Традиционная интерпретация изотопных отношений кислорода в морских кремнях приводит к противоречивым результатам. Например значения относительной изотопной плотности кислорода 18O в раннепротерозойских кремнях опускаются до +20…+24‰ (Холленд, 1989), что по традиционной интерпретации соответствует температурам около +65…+85 °С, хотя хорошо известно, что именно в это время раннепротерозойские континенты, располагавшиеся скорее всего на экваторе, сковывал грандиозный ледниковый покров гуронского возраста (Чумаков, 1978) и, даже несмотря на высокое стояние континентов, средняя температура по Земле на уровне моря не должна была превышать +7…+8 °С.

Все это свидетельствует о том, что изотопно-кислородные определения палеотемператур по докембрийским кремням не верны, поскольку они основаны на предположении постоянства изотопного состава океанической воды, а это не так. Судя по реакциям изотопных обменов воды с растворенными в ней окислами железа, которых в докембрийских океанах было значительно больше, чем в более молодых океанах, вода в них была обеднена тяжелым изотопом кислорода 18О. Но это приводило к изотопному облегчению как самой океанической воды, так и находящихся в равновесии с ней кремней и карбонатов, что в дальнейшем неверно интерпретировалось как признак горячего климата в архее и теплого или даже жаркого климата в протерозое. Бесспорный факт существования грандиозного Гуронского оледенения в раннем протерозое полностью опровергает такую интерпретацию.

Главным фактором, влиявшим на изменения изотопного состава воды в архейских океанах, по-видимому, являлось изотопное фракционирование ювенильных вод с окислами железа, развивавшимися при дегазации воды еще в очагах расплава мантийного вещества под рифтовыми зонами Земли. Но, как уже отмечалось выше, концентрация железа и его соединений в мантийном веществе раннего докембрия была существенно выше, чем сейчас, поэтому и сдвиги изотопных отношений кислорода тогда должны были быть более заметными. Этот подход позволяет предполагать существование определенного геохимического равновесия между дегазируемой из мантии водой и мантийными породами. Если это так, то изменение отношения 18О/16О, связанное с удалением изотопа 18О из состава дегазируемой воды, происходило пропорционально суммарной концентрации железа и его окиси и обратно пропорционально концентрации воды в конвектирующей мантии.

В древних океанах отношение 18О/16О было более низким, отсюда и меньшие значения этих отношений в морских кремнях и карбонатах раннего докембрия.

Тем не менее весьма теплый климат в архее, по-видимому, все-таки существовал, даже несмотря на заметно меньшую светимость Солнца. Об этом свидетельствует полное отсутствие достоверных следов архейских оледенений (Чумаков, 1978), несмотря даже на высокое стояние (до 6 км) в то время континентальных массивов, о чем говорят глубокие эрозионные среды многих архейских щитов.

В этой связи представляется интересным оценить температуру в раннем докембрии независимым путем. Теория глобальной эволюции Земли открывает такой путь.

Поскольку светимость Солнца в архее была заметно меньшей, то единственной причиной повышения температуры на поверхности Земли в архее могла быть только плотная атмосфера, давление которой могло достигать нескольких бар (атм) и более. Из всех возможных газовых составляющих только углекислый газ мог создавать столь плотную атмосферу. Азота на Земле для этого слишком мало, газы типа метана или аммиака неустойчивы и быстро разлагаются под влиянием солнечного излучения (с полной потерей водорода), а свободного кислорода тогда не существовало, о чем говорят архейские осадки, отложившиеся в явно восстановительных условиях. Углекислого же газа на Земле более чем достаточно, поскольку общее давление СО2 (сейчас связанного в карбонатах, но когда-то находившегося в атмосфере) достигало 90-100 атм.

Учитывая результаты расчетов эволюции давления и состава земной атмосферы, удалось рассчитать палеотемпературы для всей истории развития Земли.

В катархее, 4,6–4,0 млрд лет назад, земную поверхность сковывал мороз со средней температурой около –6 °С. Из-за разреженной атмосферы и отсутствия океанов климат того времени должен был характеризоваться довольно контрастной широтной зональностью. Поэтому в катархее средние температуры на экваторе, вероятно, достигали положительных значений, тогда как на географических полюсах они могли опускаться до – 40 °С и ниже.

Дегазация мантии началась только в архее, после чего появились и первые морские бассейны, переросшие около 3,6 млрд лет назад в мелководный океан. В результате средняя приземная температура стала быстро повышаться. Однако в начале архея, около 3,9–3,8 млрд лет назад, средние температуры земной поверхности еще оставались очень низкими. Но тогда уже появилась вода, хоть ее было еще мало. Поэтому в раннем архее могли возникнуть условия для образования первых в истории Земли ледников, хотя они не могли быть покровными. По-видимому, из-за малой мощности первых ледников и сильной денудации раннеархейских зародышей континентов, следов от этого первого оледенения просто не сохранилось.

