Рекорды глобального потепления. Десять главных прорывов в науках о Земле

1. Древняя Земля обладала двойной атмосферой 

Анализ химического состава микрометеоритов древностью в 2,7 миллиарда лет показал, что они проходили через атмосферу, столь же насыщенную кислородом, что и сегодня. Это противоречит всему, чему нас учили в школе. Известно, что в то время на Земле царили анаэробные организмы, а они в кислородной атмосфере жить не смогли бы. Учёные разрешили этот парадокс: микрометеориты оплавляются в верхних слоях атмосферы. Там кислород в ту эпоху вполне мог образовываться при распаде углекислого газа под действием ультрафиолета. Правда, непонятно, почему он тогда не опускался вниз и не отравлял тогдашние бактерии. Получается, что на планете тогда была "атмосфера-матрёшка" с неперемешивающимися слоями. Пока нечто подобное описывали только теоретические модели для далёких экзопланет, и открытие таких странностей в прошлом Земли никем не ожидалось. Кстати, из открытия следует вполне практический вывод: экзопланета может иметь много кислорода в атмосфере, даже если там вообще нет жизни. 

2. Атмосфера 2,7 миллиарда лет назад была вдвое менее плотной, чем сегодняшняя

Другая группа исследователей сравнивала размер воздушных пузырьков в лаве возрастом в 2,7 миллиарда лет с современными и пришла к удивительному выводу: атмосфера нашей планеты в ту пору была вдвое менее плотной, чем сегодня. Примерно такое же давление действует на человека, забравшегося выше пяти километров. Это означает, что на Земле 2,7 миллиарда лет назад были условия, которые учёные справедливо обозначают как "инопланетные". Вода должна была кипеть при температурах меньше 70 градусов, и никакие птицы в той атмосфере летать не смогли бы в принципе, даже несмотря на наличие кислорода в её верхних слоях. На этой "инопланетной" Земле по-другому выглядели бы даже восходы и закаты: при вдвое более разреженной атмосфере красных тонов там было бы куда меньше.

3. Бактерии молодой Земли чуть не съели весь её воздух

Новые сведения о плотности атмосферы в то время очень остро поставили вопрос: куда три миллиарда лет назад девалась половина земной атмосферы, где она "пряталась" так долго и откуда появилась вновь? Международная группа учёных быстро отреагировала на вызов и рассчитала, что единственной мыслимой причиной всех этих странностей была самоубийственная жадность первых обитателей Земли. Бактерии не имели мозга, зато очень активно размножались, используя азот как строительный материал для своих новых копий. Как оказалось, всего за пару миллиардов лет их деятельности они должны были поглотить и "спрятать" в нерастворимых соединениях больше половины всей атмосферы — то есть столько же, сколько и обнаружилось при анализе образцов лавы.

Такая безудержная гонка за едой и размножением должна была привести к климатической и экологической катастрофе. Вычёрпывая азот из воздуха, бактерии резко снижали парниковый эффект, а Солнце тогда и так светило почти на 20 процентов слабее, чем сегодня. Планете угрожало глобальное замерзание. К счастью, группа аэробов (бактерий, использующих кислород) тогда преуспела в массовом производстве кислорода за счёт фотосинтеза и отравила этим газом анаэробов, загнав их во второстепенные экологические ниши. В присутствии такого сильного окислителя, как кислород, связанный азот постепенно вернулся в атмосферу. Его соединения были химически неустойчивы в присутствии кислорода и окислялись, образуя оксиды азота и водяные пары. Оксиды азота со временем разлагались на азот и кислород. Этим он спас Землю от замерзания, а также сделал возможным последующее процветание сложной жизни. Кстати, расчёты показали, что если бы не гибель от кислорода, азотфиксирующие анаэробы к сегодняшнему дню уже съели бы практически всю атмосферу планеты.

4. На Земле 3 миллиарда лет назад было тепло, несмотря на "слабую" атмосферу

История с аномальными резкими изменениями плотности газовой оболочки Земли миллиарды лет назад указала на то, что наука пока не понимает, почему планета тогда не замерзала. Если сейчас мы ослабим Солнце на 20 процентов, то Земля довольно быстро покроется льдами. Однако три миллиарда лет назад на ней не было никаких следов льдов. Как это было возможно при истощённой жадными бактериями атмосфере, слабее удерживавшей тепло?

