Глобальное оледенение в неопротерозое могло быть вызвано падением астероида

Геологические данные свидетельствуют о том, что в самом конце протерозоя Земля на протяжении нескольких десятков миллионов лет была полностью покрыта льдом. Этот этап истории нашей планеты известен как «Земля-снежок». Как возникли подобные условия, до конца не ясно. Обычно в качестве наиболее вероятных причин называют изменение альбедо Земли и нарушение углеродного цикла, то есть смещение баланса вулканических выбросов углекислого газа и его связывания в процессе выветривания горных пород. Результаты моделирования, проведенного группой ученых из США и Австрии, показывают, что еще одним фактором, способным спровоцировать глобальное оледенение, могло быть импактное событие — падение астероида, сопоставимого по размеру с тем, который привел 66 миллионов лет назад к гибели динозавров.

«Земля-снежок» — это геоисторическая гипотеза, которая предполагает, что в криогении — втором геохронологическом периоде неопротерозойской эры, который начался 720, а закончился 635 млн лет назад, поверхность Земли полностью была покрыта льдами, а океаническая или поверхностная вода не попадала в атмосферу. Гипотеза была предложена для объяснения нахождения переработанных ледниковых отложений (тиллитов — см. tillite) этого возраста на всех континентах, включая те их части, которые находились в тропических широтах (см. новость «Великое стратиграфическое несогласие» возникло из-за ледниковой эрозии в неопротерозое, «Элементы», 27.02.2019 и статью С. Ястребова Кислородная революция и Земля-снежок).

Идея глобального оледенения возникла после того, как в 1964 году британский геолог Брайан Харланд опубликовал статью в которой представил палеомагнитные данные, показывающие, что Шпицберген и Гренландия в неопротерозое находились в тропических широтах, а ледниковые отложения здесь непосредственно залегают поверх пород, обычно формирующихся в жарком климате (W. Harland. 1964. Critical evidence for a great infra-Cambrian glaciation). Отсюда Харланд сделал вывод о том, что оледенение (которое тогда называли Варяжским) наступило очень быстро и имело глобальный характер.

Термин «Земля-снежок» (Snowball Earth) первым предложил в 1992 году профессор Калифорнийского технологического института Джозеф Киршвинк (Joseph Kirschvink). В короткой статье Late Proterozoic Low-Latitude Global Glaciation: the Snowball Earth, опубликованной в сборнике, посвященном биологии протерозоя, Киршвинк предположил, что глобальное оледенение в криогении стало следствием самоподдерживающегося процесса роста ледникового покрова, открытого в 1960-е годы советским климатологом Михаилом Будыко.

Будыко разработал климатическую модель глобального энергетического баланса, согласно которой, если ледяные щиты продвигаются достаточно далеко за пределы полярных регионов, возникает петля положительной обратной связи, при которой повышенная отражательная способность (альбедо) льда приводит к дальнейшему охлаждению и образованию все большего количества льда. И так до тех пор, пока лед не покроет всю поверхность планеты. Вклад Киршвинка заключался в том, что он описал возможный путь выхода Земли из состояния «снежка» в результате накопления в атмосфере вулканических газов, приводящего к ультрапарниковому эффекту.

В настоящее время большинство ученых придерживаются точки зрения, согласно которой для начала глобального оледенения должны были совпасть сразу несколько условий. Прежде всего, это скопление практически всех континентов в экваториальной зоне, где солнечная радиация максимальная, а значит и эффект обратной связи от увеличения альбедо наиболее сильный. В неопротерозое вся суша как раз была собрана в первый известный суперконтинент Родиния, располагавшийся вдоль экватора.

Еще одно важное условие запуска механизма обратной связи — изначально низкий уровень парниковых газов (прежде всего углекислого газа) в атмосфере. Здесь многое зависит от баланса двух мощнейших геологических процессов — вулканизма, при котором выделяется СО₂, и химического выветривания, при котором углекислый газ взаимодействует с горными породами и осаждается, входя в состав карбонатов. Свою роль могли также сыграть изменение параметров земной орбиты или извержение супервулкана, выбросившего в атмосферу гигантское количество пепла и аэрозолей, которые служат экраном, отражающим солнечные лучи.

