Книга Леденящие звезды. Новая теория глобальных изменений климата - Найджел Колдер

Гренландские крупинки, в которых оказалось крайне мало углерода-13, произошли от микроскопических морских растений, бактерий или водорослей, в процессе роста вбиравших в себя двуокись углерода из окружающей воды. Когда жизнь чувствует себя вольготно, морская вода заметно обогащается отвергнутым всеми тяжелым углеродом. Воспоминания об этом изобилии хранит известняк — древние карбонатные породы, вобравшие в себя двуокись углерода своего времени. В отличие от растений, увлеченных процессом фотосинтеза, раковины не столь разборчивы в отношении атомов углерода.

Независимо от того, был ли известняк образован морскими раковинами или получился в результате чисто химических реакций, он — в соответствии с пропорцией углерода-13, оставшегося в воде, — отражает общую активность морской жизни. Геофизики начали собирать данные об углероде-13 полвека назад, приступив к исследованиям тяжелого кислорода, или кислорода-18, в отложениях известняка. Кислород-18 должен был помочь ученым измерить температуры прошлого, и им было нетрудно одновременно собирать данные по углероду-13. Сначала исследователи не знали точно, о чем поведают им результаты. Вскоре они поняли, что углерод-13 дает им возможность заглянуть в прошлое и распознать перемены в общем состоянии жизни на планете — иными словами, понять, как изменялась продуктивность биосферы.

Каждый год на планете образуются миллиарды тонн нового органического вещества; исходя из этого, можно было бы ожидать, что жизнь наиболее продуктивна во времена теплого, благодатного климата. Однако это не так. Пиковые значения углерода-13 говорят о том, что самая высокая продуктивность биосферы за последние 500 миллионов лет пришлась на последнюю часть каменноугольного периода, то есть 300–320 миллионов лет назад. Тогда Земля как раз наведалась в рукав Наугольника, интенсивность космических лучей была высока, и на континенты наползли обширные ледяные щиты.

Почему же тогда должна была благоденствовать жизнь? Возможно, по тем же причинам, что и в сегодняшнюю ледниковую эру. Температурный контраст между теплыми тропиками и заледеневшими полюсами создает сильные ветры и стремительные океанские течения, и их воздействие на жизнь Земли заметно даже из космоса. Спутники могут оценить продуктивность жизни на морской поверхности, измерив количество содержащегося там хлорофилла. Они наблюдают огромные площади субтропических океанов, где на каждый квадратный километр приходится гораздо меньше жизни, чем в штормовых средних широтах и субполярных морях, поверхность которых лучше пополняется необходимыми питательными веществами, например, фосфором. Для более спокойных периодов в истории Земли характерен недостаток питательных веществ, и это ограничивало развитие биосферы — полнота жизни хотя и сохранялась, но была все же весьма умеренной.

Неудивительно, что для карбонатных пород, формировавшихся во время эпизодов «Земли-снежка», то есть в периоды, отделенные от нас 2300 и 700 миллионами лет, свойствен чрезвычайно низкий уровень углерода-13: в те холодные времена наземный лед практически остановил процесс фотосинтеза и мертвые организмы возвращали природе накопленный ими углерод-12. Но эти времена упадка жизни перемежались взрывами яркого и бурного роста. Когда бы ни наступал перерыв в чрезмерном оледенении, жизнь в море тут же энергично восстанавливалась. Помимо того что при этом высвобождаются питательные вещества (не важно, в каменноугольный период или в наши дни), происходит обогащение органического материала соединениями углерода за счет необыкновенно высокого уровня углекислого газа, — именно это, возможно, подстегивало рост жизни в паузах между эпизодами «Земли-снежка».

Эти ремарки к драме жизни, вписанные атомами углерода, заставили Свенсмарка по-новому взглянуть на миллиарднолетнюю историю переменчивой фортуны нашей планеты. Оказалось, что звездное окружение Земли в Млечном Пути не только решает, куда должна крениться продуктивность океанской жизни — в сторону изобилия или в сторону скудости, но и задает наклон этого крена.

Изменчивость жизни и космические лучи

Колебания жизни были значительны — она то почти исчезала, как во времена «Земли-снежка», то нагуливала жирок, как это происходило в продуктивные времена наподобие каменноугольного периода, и этому соответствовали вполне логичные изменения в уровне углерода-13. Однако, помимо «углеродной» логики, работало что-то еще. Беспрерывные колебания жизни заставляют думать о каких-то тонких, неустойчивых, еле уловимых взаимосвязях между геологией, климатом и биологией. Причем интенсивность самих этих колебаний изменяется от одной фазы в истории Земли к другой.

В 2005 году Свенсмарк заметил, что вариабельность углерода-13 тесно связана с вариабельностью морских температур, определяемых с помощью кислорода-18. На протяжении последних 500 миллионов лет частые изменения климата сопровождались большими и тоже частыми переменами в продуктивности жизни. Но когда Свенсмарк заглянул в еще более далекое прошлое, он увидел, что изменчивость биосферы была временами не в пример значительнее.

Свенсмарк изумился, осознав, что изменчивость биосферы достигла максимума в период между отметками 2,4 и 2 миллиарда лет назад — это примерно соответствовало первому эпизоду «Земля-снежок». Как раз в то время интенсивность космических лучей была особенно велика вследствие звездных взрывов в нашей Галактике. Тогда Свенсмарк взял отрезок времени в 3,6 миллиарда лет, разделил его на сегменты по 400 миллионов лет и сравнил изменения в вариабельности углерода-13 с расчетными показателями интенсивности космических лучей.

Совпадение было почти невероятным и составило 92 процента. 100 процентов означало бы прямолинейную корреляцию. Одной из причин такого подобия графиков могло быть то, что, когда интенсивность потоков заряженных частиц очень высока, колебания этой интенсивности также происходят в довольно широком диапазоне. А вывод здесь вот какой: на Земле не просто холодно, когда космических лучей много, — увеличивается сам размах колебаний климата между указателями с надписями «теплее» и «холоднее», по мере того как Солнце и Земля обращаются вокруг центра Галактики и контраст между спиральными рукавами и межрукавными областями становится более сильным.

Эти очень похожие диаграммы, поступившие из совершенно разных сфер — астрономии и геологии, — показывают, что изменчивость жизни на нашей планете зависит от галактического окружения Земли и общей интенсивности космических лучей. Верхняя диаграмма демонстрирует приток космических лучей на разных этапах истории в сравнении с современным уровнем, принятым за единицу, а «изменчивость изобилия биосферы» — это статистический индикатор, дающий представление о колебаниях доли атомов углерода-13 в морских отложениях.

Около 3,4 миллиарда лет назад действия юного Солнца по отражению космических лучей были весьма успешны, интенсивность заряженных частиц оставалась на низком уровне, и продуктивность жизни, как свидетельствует углерод-13, колебалась в малых пределах. Между отметками 3,2 и 2,8 миллиарда лет назад скорость звездообразования была такая же, как сегодня. Похожими были и колебания биологической продуктивности в океане.