценках климата Земли более чем в два раза

Ученые из США провели детальное моделирование климата и солености морской воды на древней Земле. Согласно полученным результатам, колебания температуры на нашей планете были примерно вдвое меньше, чем считалось ранее, а состав океана — сравнительно близок к современному. Это значит, что условия на планете были благоприятны для развития жизни, и, вероятно, это типичная ситуация для землеподобных планет в зоне обитаемости. Соответствующая статья опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences.

В последние десятилетия вопрос о климате древней Земли остро обсуждается исследователями по всему миру. Дело в том, что все имеющиеся о нем на сегодняшний день данные очень трудно состыковать между собой. С одной стороны, 3?4 миллиарда лет назад Солнце было на 20 процентов менее ярким, чем сейчас (яркость всех желтых карликов со временем растет). В теории планета должна была покрыться льдами, а средняя температура на ней упасть до -25 градусов по Цельсию. С другой стороны, около 3,8 миллиарда лет назад она подверглась так называемой Поздней тяжелой бомбардировке — на Землю падало множество тел диаметром в десятки и даже сотни километров. Между тем взрыв даже одного десятикилометрового астероида выделяет ту же энергию, что взрыв 100 миллионов мегатонн (100 миллиардов тонн) тротила, и массовые падения таких объектов должны были временно разогреть планету до средних температур в 85 градусов по Цельсию.

И сценарий замерзшей, и сценарий чрезмерно горячей молодой Земли, а особенно комбинированный сценарий, при котором оледенение сменялось немыслимой жарой, плохо сочетаются с недавно установленными фактами, согласно которым жизнь на нашей планете появилась уже 4 миллиарда лет назад и как минимум 3,6 миллиарда лет назад же научилась фотосинтезу. Выжить при таких скачках температур сложно, а устойчиво осуществлять фотосинтез при -25 или +85 известные нам организмы не могут.

Авторы новой работы использовали моделирование, чтобы понять, как будет земной климат реагировать на резкие колебания, связанные с уменьшением солнечного излучения, или, напротив, резким нагревом планеты. При этом они в деталях учли так называемый углеродный цикл — процесс, стабилизирующий климат на Земле. Когда на нашей планете становится слишком жарко, горные породы активно связывают углекислый газ, главный парниковый газ атмосферы. Со временем это приводит к снижению способности атмосферы удерживать тепло, и она охлаждается. При чрезмерном охлаждении Земли горные породы покрываются льдом и перестают связывать углекислый газ. Тогда как он продолжает прибывать с извержениями вулканов и со временем разогревает планету, выводя ее из состояния полного оледенения.

Как удалось установить разработчикам модели, весь период от 4 до 2,5 миллиарда лет назад средняя температура на Земле в долгосрочной перспективе не понижалась менее нуля градусов и не превышала 50 градусов (сейчас, для сравнения, средняя температура — в районе 15 градусов). Иными словами, если ранее считалось, что она колебалась в диапазоне 110 градусов (от -25 до +85), то теперь диапазон колебаний ограничен 50 градусами (от 0 до +50). Кроме того, модель показала, что океан на древней Земле не был ни чересчур щелочным, ни чересчур кислым и по pH был сравнительно близок к нейтральным значениям.

Такой диапазон температур и умеренные показатели pH для Мирового океана означают, что Земля была благоприятным местом для бактерий весь этот период. Это хорошо стыкуется с данными палеонтологов о возникновении жизни и первых фотосинтезирующих организмах. В основной части указанного диапазона температур цианобактерии вполне могут осуществлять фотосинтез.

Как отмечают авторы работы, попутно их модель показывает, что вообще все землеподобные по химическому составу и размерам планеты должны иметь не менее устойчивый климат. Оказалось, что почти никакое реалистичное изменение внешних условий для планеты на орбите с равной земной инсоляцией не приводит к ее замерзанию или чрезмерному перегреву. Это значит, что экзопланет с относительно стабильным климатом должно быть довольно много, что, в свою очередь, повышает шансы на возникновение и развитие жизни за пределами Земли.