Предполагается, что всё дело в неких мощных парниковых газах, которые тогда присутствовали в ней в изобилии. Однако пока все расчёты показывают, что углекислого газа в нужных объёмах там не было. Что же конкретно не давало планете замерзнуть до 2,4 миллиарда лет назад (время появления на ней первых ледников) — пока, увы, неизвестно. В 2016 году возникло предположение, что в первый миллиард лет планету разогревали астероиды. При падении они испаряли много замерзших газов за счёт энергии сверхмощных взрывов и тем самым усиливали парниковый эффект. Однако этот эффект должен был сойти на нет уже во второй миллиард лет земной истории, и, что спасало планету от замерзания дальше, не вполне ясно.

5. Подземные океаны оказались полноводнее наземных

Одним из наиболее распространённых водосодержащих материалов на Земле является брусит, существующий в верхних слоях её мантии. Однако поскольку доступ на сотни километров вниз у учёных отсутствует, они оценивали нижнюю границу распространения брусита на основе его устойчивости к давлению. Считалось, что начиная с 400 километров и глубже брусит разлагается. Освобождающаяся вода быстро поднимается вверх и возвращается в моря Земли.

Однако в 2016 году обнаружилось, что при таком высоком давлении брусит зачастую просто образует новую более устойчивую фазу, что позволяет ему существовать на куда больших глубинах. Он на 30% состоит из воды, а значит, её в мантии намного больше, чем считалось ранее. Теперь геологи пытаются вычислить, сколько именно воды может быть связано в брусите на 400—600 километров ниже уровня моря.

Если бы Земля была равномерно покрыта водой, всех её океанов хватило бы для создания слоя глубиной в три километра. Если хотя бы несколько процентов мантии на такой глубине состоят из брусита (а на это указывает ряд признаков), там может быть намного большее количество воды, чем во всех океанах планеты.

6. Магнитное поле планеты показало свою ненадёжность

Недавние данные наблюдений спутников за магнитным полем Земли показали неожиданное: всего за пару лет его сила в различных густонаселённых районах планеты изменилась на 2–3 процента, в основном — в сторону снижения. До этого считалось, что заметные изменения в его силе происходят довольно редко. Исследователи отмечают, что их данные могут указывать на куда меньшую стабильность поля, чем предполагалось ранее. Возможно, его радикальнейшие изменения — включая фактические "отключения" при инверсии магнитных полюсов планеты — также распространены сильнее, чем принято считать.

Во время ослабления магнитного поля поток космических лучей, достигающих поверхности планеты, становится сильнее. Пока не ясно, насколько это может отражаться на здоровье её жителей. Известно, что 780 000 лет назад магнитное поле ослабевало не менее чем в в 20 раз. Предположительно, нечто подобное могло случиться и 40 000 лет назад. И в том, и в другом случае никаких вымираний отмечено не было, хотя уровень радиационного фона на Земле должен был на некоторое время значительно возрасти.

7. Стало ясно, почему на Земле так холодно и мало кислорода

Основную часть своей истории наша планета была куда теплее, чем сегодня, и потому свободна от постоянных ледниковых шапок. Из геологических данных ясно, что достигалось это за счёт большего количества углекислого газа в воздухе. Но вот почему оно в последние миллионы лет так резко упало, что прежде цветущая и лесистая Новая Земля и другие арктические районы стали пустыней, долго оставалось неясным.

Группа американских учёных предложила объяснение ситуации. С помощью моделирования исследователи показали, что когда одна литосферная плита слегка поддевает край другой, то может вынести вверх океаническую кору и таким образом сделать её сушей. Такая кора очень долго не контактировала с воздухом планеты и поэтому практически не имеет в своём составе углекислого газа. Из-за этого бывшее дно океана может поглощать этот газ в больших количествах.

