Ледниковые периоды в истории Земли
На протяжении большей части своей истории наша планета была жарче, а иногда и намного жарче, чем сегодня. Но наша планета также была и холоднее. Ученые, возможно, никогда не узнают, какой период в 4,5-миллиардной истории нашей планеты был самым холодным, но исследования выявили несколько претендентов на рекорд. Все эти периоды были идентифицированы как древние ледниковые периоды.
Одни из самых холодных условий на Земле наступили более 2 миллиардов лет назад, после увеличения количества атмосферного кислорода. Другое похолодание произошло между 750 и 600 миллионами лет назад. Хотя ученые спорят о том, насколько обширным был ледовый покров в то время, данные указывают на то, что лед покрывал моря в экваториальных регионах.
За последние несколько миллионов лет ледники время от времени покрывали огромные пространства Северного полушария. Хотя ледниковые периоды плейстоцена были менее суровыми, чем почти глобальные оледенения, они, возможно, принесли самые холодные условия за последние полмиллиарда лет. Около 20 000 лет назад на планету обрушились одни из самых сильных холодов.
Что говорят камни
Ледниковый период — это период более низких, чем обычно, глобальных температур и больших, чем обычно, ледников и ледяных щитов.
Ледниковые периоды не приносят безжалостного холода. Вместо этого в них присутствуют относительно теплые периоды, поэтому ледниковые периоды представляют собой смесь наступающих ледников (ледниковых периодов) и отступающих ледников (межледниковых периодов). Хотя межледниковья относительно теплые, они все же являются частью ледниковой эпохи.
Откуда ученые знают, что происходили древние ледниковые периоды? Очевидно, что не с помощью термометров. Доказательства прошлых ледниковых периодов приходят из геологии. Вскоре после того, как в начале 19 века возникла научная дисциплина, геологи стали находить подсказки, оставленные древними ледяными телами. Геологи поняли, что ледники могут оставлять гигантские царапины на скальных породах и переносить валуны в отдаленные ландшафты, часто сбрасывая эти камни в море.
Как только были обнаружены признаки оледенения эпохи плейстоцена (примерно от 2,6 млн до 11 000 лет назад), геологи научились распознавать их в более древних породах.
Объединение свидетельств оледенения со свидетельствами тектоники плит и дрейфа континентов позволило геологам идентифицировать ледниковую активность сотни миллионов лет назад, когда континенты были расположены совсем по-другому.
В общей сложности ученые выявили более десятка ледниковых периодов в геологической летописи, некоторые из них произошли за последние полмиллиарда лет. Некоторые из ледниковых периодов, наступивших еще раньше, были еще холоднее, возможно, это были худшие ледниковые периоды в истории нашей планеты.
В истории Земли было по крайней мере пять крупных ледниковых периодов (гуронский, криогенный, Андско-сахарский, поздний палеозой и последний четвертичный ледниковый период). Вне этих периодов Земля, по-видимому, была свободна ото льда даже в высоких широтах; такие периоды известны как парниковые периоды.
Повышение содержания кислорода и понижение температуры
Среди самых ранних ледниковых периодов, обнаруженных в геологической летописи, — гуронские ледниковые периоды. По крайней мере, одно событие из них представляло собой то, что геологи называют «Земля-снежок», когда поверхность планеты была полностью или почти полностью заморожена во льду.
Ледниковые периоды чередовались с неледниковыми периодами между 2,4 и 2,1 миллиарда лет назад и, вероятно, были результатом изменений в микроскопической жизни.
Палеонтологи предполагают, что когда микробная жизнь возникла на Земле более 3,5 миллиардов лет назад, микробы не производили кислород и не нуждались в нем.
Вместо этого, когда зародилась жизнь, атмосфера Земли сильно отличалась от той, что мы наблюдаем сегодня. Хотя уровни азота могли быть одинаковыми, других газов было гораздо больше или намного меньше. Концентрация углекислого газа была где-то от 10 до 2500 раз выше нынешнего уровня, а метана могло быть в 10 000 раз выше нынешнего уровня. При этом атмосферного кислорода практически не было.
Ученые спорят, когда именно впервые появились микробы, способные осуществлять фотосинтез и производить кислород в качестве побочного продукта. Оценки колеблются от 3,5 до 2,5 миллиардов лет назад. Самые ранние производители кислорода, вероятно, были предками современных цианобактерий или сине-зеленых водорослей.
Сначала кислород, вырабатываемый этими ранними фотосинтезаторами, вероятно, реагировал с железом в океане, оседая в слоях ржавых отложений на морском дне, прежде чем начал накапливаться в атмосфере. Некоторое количество кислорода прореагировало с метаном, превратив его в углекислый газ и воду. Тем временем популяции фотосинтезирующих микробов продолжали расти, потребляя все больше углекислого газа.