Около 3,4 млрд лет назад давление азотно-углекислотной атмосферы уже превысило 2 атм, а средняя температура достигла +30 °С, тогда как широтная зональность к этому времени стала менее контрастной. Это значит, что в экваториальном поясе, в котором тогда располагались океанические бассейны и молодые континентальные массивы, температуры уже могли подниматься до +50 °С и даже несколько выше. Однако значительное повышение давления углекислотно-азотной атмосферы и подъем средней приземной температуры произошли только в конце позднего архея, около 2,9–2,6 млрд лет назад. Давление атмосферы тогда достигло 6 атм, а средние температуры превышали +50 °С. В то же время сформировался и Мировой океан, распростершийся до географических полюсов, тогда как все континентальные массивы в конце архея собрались на низких широтах и возле экватора (несколько позже они столкнулись, образовав первый в геологической истории Земли суперконтинент – Моногею). Поэтому контрастность климатической зональности в конце архея снизилась еще больше, но температуры на экваторе могли достигать +60 °С.

Приведенные определения средних температур в архее подтвердили жаркий климат этой эпохи, но выполнены они независимо от изотопно-кислородных определений палеотемператур архея по морским кремням.

Резкое снижение давления углекислого газа на рубеже архея и протерозоя за счет его связывания в карбонатных осадках привело к столь же резкому похолоданию климата.Средние температуры земной поверхности примерно за 100 Му снизились с +54 °С (2,6 млрд лет назад) до +6 °С (около 2,5 млрд лет назад). Климатической реакцией на это похолодание стало развитие наиболее грандиозного за всю историю Земли Гуронского оледенения, охватившего большую часть суперконтинента Моногея, хотя она, как и все другие суперконтиненты, располагалась на экваторе.

Н.О.Сорохтин (2001) рассчитал изменения среднего уровня стояния континентов и положения снеговой линии на экваторе. Оказалось, что в архее из-за высокой тектонической активности Земли и больших тепловых потоков плотная подкоровая литосфера под континентальными массивами была очень тонкой. В результате средний уровень стояния континентов в архее был аномально высоким – около 6 км. В раннем же протерозое после снижения тектонической активности Земли и возрастания мощности плотной подкоровой литосферы этот уровень стал постепенно снижаться, но все-таки оставался достаточно высоким – около 4–2 км. Положение же снеговой линии на экваторе рассчитывалось исходя из того, что у современной Земли она располагается на высоте около 5 км (Долгушин, Осипова, 1989), тогда как для других эпох ее положение принималось пропорциональным средней температуре земной поверхности в данное время.

В результате оказалось, что положение экваториальной снеговой линии пересекается со средней высотой стояния континентов только в раннем архее и в раннем протерозое, именно в то время, когда древние континентальные массивы и сами континенты находились на экваторе и в низких широтах. Следовательно экваториальные оледенения могли существовать только в самом начале архея около 3,9–3,8 млрд лет назад, и в раннем протерозое, приблизительно с 2,5 до 2,2 млрд лет назад. Во все остальные эпохи оледенений на экваторе быть не могло. Все последующие континентальные оледенения, возникавшие на южных и северных материках в конце протерозоя и в первой половине палеозоя, а также кайнозойские оледенения Антарктиды, Гренландии, Канады и Евразии были только высокоширотными.

В течение большей части протерозоя атмосфера Земли оставалась существенно азотной, при этом ее давление со временем слабо падало (за счет связывания азота в органическом веществе и погребения его в осадочных толщах). Однако на температурном режиме земной тропосферы это снижение давления почти не сказывалось, поскольку компенсировалось слабым повышением солнечной активности от 1,14*106 кал/см2*с 2,4 млрд лет назад до ее современного значения 1,37*106 кал/см2*с.

Температурный режим протерозоя оставался равномерно прохладным со средними температурами земной поверхности около +10…+11 °С. Парциальное давление углекислого газа тогда не поднимались выше 0,5–0,6 мбар, а давление кислорода только около 1,1 млрд лет назад достигло уровня 1 мбар. В результате снижения общего давления атмосферы, а также благодаря дрейфу части континентов Гондваны и Лавразии в высокие широты в позднем рифее, венде, в раннем и среднем палеозое наблюдалась новая эпоха оледенений.