В последние миллионы лет Австралия, двигаясь на север, поддела океаническую кору близ Явы и выносит её вверх. Из-за высокой скорости эрозии (сильные дожди, высокие температуры) в экваториальных областях процесс связывания углекислого газа там идёт очень хорошо. Остальная планета при этом охлаждается, что и ведёт к странностям вроде ледниковых периодов, появления тундр и тому подобного. 

Кстати, другая группа учёных достоверно установила, что последние 800 тысяч лет из-за этого похолодания содержание кислорода в атмосфере падает. Превращение большой части суши в арктические и тропические пустыни неизбежно снижает производство кислорода растениями. Поэтому ещё 800 тысяч лет назад этого газа в атмосфере было на 0,7 процента больше. Такая разница не выглядит большой. Примерно на столько снижается содержание кислорода в воздухе плохо проветриваемого помещения. Однако если бы жившие тогда предки человека перенеслись в наше время, то первое время непроизвольно зевали бы чаще, пытаясь компенсировать нехватку этого газа в воздухе.

8. Глобальное потепление поставило серию рекордов 

В 2016-м году температура на планете оказалась выше, чем за все 137 лет систематических наблюдений. Правда, в наше время такие новости, в принципе, появляются едва ли не каждый год. Куда значимее то, что концентрация углекислого газа над Антарктидой впервые за миллионы лет превысила 400 частей на миллион. Биологическая и индустриальная активность там минимальна, поэтому достижение над Антарктидой концентрации парникового газа, которой ещё в XX веке не было ни над одним континентом Земли — действительно значимый результат. 

9. Россия взяла неподъёмные обязательства по борьбе с потеплением, но, к счастью, пока не должна их выполнять

С учётом череды температурных и углеродных рекордов не замечать реальности глобального потепления стало довольно трудно. На него обратили внимание даже российские астрономы, которых оно лишило большинства ясных ночей для наблюдений за звёздами. Поэтому на 2016 год пришлось сразу множество подписаний Парижского соглашения по борьбе с глобальным потеплением. Не избегла общей участи и Россия.

Соглашение призывает не дать глобальной средней температуре вырасти на 2,0 градуса Цельсия и "приложить усилия" для ограничения роста температуры на величину не более 1,5 градуса. Достигнуть этой цели можно, только если уже во второй половине века выбросы углекислого газа станут нулевыми. Чтобы сделать это, России в теории придётся резко изменить технологии практически во всех отраслях промышленности, транспорта, сельского хозяйства и строительства. К счастью, пока это дело далёкого будущего. Соглашение призывает страны уменьшить свои выбросы относительно уровня 1990 года. Наша страна сделала этого до его подписания, ведь её промышленность всё ещё слабее, чем в 1991 году. Поэтому первые годы выполнять соглашение нам не придётся.

Куда хуже ситуация станет через 10–20 лет, когда его выполнение потребует либо сокращения промышленного производства, либо закрытия работающих электростанций (и, как следствие, роста цен на энергию). Впрочем, пока до этого ещё далеко, поэтому беспокоиться рано. К тому же ещё до этого Парижское соглашение приведёт к такому ограничению потребления российских углеводородов за рубежом, что новые проблемы вряд ли радикально ухудшат ситуацию.

10. Глобальное потепление заставило планету расцвести и сократило площадь пустынь

Многочисленные температурные рекорды не прошли бесследно для биосферы. Как показала другая работа 2016 года, по мере нагрева планеты общее количество осадков будет расти — особенно в ранее засушливых зонах. К тому же из-за роста концентрации углекислого газа растениям теперь нужно меньше воды и они могут расти даже там, где прежде им бы не хватало дождей.

В общем, страны типа Эфиопии из-за этого процесса расцветут: там увеличится и общее количество растительности, и урожайность сельхозкультур. Более того, специалисты по изучению Сахары отмечают, что в последние 30 лет из-за роста осадков пустыня в целом и в особенности её южная окраина — Сахель — стали постепенно зеленеть. Однако Парижское соглашение (и ему подобные) вряд ли даст этому процессу завершиться, поэтому плавное озеленение земных пустынь едва ли станет долговременным.