Углекислый газ является парниковым газом, а метан — еще более мощным парниковым газом. Когда концентрация этих парниковых газов в атмосфере упала, глобальные температуры резко пошли вниз, погрузив планету в серию ледниковых периодов. Гуронские ледниковые периоды и разделяющие их неледниковые периоды, вероятно, длились в общей сложности 300 миллионов лет. Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что эти оледенения достигли экваториальных регионов. (Сегодня лед встречается в экваториальных регионах, но только на больших высотах.)
Геологические свидетельства этих ледниковых периодов были впервые обнаружены в 1907 году в ледниковых отложениях у озера Гурон. С тех пор геологи обнаружили больше свидетельств в других местах Северной Америки, а также в Южной Африке, Западной Австралии и северо-восточной Европе.
Повышение уровня кислорода не только заморозило планету. Оно также способствовало эволюции сложной жизни, дышащей кислородом, и сформировало озоновый слой Земли, который помогает защитить жизнь от вредного ультрафиолетового излучения.
Еще один ледниковый период
Жестокий холод снова обрушился на нашу планету в период истории Земли, известный как Криогенный период. По крайней мере дважды между 750 и 600 миллионами лет назад Земля впадала в глубокую заморозку. Поскольку события криогенного периода произошли во время более длительной геологической эры, известной как неопротерозойская эра, глубокие заморозки иногда называют неопротерозойскими Землями-снежками.
Ученые продолжают спорить о причинах неопротерозойских заморозков и последующих оттепелей. Вулканы могут быть той силой, которая одновременно и подтолкнула планету к оледенению, и вытащила ее из него.
Около 750 миллионов лет назад большинство континентов располагалось вокруг экватора. В этой континентальной смеси геологи обнаружили признаки того, что они называют большой магматической провинцией . «Большой» — это мягко сказано — представьте себе вулканически активную область размером с континент. Извержения в этой провинции могли охладить планету двумя способами.
Когда вулканы выбрасывают диоксид серы, этот газ подвергается химическим реакциям в атмосфере с образованием сульфатов с высокой отражающей способностью — частиц, которые блокируют солнечный свет, как миллиарды крошечных зеркал.
Охлаждающий потенциал сульфатов особенно силен в районе экватора Земли. Точно так же, когда вулканы выбрасывают большие объемы базальта, последующее выветривание горных пород может охладить планету. Со временем дождь, ветер и химические изменения разъедают вулканические породы. Дождевые и подземные воды, просачивающиеся сквозь горные породы, могут растворять углекислый газ, удаляя его из атмосферы и, в конечном счете, улавливая его в виде карбонатных минералов, таких как известняк.
Если глобальная температура падает достаточно быстро, начинает накапливаться лед, а способность льда отражать большую часть солнечного света обратно в космос охлаждает планету еще больше.
Геологи выявили два оледенения неопротерозоя: стуртовское (около 720–660 миллионов лет назад) и маринейское (около 640–635 миллионов лет назад). Слои горных пород тех времен демонстрируют самые обширные свидетельства экстремальных оледенений, обнаруженные до сих пор в геологических летописях.
В промежутках между этими глубокими заморозками Земля, похоже, пережила не менее замечательный теплый период. Этот экстремальный климат также может быть связан с вулканической активностью.
В долгосрочной перспективе вулканические выбросы углекислого газа и истощение углекислого газа в результате выветривания горных пород могут сдерживать друг друга. Но поскольку лед покрывал большую часть планеты сотни миллионов лет назад, выветривание, вероятно, замедлилось, поскольку условия стали слишком холодными для обильных осадков. Между тем увеличение морского льда уменьшило бы доступ цианобактерий к солнечному свету на поверхности океана, уменьшив фотосинтез.
Однако вулканы продолжали выбрасывать углекислый газ. Поскольку для атмосферы оставалось мало выветривания горных пород или фотосинтетической активности, парниковый газ накапливался бы, что привело бы к постепенному повышению глобальной температуры. Как только условия станут достаточно теплыми, чтобы растопить тропический лед, рост температуры ускорится. Потеряв значительное количество светоотражающего льда, планета поглотила бы гораздо больше солнечной энергии. Последующее сильное таяние могло вызвать такое резкое и быстрое выветривание, что оно привело ко второму оледенению.
Как и гуронское, оледенения криогенного периода достигали экваториальных областей. Но насколько полным было неопротерозойское ледяное покрытие — будь то Земля- снежок или нет — остается областью активных исследований.
