Роберт Хейзен - История Земли. От звездной пыли – к живой планете. Первые 4 500 000 000 лет
В отличие от этого извержения вулканов не имеют ограничений в масштабе. На самом деле геологические данные неопровержимо свидетельствуют об извержениях, в сотни раз более мощных, чем вулканические катастрофы, сохраненные исторической памятью человечества. Такие гигантские вулканы могли на годы затмевать небо и на многие миллионы (не на тысячи!) квадратных километров изменять облик земной поверхности. Гигантское извержение вулкана Таупо на Северном острове, Новая Зеландия, произошло 26 500 лет назад; было извергнуто более 830 км3 магматической лавы и пепла. Вулкан Тоба на Суматре взорвался 74 000 лет назад и изверг более 2800 км3 лавы. Последствия аналогичной катастрофы в современном мире трудно представить.
И все же эти супервулканы, породившие величайшие катаклизмы в истории Земли, меркнут по сравнению с гигантскими потоками базальта (ученые называют их «траппы»), обусловившими массовые вымирания. В отличие от одноразовых извержений супервулканов потоки базальта охватывают огромный временной период – тысячи лет беспрерывной вулканической активности. Мощнейшие из таких катаклизмов, как правило, совпадающих с периодами массового вымирания, распространяли сотни тысяч миллионов кубических километров лавы. Самая крупная катастрофа произошла в Сибири 251 млн лет назад во время великого массового вымирания и сопровождалась растеканием базальта на площади более миллиона квадратных километров. Гибель динозавров 65 млн лет назад, которая часто приписывается столкновению с крупным астероидом, совпала по времени с гигантским разливом базальтовой лавы в Индии, породившим крупнейшую магматическую провинцию Деканские Траппы, общая площадь которых составляет около 517 000 км2, а объем выросших гор достигает 500 000 км3.
Эти громадные территории не могли образоваться в результате простого преобразования коры и верхней части мантии. Современные модели базальтовых формаций отражают представление о древнейшей эпохе вертикальной тектоники, когда гигантские пузыри магмы медленно поднимались от границ раскаленной сердцевины мантии, раскалывая земную кору и выплескиваясь на холодную поверхность. Такие явления в наше время случаются крайне редко. Согласно одной из теорий, между потоками базальтов временной интервал составляет примерно 30 млн лет, так что вряд ли мы доживем до следующего.
Наше технологическое общество, безусловно, получит своевременное предупреждение о возможности такого события. Сейсмологи способны отследить поток горячей, расплавленной магмы, восходящей к поверхности. В нашем распоряжении могут быть сотни лет, чтобы подготовиться к такому стихийному бедствию. Но если человечество попадет в очередной всплеск вулканизма, мы мало что сможем противопоставить этому жесточайшему из земных испытаний.
Фактор льда: следующие 50 тыс. лет
В обозримом будущем самым существенным фактором, определяющим облик земных континентов, является лед. В течение нескольких сотен тысяч лет глубина океана в сильной степени зависит от общеземного объема замерзшей воды, включая ледяные шапки гор, ледники и континентальные ледовые щиты. Уравнение несложное: чем больше объем замерзшей воды на суше, тем ниже уровень воды в океане.
Прошлое – это ключ к прогнозированию будущего, но откуда нам знать глубину древних океанов? Результаты наблюдения с помощью спутников за уровнем воды в океанах, хотя они и невероятно точные, ограничены последними двумя десятилетиями. Измерения уровня моря уровнемерами, хотя менее точные и подверженные местным отклонениям, собраны за последние полтора столетия. Геологи, исследующие побережья, могут прибегнуть к картированию признаков расположения береговой линии в древности – например, приподнятых береговых террас, которые можно обнаружить по отложениям прибрежно-морских осадков, насчитывающих десятки тысяч лет, – такие приподнятые участки могут отражать периоды повышения уровня воды. Относительное положение ископаемых кораллов, которые обычно растут в зоне прогреваемого солнцем мелководного океанского шельфа, могли бы продлить нашу запись событий былого вглубь веков, но эта запись будет искажена, так как такие геологические образования эпизодически вздымаются, погружаются и наклоняются.