С наступлением фанерозоя и особенно в конце палеозоя давление земной атмосферы вновь начало подниматься за счет усиленной генерации кислорода и достигло относительного максимума около 200 Ма. Этому времени соответствует наиболее теплый период мезозоя со средней приземной температурой около +16,2 °С из-за распространения цветковых растений, когда парциальное давление кислорода достигло равновесного значения, после чего суммарное давление земной атмосферы вновь стало снижаться. Климатической реакцией на это событие стало постепенное снижение средней поверхностной температуры Земли с +16,2 °С в мезозое до +14,8 °С в настоящее время.

Такое незначительное похолодание за десятки и сотни миллионов лет достигает заметной величины. В это время происходил распад последнего суперконтинента Пангеи и Антарктида, северные районы Евразии и Северной Америки, включая Гренландию, попали в высокие широты, после чего произошло наступление новой ледниковой эпохи: возникновение в середине кайнозоя покровного оледенения Антарктиды, а в четвертичное время – периодических оледенений на континентах Северная Америка, Европа и Азия. Если предположения о постепенном изъятии азота из атмосферы Земли и его захоронении в земной коре справедливы, а принятое содержание органического азота в осадках отвечает действительности, то, даже несмотря на постепенное повышение солнечной активности, медленное похолодание климата продолжится и в будущем, до достижения нового равновесного состояния прохладного климата. Но этот новый климатический уровень, определяемый метаболизмом азотпоглощающих микроорганизмов, может оказаться не очень благоприятным для процветания на Земле высших форм жизни.

В настоящее время рост земного ядра происходит за счет выделения из мантийного вещества эвтектического расплава Fe•FeO, образующегося по реакции 2FeO ---Fe•FeO + O, однако освобождающийся кислород не может дегазироваться из мантии, поскольку он, соединяясь с оставшейся окисью железа, образует молекулу магнетита 3FeO + O ---Fe3O4.

Приблизительно через 600 Му все железо в мантии окажется окисленным до устойчивой фазы магнетита Fe3O4, поэтому кислород, освобождающийся при образовании “ядерного” вещества, уже не сможет более связываться с железом, а начнет дегазироваться из мантии в атмосферу. В результате давление атмосферы станет быстро возрастать, и уже через 1 млрд лет оно превысит 14 атм, а к моменту прекращения тектонической активности Земли (и ее дегазации), через 1,6 млрд лет, парциальное давление кислорода достигнет 43 атм.

Согласно расчетам, уже через 1 млрд лет средняя поверхностная температура Земли достигнет температуры около 110 °С. Далее температура земной поверхности быстро возрастет до кипения воды при повышенных давлениях. После этого общее давление земной атмосферы превысит критическое давление воды (225,7 атм), тогда как температура соответственно поднимется выше ее критического значения (374 °С) и достигнет 440 °С. Парниковый эффект при этом возрастет до 550 °С, т.е. станет большим, чем у Венеры (512 °С). Но при таких высоких температурах должна начаться дегидратация земной коры и диссоциация карбонатов, а это может добавить к давлению атмосферы еще около 150–180 атм. Если это произойдет, то общее давление земной атмосферы в далеком будущем может достичь 470–500 атм. В этом случае поверхностная температура Земли значительно превысит 470 °С, т.е. станет выше температуры на поверхности Венеры (467 °С).

Однако самые большие перемены ожидают Землю со стороны Солнца. Известно, что звезды подобные Солнцу по мере исчерпания своего ядерного горючего (водорода, гелия, углерода и некоторых других элементов) постепенно расширяются за счет перемещения зоны “ядерного горения” из центральных областей звезды к ее периферии, а это приводит не только к увеличению радиуса и поверхностной температуры звезды, но и ее светимости (Аллер, 1976). Так, за 4,7 млрд лет своего существования светимость Солнца увеличилась приблизительно на 30%. В дальнейшем она будет возрастать еще быстрее, что неизбежно еще более обострит и без того сильный парниковый эффект на Земле.

Звезды солнечной массы заканчивают свой эволюционный путь развития приблизительно через 9–10 млрд. лет гигантским взрывом, превращаясь при этом в белый карлик. Сброшенная же звездная
оболочка, грандиозным шквалом проносясь мимо планет, должна будет не только сдуть плотную углекислотно-кислородно-паровую атмосферу, но и частично испарить верхние слои земной коры.

С момента превращения Солнца в белого карлика каждому электрону и каждому ядру определено место в том гигантском невероятно плотном кристалле, который когда-то был звездой. Ни одна частица не может шевельнуться без того, чтобы другая не заняла ее место. Это полная смерть, из которой нет воскрешения, так как вещество, замурованное в подобном состоянии, останется таким до скончания времен.

А вещество, которое покинет умирающее Солнце и постепенно смешается с облаками межзвездного смога и газа, возможно, послужит материалом для тех грандиозных преобразований, которые приведут к возникновению молодых звезд и новых планет.



















Яндекс.Словари