Андско-Сахарский ледниковый период произошел от 460 до 420 миллионов лет назад, во время позднего ордовика и силурийского периода. Эволюция наземных растений в начале девонского периода привела к долгосрочному увеличению уровня кислорода на планете и снижению уровня CO2, что привело к образованию позднепалеозойского ледника. Его прежнее название, оледенение Кару, было названо в честь ледниковых отложений, обнаруженных в регионе Кару в Южной Африке. В Южной Африке в каменноугольный и раннепермский периоды с интервалом от 360 до 260 миллионов лет назад существовали обширные ледяные шапки.
Последний ледниковый период
Наскальная летопись указывает на то, что за последние 500 миллионов лет не происходило ничего столь обширного, как гуронское и криогенное оледенения, хотя геологи обнаружили свидетельства еще нескольких ледниковых периодов.
Хотя у него есть некоторая конкуренция со стороны холодных условий, имевших место между 300 и 250 миллионами лет назад, самый значительный ледниковый период за последние полмиллиарда лет может быть самым последним.
Этот ледниковый период начался в эпоху, известную как эпоха плейстоцена, около 2,6 миллиона лет назад и продлился примерно до 11 000 лет назад.
Как и все другие, последний ледниковый период принес с собой серию наступлений и отступлений ледников. На самом деле технически мы все еще находимся в ледниковом периоде. Мы просто проживаем свою жизнь во время межледниковья.
Около 50 миллионов лет назад планета была слишком теплой для полярных ледяных шапок, но с тех пор Земля в основном остывает.
Примерно 34 миллиона лет назад начал формироваться Антарктический ледяной щит. Его появление может быть связано с отделением Южной Америки от Антарктиды и открытием пролива Дрейка.
Открытие пролива Дрейка создало Антарктическое циркумполярное течение. Обтекая ныне замерзший континент, течение, возможно, уменьшило количество океанского тепла, достигающего Антарктиды, что позволило антарктическому льду формироваться и расти.
Мы живем в ледниковом периоде? Да, в настоящее время мир все еще находится в ледниковом периоде, четвертичном оледенении. Оледенение началось 2,58 миллиона лет назад и продолжается с тех пор. Четвертичное оледенение является пятым или шестым крупным ледниковым периодом за последние 3 миллиарда лет. Однако в настоящее время Земля находится в теплом межледниковом периоде, который начался около 11 000 лет назад. Считается, что нынешний ледниковый период был самым холодным около 20 000 лет назад, когда средняя температура была на 5 градусов ниже, чем сейчас. Кроме того, уровень моря, вероятно, был примерно на 120 метров ниже, чем сейчас, из-за обширных ледяных щитов.
Другое движение суши, вероятно, погрузило планету в последний ледниковый период. Панамский перешеек, сухопутный мост между Северной и Южной Америкой, образовался около 4,5 миллионов лет назад. До своего образования Атлантический и Тихий океаны свободно обменивались тропическими водами. Прервав этот обмен и отправив теплую соленую океанскую воду на север, перешеек увеличил количество осадков в высоких широтах Северного полушария. Снег накапливался в ледниках и, в конечном итоге, в ледяных щитах. Эти массивные ледяные тела, отражающие солнечный свет, продолжили тенденцию к охлаждению планеты.
Как только Земля стала достаточно холодной, чтобы образовались ледяные щиты, они увеличивались и уменьшались в течение периода времени от 20 000 до 100 000 лет, отчасти из-за циклов Миланковича.
Эти в значительной степени предсказуемые изменения орбиты Земли включают эксцентриситет (изменения орбиты Земли вокруг Солнца), наклон (изменения наклона земной оси) и прецессию (колебание оси вращения Земли). Они влияют на климат, изменяя распределение поступающей солнечной энергии на поверхность Земли.
Последний ледниковый период достиг пика около 20 000 лет назад, когда глобальные температуры, вероятно, были примерно на 5°C ниже, чем сегодня. На пике плейстоценового ледникового периода массивные ледяные щиты простирались над Северной Америкой и Евразией.
Когда массивные ледяные щиты снова двинутся к экватору? Они могут не попасть в график, который предсказывают циклы Миланковича. Разные факторы по-разному влияют на глобальный климат, некоторые сильнее, чем другие. Когда содержание углекислого газа в атмосфере превышает 300 частей на миллион, способность газа удерживать тепло достаточно сильна, чтобы подавить другие циклы.
Содержание углекислого газа в атмосфере в настоящее время превышает 400 частей на миллион, и, поскольку углекислый газ является долгоживущим газом, по крайней мере такой высокий уровень может сохраняться в течение тысяч лет. Это не означает, что нового ледникового периода никогда не будет, но его начало может быть отложено.
Прогнозируется, что количество антропогенных парниковых газов, выбрасываемых в океаны и атмосферу Земли, предотвратит следующий ледниковый период в течение следующих 500 000 лет, который в противном случае начался бы примерно через 50 000 лет, и, вероятно, после него последуют новые ледниковые циклы.