Чтение онлайн

В 2009 г. Фонд Альфреда Слоуна совместно с Геофизической лабораторией запустил проект Обсерватории глубинного углерода (DCO), грандиозную, рассчитанную на десять лет программу исследования углерода в масштабах планеты, особенно его химической и биологической роли в недрах Земли. Где располагается углерод? Насколько велики его ресурсы? Как он перемещается к поверхности и от нее? Насколько распространена глубинная биосфера? Этот междисциплинарный и международный проект уже привлек сотни исследователей из десятков стран. Цели у нас самые разные: от составления глобального реестра глубинных микроорганизмов до мониторинга выбросов углекислого газа из всех действующих на планете вулканов. Но самой главной задачей DCO является выяснение происхождения углеводородов, от метана до нефти. Геохимик Эд Янг и его коллега Эдвин Шойбле, оба из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, считают, что изотопы могут послужить ключом, который поможет выяснить, что является источником просачивающегося метана на дне океана – минералы или микроорганизмы. Но их теоретические выкладки не могут быть проверены путем простого сопоставления тяжелых и легких изотопов. Эд Янг намерен измерить изотопологи.

Изотопологи – это химически идентичные молекулы, которые различаются только по составу изотопов. Метан, состоящий из одного атома углерода и четырех атомов водорода, существует в виде целого ряда изотопологов. Примерно 99,8 % всех атомов углерода являются более легкой разновидностью углерода – углеродом-12, но на каждые пятьсот атомов приходится один тяжелый изотоп углерода-13. Аналогично водород обычно бывает представлен легким вариантом (строго говоря, это водород-1, но его обычно называют просто водород), но существует также и более тяжелый изотоп – водород-2, который обычно называют дейтерием. Соотношение водорода и дейтерия на Земле примерно равно тысяча к одному. Эти пропорции означают, что одна из каждых пятисот молекул метана содержит изотоп углерода-13, а примерно четыре из каждой тысячи молекул метана содержат дейтерий.

Следовые количества каждого из двух тяжелых изотопов довольно трудно измерять, но Эд Янг с коллегами охотятся вовсе не за ними. Они намереваются измерить неуловимые, дважды замещенные изотопологи метана – примерно одну молекулу метана на миллион, которая содержит либо одновременно углерод-13 и дейтерий (обозначаемую 13CH3D), либо два дейтерия (12CH2D2). По подсчетам Эдвина Шойбле, соотношение этих двух редких изотопологов в каждом отдельно взятом образце метана может служить чувствительным индикатором температуры, при которой формировался метан. Все дело именно в температуре: если данный метан образовался при температуре ниже 100 °С, то это свидетельствует о его органическом происхождении; если он формировался при температуре выше 500 °С, то он, вероятнее всего, неорганический.

На бумаге этот замысел выглядит замечательно. Однако проблема в том, что в мире не существует прибора, способного измерить соотношение между 13CH3D и 12CH2D2. Обычный изотопный анализ проводится на масс-спектрометре, измеряющем процесс разделения в соответствии с их массами. Эти два изотополога различаются по массе меньше чем на одну сотую процента, а потому попытки различить их сопровождаются существенными осложнениями. К тому же изотопологи встречаются в крайне малых концентрациях, что еще более затрудняет их анализ. Эду Янгу и его сотрудникам понадобился прибор с гораздо более высокой способностью различать массы и узнавать молекулы. Поэтому одним из первых шагов, предпринятых Обсерваторией глубинного углерода, стал сбор средств для разработки опытного образца такого инструмента, стоимостью 2 млн долларов, пригодного для измерения содержания изотопологов в метане. (В этом приняли участие также Национальный научно-исследовательский фонд США, Департамент энергетики США, корпорация Shell Oil и Институт Карнеги в Вашингтоне.) Предприятие весьма рискованное. Чтобы создать такой прибор, понадобятся годы, а затем уйдет еще несколько лет, пока мы не убедимся, что он действует. Оправданием такому риску служит возможность получить определенный ответ на вопрос об источниках образования глубинного метана, а также представление об участии метана в кардинальном изменении климата на планете.

Возвращаясь к вопросу о Земле в эпоху неопротерозоя, отметим, что в конце первого ледникового периода, 700 млн лет назад, наступил переломный момент в состоянии климата. Важную роль сыграло при этом увеличение содержания углекислого газа в атмосфере; возможно, тому способствовало и внезапное высвобождение метана из газовых гидратов. В геологическое мгновение ока, может быть, в пределах тысячи лет климат резко изменился. Земля из снежного шара превратилась в парник, температура побила все рекорды.

