Что вызвало крупнейшее оледенение в истории Земли, известное как «Земля-снежок»? Геологи и ученые-климатологи годами ищут ответ, но основная причина этого явления остается неясной.
Теперь у исследователей из Гарвардского университета есть новая гипотеза о том, что вызвало безудержное оледенение, которое покрыло Землю от полюса до полюса льдом.
Исследование опубликовано в Geophysical Research Letters.
Исследователи точно определили начало того, что известно как Стуртовское земное событие «снежный ком», примерно 717 миллионов лет назад - плюс-минус несколько 100 000 лет. Примерно в то же время сильное извержение вулкана опустошило территорию от современной Аляски до Гренландии. Совпадение?
Гарвардские профессора Фрэнсис Макдональд и Робин Вордсворт так не думали.
«Мы знаем, что вулканическая активность может оказать серьезное влияние на окружающую среду, поэтому большой вопрос заключался в том, как связаны эти два события», - сказал Макдональд, адъюнкт-профессор естественных наук Джона Л. Леба.
Сначала команда Макдональда думала, что базальтовая порода, которая распадается на магний и кальций, взаимодействует с углекислым газом в атмосфере и вызывает охлаждение. Однако, если бы это было так, похолодание произошло бы в течение миллионов лет, и радиоизотопное датирование вулканических пород в арктической Канаде предполагает гораздо более точное совпадение с похолоданием.
Макдональд обратился к Вордсворту, моделирующему климаты неземных планет, и спросил: могли ли аэрозоли, испускаемые этими вулканами, быстро охладить Землю?
Ответ: да, при правильных условиях.
«Извержение крупных вулканических провинций не является чем-то уникальным», - сказал Вордсворт, доцент кафедры экологических наук и техники в Гарвардской школе инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона. «Эти типы извержений происходили снова и снова на протяжении геологического времени, но они не всегда связаны с похолоданием. Итак, вопрос в том, что отличало это событие?»
Геологические и химические исследования этого региона, известного как крупная магматическая провинция Франклин, показали, что вулканические породы извергались через богатые серой отложения, которые во время извержения выбрасывались в атмосферу в виде двуокиси серы. Когда двуокись серы попадает в верхние слои атмосферы, она очень хорошо блокирует солнечное излучение. Извержение вулкана Пинатубо на Филиппинах в 1991 году, в результате которого в воздух было выброшено около 10 миллионов метрических тонн серы, привело к снижению глобальной температуры примерно на 1 градус по Фаренгейту на год.
Диоксид серы наиболее эффективно блокирует солнечное излучение, если он проходит через тропопаузу, границу, разделяющую тропосферу и стратосферу. Если он достигнет этой высоты, то с меньшей вероятностью будет возвращен на землю в виде осадков или смешанного с другими частицами, что продлит его присутствие в атмосфере примерно с недели до года. Высота барьера тропопаузы все зависит от фонового климата планеты - чем холоднее планета, тем ниже тропопауза.
«В периоды истории Земли, когда было очень тепло, вулканическое охлаждение не имело бы большого значения, потому что Земля была бы защищена этой теплой высокой тропопаузой», - сказал Вордсворт. «В более прохладных условиях Земля становится уникально уязвимой для такого рода вулканических возмущений климата."
«Наши модели показали, что контекст и предыстория действительно имеют значение», - сказал Макдональд.
Другим важным аспектом является то, где шлейфы двуокиси серы достигают стратосферы. Из-за дрейфа континентов 717 миллионов лет назад большая магматическая провинция Франклин, где произошли эти извержения, располагалась недалеко от экватора, точки входа для большей части солнечной радиации, поддерживающей тепло Земли.
Итак, эффективный светоотражающий газ попал в атмосферу в нужном месте и на нужной высоте, чтобы вызвать охлаждение. Но для формирования идеального сценария шторма требовался еще один элемент. В конце концов, извержение Пинатубо обладало схожими свойствами, но его охлаждающий эффект длился всего около года.
Извержения, выбросившие серу в воздух 717 миллионов лет назад, не были разовыми взрывами одиночных вулканов, таких как Пинатубо. Вулканы, о которых идет речь, простирались почти на 2000 миль через Канаду и Гренландию. Вместо единичных взрывных извержений эти вулканы могут извергаться более непрерывно, как сегодня на Гавайях и в Исландии. Исследователи продемонстрировали, что за десятилетие или около того непрерывных извержений вулканов этого типа в атмосферу могло попасть достаточное количество аэрозолей, чтобы быстро дестабилизировать климат.
«Охлаждение от аэрозолей не обязательно должно замораживать всю планету; оно просто должно привести лед к критической широте. Затем лед сделает все остальное», - сказал Макдональд.
Чем больше льда, тем больше солнечного света отражается и тем холоднее становится планета. Как только лед достигает широт вокруг современной Калифорнии, вступает в действие петля положительной обратной связи, и эффект безудержного снежного кома практически невозможно остановить.
Легко думать о климате как об огромной системе, которую очень трудно изменить, и во многом это правда. случится и в будущем», - сказал Вордсворт.
Понимание того, как происходят эти драматические изменения, может помочь исследователям лучше понять, как происходили вымирания, как предлагаемые геоинженерные подходы могут влиять на климат и как климат меняется на других планетах.
«Это исследование показывает, что нам нужно уйти от простой парадигмы экзопланет, просто думая об условиях стабильного равновесия и обитаемых зонах», - сказал Вордсворт. «Мы знаем, что Земля - динамичное и активное место, на котором происходили резкие переходы. Есть все основания полагать, что быстрые климатические переходы такого типа являются на планетах скорее нормой, чем исключением».