Недавно ученые из США и Австрии во главе с Алексеем Федоровым из Йельского университета предположили, что еще одним триггером для начала глобального оледенения, мог стать удар астероида или крупного метеорита. Авторы построили модель импактного события, связанного с падением космического тела размером с Чикшулубский метеорит (который спровоцировал вымирание динозавров 66 млн лет назад). Результаты показали, что при изначально холодном климате, который был в неопротерозое, такое событие могло привести к глобальному оледенению. Статья опубликована в журнале Science Advances.

Чикшулуб был выбран в качестве прототипа для моделирования, потому что параметры этого импактного события хорошо изучены. Геологические данные указывают на то, что после его воздействия, на рубеже мела и палеогена, климат на Земле стал холоднее, а площадь ледниковых покровов выросла (см. новость Падение Чикшулубского астероида на полтора года погрузило Землю во тьму, «Элементы», 10.11.2023).

Существует мнение, что и последнее глобальное похолодание, произошедшее примерно 12 800 лет назад (см. поздний дриас), также было спровоцировано падением космического тела (см. новость В Чили нашли аргументы в пользу импактной версии похолодания в позднем дриасе, «Элементы», 26.03.2019).

Климатические условия начала криогения определены весьма условно. По разным оценкам, 720 млн лет назад средняя температура на планете составляла от 3,9 до 17,2°C, содержание СО₂ в атмосфере — 750–1500 ppm, а морской лед покрывал 5,7–27,1% поверхности. Для сравнения авторы взяли еще три климатических сценария: доиндустриального периода (до середины XIX века), последнего ледникового максимума (26,5–19 тыс. лет назад), когда температуры были на 4?6,5°C ниже, чем в настоящее время, и конца мелового периода, непосредственно перед падением Чикшулубского метеорита (рис. 2).

Также учитывали то, что солнечная радиация в неопротерозое была примерно на 6% ниже, чем сейчас, а во время удара в атмосферу было выброшено около 200 Гт SO₂ (в среднем такую оценку приводят для Чикшулубского события, см. K. Pope et al., 1997. Energy, volatile production, and climatic effects of the Chicxulub Cretaceous/Tertiary impact).

Рис. 2. Параметры моделирования для пяти климатических сценариев: PI — доиндустриальный период; LGM — последний ледниковый максимум; 4?CO₂ — конец мелового периода; 720 Ma (1500 ppm) — 720 млн лет назад при уровне CO₂ в атмосфере 1500 ppm; 720 Ma (750 ppm) — 720 млн лет назад при уровне CO₂ в атмосфере 750 ppm. Обозначения столбцов: содержание CO₂ в атмосфере (в ppm); солнечная радиация (в % от современной); средняя температура земной поверхности до импактного события (в °C); процент земной поверхности, покрытой морскими льдами до импактного события; вероятность реализации сценария «Земля-снежок» после удара с выбросом 200 Гт SO₂. Таблица из обсуждаемой статьи в Science Advances

Авторы отмечают, что в зависимости от размера ударного тела и состава пород в месте падения, при импакте могло выделиться как больше, так и меньше SO₂. Они провели моделирование для всех пяти климатических сценариев при трех значениях этого параметра (6,6, 200 и 2000 Гт) и выяснили, что в первом случае влияние на глобальную климатическую систему будет незначительным, а в последнем — эффект, несмотря на десятикратное увеличение выброса, практически не отличается от принятого для базовой модели значения 200 Гт (рис. 3).