Многие специалисты стали обращать внимание на менее очевидный показатель уровня моря – на изменения соотношений изотопов кислорода в мелких раковинах морских моллюсков. Такие соотношения могут рассказать гораздо больше, чем расстояние между каким-либо небесным телом и Солнцем (см. главу 2). Благодаря своему свойству реагировать на смену температур изотопы кислорода дают ключ к расшифровке объемов ледяного покрова Земли в прошлом и соответственно – к изменению уровня воды в древнем океане.
Однако связь между количеством льда и изотопами кислорода – дело мудреное. Считается, что самым распространенным изотопом кислорода, составляющим 99,8 % кислорода воздуха, которым мы дышим, является легкий кислород-16 (с восемью протонами и восемью нейтронами). Один на 500 атомов кислорода – тяжелый кислород-18 (восемь протонов и десять нейтронов). Это означает, что одна из каждых 500 молекул воды в океане тяжелее обычных. Когда океан нагревается от солнечных лучей, вода, содержащая легкие изотопы кислорода-16, испаряется быстрее, чем с кислородом-18, а потому вес воды в низкоширотных облаках легче, чем в самом океане. По мере того как облака поднимаются в более прохладные слои атмосферы, вода с тяжелым кислородом-18 конденсируется в дождевые капли быстрее более легкой воды с изотопом кислорода-16, и кислород в составе облака становится еще легче.
В процессе неизбежного перемещения облаков к полюсам кислород в составляющих их молекулах воды становится намного легче, чем в морской воде. Когда над полярными ледниками и глетчерами выпадают осадки, легкие изотопы застывают во льду и морская вода становится еще тяжелее. В периоды максимального охлаждения планеты, когда более 5 % земной воды превращается в лед, морская вода становится особенно насыщенной тяжелым кислородом-18. В периоды глобального потепления и отступления ледников уровень кислорода-18 в морской воде снижается. Таким образом, тщательные измерения соотношения изотопов кислорода в прибрежных осадочных породах могут дать представление об изменениях объема поверхностного льда в ретроспективе.
Именно этими исследованиями и занимается геолог Кен Миллер с коллегами в Университете Ратгерса уже несколько десятков лет, изучая мощные слои морских осадков, покрывающих побережье в Нью-Джерси. Эти отложения, в которых записана геологическая история последних 100 тыс. лет, насыщены раковинами микроскопических ископаемых организмов, называемых фораминиферами. Каждая крошечная фораминифера хранит в своем составе изотопы кислорода в той пропорции, какая была в океане в то время, когда организм вырастал. Измерение изотопов кислорода в береговых отложениях Нью-Джерси, слой за слоем, предоставляет простое и точное средство для оценки объема льда в соответствующий период времени.
В недавнем геологическом прошлом ледяной покров то уменьшался, то разрастался, что сопровождалось соответствующими значительными колебаниями уровня моря каждые несколько тысяч лет. На пике ледниковых периодов более 5 % воды на планете превращалось в лед, понижая уровень моря метров на сто относительно современного. Считается, что около 20 тыс. лет назад, в один из таких периодов низкого стояния воды образовался сухопутный перешеек через Берингов пролив между Азией и Северной Америкой – именно по этому «мосту» в Новый Свет мигрировали люди и другие млекопитающие. В тот же самый период не существовало Ла-Манша, и между Британскими островами и Францией пролегала сухая долина. В периоды максимального потепления, когда ледники практически исчезали, а на вершинах гор истончались снежные шапки, уровень моря повышался, становясь примерно на 100 м выше современного, погружая под воду сотни тысяч квадратных километров прибрежных территорий по всей планете.
Миллер и его сотрудники вычислили более сотни циклов наступания и отступания ледников за последние 9 млн лет, и по меньшей мере дюжина из них приходится на последний миллион – диапазон этих бешеных колебаний уровня океана достигал 180 м. Один цикл может слегка отличаться от другого, но события происходят с очевидной периодичностью и связаны с так называемыми циклами Миланковича, именованными так в честь сербского астронома Милутина Миланковича, который обнаружил их примерно столетие назад. Он выяснил, что хорошо известные изменения параметров движения Земли вокруг Солнца, включая наклон земной оси, эксцентриситет эллиптической орбиты и незначительное колебание собственной оси вращения, обусловливают периодические изменения в климате с промежутками от 20 тыс. лет до 100. Эти сдвиги воздействуют на поток солнечной энергии, достигающий Земли, и таким образом вызывают значительные колебания климата.
