Ордовикское оледенение могло начаться из-за аномально большого количества хондритной пыли

Рис. 1. Ведущий автор исследования профессор Биргер Шмитц стоит в районе горы Киннекулле (Kinnekulle) на юге Швеции, у обнажения известняков ордовикского возраста, в которых регулярно находят метеориты. Фото с сайта lunduniversity.lu.se

Около 466 млн лет назад на Земле наступило ордовикско-силурийское оледенение — одно из трех великих оледенений палеозоя. Перестройка планетарной климатической системы привела к резкому повышению биоразнообразия. Но причина этих грандиозных событий в истории Земли до конца неизвестна. Новое исследование показывает, что глобальное похолодание в среднем ордовике могло быть вызвано большим количеством метеоритной пыли, осаждавшейся на Землю в течение двух миллионов лет после разрушения крупного хондрита в поясе астероидов.

В течение палеозойской эры средняя температура на планете менялась неоднократно. По меньшей мере трижды (на границах ордовика и силура, девона и карбона, карбона и перми) она опускалась настолько, что уместно говорить о наступлении на Земле в то время ледниковых периодов (рис. 2).

Рис. 2. Изменение изотопных отношений кислорода δ¹⁸O на протяжении фанерозоя. Согласно оценкам ученых (J. Veizer et al., 2004. Evidence for decoupling of atmospheric CO2 and global climate during the Phanerozoic eon), увеличение значения δ¹⁸O на одну тысячную (вертикальная ось именно в этих единицах) примерно соответствует понижению температуры поверхности океана на 1,5–2°C. Таким образом, эта диаграмма показывает и изменение относительных глобальных температур. Изображение с сайта en.wikipedia.org

Самым сильным был период позднеордовикско-раннесилурийского оледенения (Late Ordovician glaciation, 460–440 млн лет назад), когда температура поверхности океана в тропической зоне была примерно на 5°C ниже, чем в наши дни (S. Finnegan et al., 2011. The Magnitude and Duration of Late Ordovician–Early Silurian Glaciation). Ледниковый щит на рубеже ордовика и силура покрывал большую часть северной и западной Африки, а толщина ледового покрова на территории современной Сахары (которая в составе суперконтинента Гондвана находилась в то время в южном полушарии) достигала 3 км.

Интересно позднеордовикско-раннесилурийское оледенение еще и тем, что его начало практически совпадает по времени с так называемым событием великой ордовикской биодиверсификации (great Ordovician biodiversification event, GOBE) — всплеском биоразнообразия, в результате которого всего за 40 млн лет характерная кембрийская фауна, возникшая в период кембрийского взрыва, сменилась палеозойской фауной, богатой фито- и зоопланктоном, животными-фильтраторами и пелагическими организмами. При этом резко выросло количество морских животных видов, а их таксонометрическое и морфологическое разнообразие, практически достигнув современного уровня, не менялось затем уже в течение всего палеозоя. Количество отрядов в этот период увеличилось вдвое, а семейств — втрое, появились первые наземные растения (рис. 3). Возросла и сложность морских экосистем, появились глубоководные экосистемы и сообщества коралловых рифов. И все это по последним данным произошло в течение одного только дарривильского века (467,3–458,4 млн лет, см. Darriwilian и статью A. Stigall et al., 2019. Coordinated biotic and abiotic change during the Great Ordovician Biodiversification Event: Darriwilian assembly of early Paleozoic building blocks).

Рис. 3. Фаунистическое разнообразие на протяжении фанерозоя. По вертикали — количество родов, по горизонтали — время в млн лет от наших дней. Голубым цветом показана кембрийская фауна, желтым — палеозойская фауна, коричневым — современная фауна, зеленым — микрофауна. Черной стрелкой отмечено событие великой ордовикской биодиверсификации. Рисунок из статьи A. Stigall et al., 2019. Coordinated biotic and abiotic change during the Great Ordovician Biodiversification Event: Darriwilian assembly of early Paleozoic building blocks