Рис. 3. Изменение площади морского льда (по вертикали) в зависимости от количества выбросов SO₂ в атмосферу (6,6, 200 или 2000 Гт). По горизонтали — время в годах после импактного события. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science Advances

Результаты показывают, что падение космического тела масштаба Чикшулубского метеорита вполне могло спровоцировать глобальное оледенение в неопротерозое при условии, что климат на Земле на тот момент уже был достаточно холодным, а содержание CO₂ в атмосфере — невысоким.

А вот если бы такого размера метеорит упал 26,5–19 тыс. лет назад, во время последнего ледникового максимума эффект «Земли-снежка» был бы практически неизбежным! Реакция климата, как следует из модели, была бы практически молниеносной: в течение 6–8 лет поверхность планеты покрылась бы сплошным ледяным покровом и стала непригодной для жизни (рис. 4). Так что можно считать большой удачей, что Чикшулубский метеорит упал в один из самых теплых периодов в истории Земли. Иначе последствия для всего живого были бы намного серьезнее.

Рис. 4. Процент поверхности океана, покрытый льдами через 0, 2, 4, 6 и 8 лет после импактного события. Вертикальные колонки соответствуют четырем климатическим сценариям: PI — доиндустриальный период; LGM — последний ледниковый максимум; 4?CO₂ — конец мелового периода; 720 Ma (750 ppm) — 720 млн лет назад при содержании CO₂ в атмосфере 750 ppm. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science Advances

Отдельное моделирование, учитывающее мощность ледового покрова, показало, что через десять с лишним лет при сценарии 720 Ma (750 ppm) толщина льдов в экваториальной части планеты могла достигать 10 и более метров (рис. 5).

Рис. 5. Толщина морского льда при сценарии 720 Ma (750 ppm) через 0, 2, 4, 6, 8, 10, 12 и 14 лет после импактного события. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science Advances

Вероятностные модели предполагают, что Земля испытывает удары астероидов диаметром более 5 км примерно раз в 50 млн лет. Каждый из них, считают авторы, мог оставить след в климатической истории. Возможно, именно с такими импактными событиями связаны эпизоды глобальных похолоданий, имевших место как минимум трижды в течение фанерозоя (от 538,8 млн лет назад до настоящего времени): в позднем ордовике (448–440,5 млн лет назад), на рубеже перми и карбона (335–295 млн лет назад) и в плейстоцене (от 2,6 млн до 10,7 тыс. лет назад).

Прямых геологических доказательств того, что Земля в неопротерозое столкнулась с крупным астероидом, не существует. Сам кратер с тех пор вряд ли сохранился бы, так как тектонические и эрозионные процессы способны за 720 млн лет уничтожить любые формы рельефа.

Однако в 2017 году американский астрофизик из Университета Джорджа Мейсона Сяолей Чжан (Xiaolei Zhang) выдвинула предположение, что плато Колорадо на юго-западе США — это сильно денудированный (разрушенный) кратер диаметром около 640 км, образовавшийся в неопротерозое при столкновении Земли с астероидом либо в результате касательного удара, полученного от пролетающего межзвездного объекта типа планеты-странника (рис. 6; X. Zhang, 2017. On a Possible Giant Impact Origin for the Colorado Plateau).

Рис. 6. Плато Колорадо (показано пунктиром) на физической карте Северной Америки. Карта с сайта ru.wikipedia.org

По мнению Чжан, в это время Солнечная система проходила через один из спиральных рукавов нашей Галактики, и такое столкновение было вполне вероятным. Чжан считает, что ударное событие такой силы могло вызвать активные тектонические движения в литосфере, которые в конечном итоге привели к распаду суперконтинента Родиния.

Среди геологов гипотеза Чжан не находит особой поддержки. Тем не менее о ней периодически вспоминают, особенно когда речь заходит об истории формирования плато Колорадо.

Источник: Minmin Fu, Dorian S. Abbot, Christian Koeberl, Alexey Fedorov. Impact-induced initiation of Snowball Earth: A model study // Science Advances. 2024. DOI: 10.1126/sciadv.adk5489.

Владислав Стрекопытов