Моря в архее не замерзали и без парникового эффекта

В 1972 году известный американский астроном Карл Эдуард Саган и его коллега Джордж Маллен впервые увидели и сформулировали парадокс слабого молодого Солнца. Парадокс заключался в следующем: 4 млрд лет назад, согласно астрофизическим моделям, Солнце излучало на 30% меньше энергии, чем сейчас. Это происходило, по мнению ученых, из-за более высокого соотношения водорода и гелия в ядре светила. При таких условиях зарождающиеся на поверхности Земли океаны должны были замерзнуть -- Земля должна была бы напоминать современную Антарктиду. Но этого почему-то не произошло, как следует из палеоклиматических данных. И даже наоборот, некоторые модели показывают, что температура в океанах могла достигать +70°C. Правда, большинство ученых считает, что все-таки температура была более умеренной. Но в любом случае благоприятной для зарождения жизни.

Слабое Солнце, сильные газы

В конце ХХ века ученые сформулировали объяснение этому парадоксу. Проблему могли решить парниковые газы – углекислота и метан, попавшие в атмосферу Земли в результате активной вулканической деятельности. Их высокие концентрации, по мнению сторонников «парниковой» гипотезы, и создали эффект глобального потепления и спасли планету о замерзания.

Безоблачный архей

Профессор Миник Розинг (Minik T. Rosing) из Стэнфордского университета (Калифорния, США) и Кристиан Бьерум (Christian Bjerrum) из Университета Копенгагена (Дания) представили на станицах журнала Nature совершенно новую гипотезу, решающую парадокс слабого молодого Солнца. По мнению профессора Розинга, парниковые газы никакой роли здесь не играют. Во всяком случае, их роль далеко не ведущая. Плюсовые температуры океана поддерживались, согласно гипотезе профессора, благодаря низкому значению альбедо молодой Земли. В архее, согласно расчетам ученых, планетарное значение альбедо не превышало 0,24, (притом что современные значения составляют 0,45). Это значит, что большая часть солнечного тепла, поступающая на Землю, не отражалась обратно в пространство. Такой эффект достигался, по мнению Розинга, за счет счастливого, но вполне закономерного совпадения двух факторов. Во-первых, практически вся поверхность молодой Земли была покрыта океаном (континенты тогда еще только-только зарождались), альбедо которого 0,03. И по ее небу практически не летали облака (их альбедо достигает 0,9).

Древние минералы

Прежде чем предлагать собственную гипотезу, профессору Розингу и его коллегам пришлось доказать несостоятельность предыдущей. И хотя выпады в сторону «парниковой» гипотезы уже предпринимались, профессор Розинг решил подкрепить их своими собственными доказательствами.

Его сотрудники исследовали железорудные формации Исуа в Западной Гренландии, самые старые пласты которой датируются возрастом около 4 млрд лет. Эти формации сложены в том числе из таких минералов, как магнетит -- смесь оксидов железа и сидерит -- карбонат железа. На этот факт и обратили внимание ученые. По словам профессора, условия образования этих двух минералов таковы, что одновременно они могли появиться только при одном условии – при достаточно невысоких концентрациях углекислоты в атмосфере (при высоких концентрациях магнетит просто не может образовываться в таких количествах).

Рассчитав возможные значения концентрации углекислоты, благоприятной для образования обоих минералов, ученые получили цифру – 900 ppm (ppm — одна часть на миллион). Это примерно в три раза больше, чем современная концентрация углекислого газа в атмосфере (сейчас она составляет 390 ppm).

Модели же, к которым апеллировал профессор Розинг, показывали, что концентрация углекислоты в атмосфере молодой Земли должна была превышать современную в 70 раз – только тогда парниковый эффект сработал бы.

Разобравшись с предыдущей гипотезой, ученые приступили к построению своей собственной.

Альбедо молодой Земли

«На альбедо Земли влияют два основных фактора – это характер ее поверхности, а также количество и тип облаков. На протяжении всей геологической истории Земли типы облаков, а главное, их количество менялись», -- пишут авторы.

Как объясняет профессор Розинг, облака в атмосфере образуются за счет ядер конденсации. Это относительно большие частицы или ионы (10^-3-10^-5 см), содержащие, например, нитраты или сульфиты, или же микрочастички пыли, на которых происходит конденсация водяного пара. Чем выше поднимается частица, тем активнее на нее конденсируется вода. Их становится все больше и больше – так получаются облака. В современной атмосфере эти ядра конденсации образуются, прежде всего, благодаря окислению в атмосфере газов – продуктов жизнедеятельности растений и водорослей. «В атмосфере архея, в которой еще не было кислорода, и при отсутствии растений вполне логично предположить, что именно таких ядер конденсации было очень мало. А значит, и облаков было намного меньше, и они были не такими плотными», – считают авторы.

C помощью моделей, учитывающих площадь океана и количество облаков, профессор Розинг рассчитал показатели альбедо в течение всего архея – то есть от 4 млрд до 2,6 млрд лет назад. В итоге ученые пришли к выводу: низкие значения альбедо вполне могли поддерживать температуру поверхности океана на уровне примерно от +5 в самом начале архея до +10°C в конце.