Долгое время, примерно 30 млн лет, на Земле преобладал теплый климат, но парниковый эффект гарантировал собственную кончину. Содержание углекислого газа в атмосфере, достигнув своего максимума, начало постепенно уменьшаться. Часть парникового газа была изъята из атмосферы в процессе химических реакций с горными породами. Обнажившаяся земля, открытая осадкам, содержащим химически агрессивную углекислоту (следствие высокого содержания СО2 в атмосфере), подверглась стремительному выветриванию. Приток минеральных питательных веществ вкупе с восстановлением потока солнечной энергии привел к скачкообразному росту водорослей, поглощающих парниковый газ.

И все эти события нашли отражение в летописи изотопов углерода. В течение 150 млн лет климат Земли колебался между этими двумя крайностями. Не раз и не два, а по меньшей мере три раза ледники наступали и отступали, и климат соответственно менялся от арктического холода к тропической жаре – и обратно. Первый ледниковый период, так называемое Стуртианское оледенение, достиг максимальной точки около 720 млн лет назад. За ним следовало Мариноанское оледенение, 650 млн лет назад. А потом менее суровое Гаскиерское оледенение, 580 млн лет назад. Мощные осадочные толщи в десятках стран отражают подробности этого драматического цикла. По мере отступления льда ледники оставляли после себя нагромождения вывернутых валунов и окатанных камней, комковатых тиллитов и отполированных скальных пород. Вскоре после этого слои тиллитов покрылись толщей отложений кристаллических карбонатных минералов – еще один характерный признак потепления океанов. Карбонатные осадки в перенасыщенных углекислым газом морских водах образовывались так быстро, что дно вскоре покрылось гигантскими кристаллами метровой длины. Эти повышенные скорости осадконакопления свидетельствуют о временах, когда измученная поверхность Земли утратила химическое равновесие – и навсегда ушел в прошлое застой «скучного» миллиарда.

Какое-то время после публикации в 1998 г. статьи Пола Хоффмана о ледяной Земле геологи с восторгом воспринимали картину ледяной планеты, но теперь энтузиазм слегка угасает. Создатели климатических моделей не соглашаются с тем, что вся Земля могла быть покрыта ледяным панцирем, потому что, по их расчетам, даже в период наибольшего охлаждения на экваторе сохраняется умеренный климат. Геологи обнаружили признаки открытой воды – следы движения льдов, поверхностных волн и морских течений в период максимального холода. Для большинства геологов более реальным представляется сценарий не снежного шара, а более благоприятной модели – «слякотного шара». Хоффман полагает, что слякоть характерна до периода ледникового максимума и сразу после него.

Как определить различие между ними? Любопытным доказательством в поддержку идеи снежного шара является быстрое возникновение железистых кварцитов, появившихся как раз в то время, когда Земля была предположительно полностью покрыта ледяным панцирем. Образование таких месторождений не поддается простому объяснению, поскольку морская вода лишилась почти всего железа более миллиарда лет назад, т. е. еще до начала «скучного» миллиарда. Как же океан снова обогатился железом? Согласно одной из моделей, оледенение сковало океан ледяной коркой, перекрыв доступ кислорода к основной толще воды. Тем временем подводные гидротермальные источники продолжали закачивать из мантии все новые порции железа в глубинные слои океана. Постепенно концентрация железа росла, что приводило к стремительному росту железистых кварцитов сразу после окончания ледниковых периодов.

Снежный шар – слякотный шар: противопоставление не является чем-то новым в науке, хотя оно вполне скромное и дружелюбное, в отличие от многих других. Пол Хоффман ушел в отставку, и новое поколение ученых приняло эстафету, поскольку ответы все еще скрываются в недрах Земли.

Существует загадка и посложнее. Снежная или слякотная Земля, периоды оледенения были отнюдь не первыми в истории Земли и, скорее всего, не станут последними, но три промежутка в эпоху неопротерозоя выделяются особо. Насколько нам известно, ни до, ни после них такой холод не обрушивался на Землю. В чем причина? Почему один краткий период настолько выделяется в истории планеты?

Древнейший ледниковый период, сравнительно короткий, судя по залежам тиллита в древних кратонах Южной Африки, случился примерно 2,9 млрд лет назад, в разгар архейского эона. Остается загадкой, почему льду понадобилось столько времени, чтобы снова перейти в наступление с полюсов на экватор. На заре земной истории Солнце светило гораздо слабее – в первые несколько сотен миллионов лет его излучение составляло всего 70 % от нынешнего уровня, а во время среднеархейского оледенения – около 80 %. Недостаток солнечной энергии должен был восполняться иными способами подогрева. Многие специалисты указывают в качестве главных источников на высокий процент концентрации парниковых газов – углекислого газа, метана и оранжевого углеводородного тумана. Кроме того, свою роль в изменении климата должны были сыграть тепловые потоки глубинных тектонических процессов и мощные вулканические извержения.