Для объяснения причин великой ордовикской биодиверсификации приводятся самые разные версии: увеличение тектонической и вулканической активности, изменение палеогеографических условий, изменение структуры питания и перестройка пищевых цепей (см., например, J. P. Botting, L. A. Muir, 2008. Unravelling causal components of the Ordovician Radiation: the Builth Inlier (central Wales) as a case study; T. Servais et al., 2008. The Ordovician Biodiversification: revolution in the oceanic trophic chain). Существует и «космическая» гипотеза, в соответствии с которой причиной ордовикской биодиверсификации стало глобальное похолодание, которое, в свою очередь было вызвано накрывшим Землю 467–466 млн лет назад метеоритным дождем и шлейфом космической пыли, образовавшимся от разрушения в зоне главного пояса астероидов между Марсом и Юпитером родительского тела L-хондрита размером около 150 км (B. Schmitz et al., 2007. Asteroid breakup linked to the Great Ordovician Biodiversification Event).

Основанием для такой гипотезы стало большое количество метеоритных обломков, близких по возрасту и составу (подавляющее большинство их относится к классу L-хондритов), найденных в Северной Америке, Швеции, России и Китае (см. картинку дня Ордовикские метеориты), а также многочисленных микрометеоритов (зерен метеоритного хромита) в одновозрастных осадочных породах.

То, что так называемое ордовикское метеоритное событие (Ordovician meteor event) имело место, в принципе, никто из ученых не сомневается. Это крупнейший распад астероида в пределах Солнечной системы за последние три миллиарда лет. До сих пор около трети всех метеоритов, падающих на Землю сегодня, являются следствием этого события. А вот с тем, что именно оно было причиной ордовикского всплеска биоразнообразия, согласны далеко не все (A. Lindskog et al., 2017. Refined Ordovician timescale reveals no link between asteroid breakup and biodiversification).

Тем не менее, сторонники «космической» гипотезы во главе с профессором Биргером Шмитцем (Birger Schmitz) из Лундского университета (Швеция) не сдаются. Недавно в журнале Science Advances вышла статья большого коллектива ученых из Швеции, США, Бельгии, США, России, Великобритании, Китая и Швейцарии, в которой они доказывают, что причиной радикальных изменений в геологической и биологической истории Земли в среднем ордовике было огромное количество космической пыли, на два миллиона лет заполнившей атмосферу Земли после ордовикского метеоритного события. Пыль препятствовала проникновению солнечных лучей к поверхности Земли, что привело к похолоданию (в течение двух миллионов лет средняя температура на планете опустилась на 10°C) и разделению на климатические зоны с различными условиями — от арктических в высоких широтах до тропических на экваторе (в кембрии климат был более или менее однородный по всей планете). Именно разделение на климатические зоны по мнению профессора Биргера Шмитца и его коллег и привело к всплеску биоразнообразия.

В этот раз ученые изучали не крупные метеориты или их обломки, а метеоритную (космическую) пыль. Пыль внеземного происхождения присутствует в атмосфере Земли постоянно, составляя около 1% от объема всей атмосферной пыли. Ежегодно на поверхности Земли в среднем оседает около 40 000 тонн космической пыли. Авторы поставили перед собой задачу доказать, что в период 467–466 млн лет назад этой пыли было аномально много. Для этого надо было, во-первых, эмпирическим путем замерить ее количество в древних породах (что весьма непросто) и, во-вторых, доказать, что эта пыль имеет внеземное происхождение.

Для поиска метеоритной пыли исследователи растворяли известняки дарривильского возраста в соляной кислоте. Породообразующий минерал известняков кальцит (CaCO₃) в соляной кислоте растворяется полностью, а все примеси, включая метеоритную пыль, остаются. Пересчитав полученные физические объемы космической пыли, представленной зернами хромшпинелидов, на объем атмосферы, авторы сделали вывод, что 467–466 млн лет назад в атмосфере Земли было в 1000–10 000 раз больше пыли внеземного происхождения, чем сейчас, и что вся она имела L-хондритовый состав (рис. 4).

Рис. 4. Разрез среднеордовикских (дарривильских) известняков в южной Швеции. Более древние породы залегают в основании разреза, более молодые — сверху. Красной линией отмечено время ордовикского метеоритного события. Желтыми стрелками показаны изменения уровня моря, который определялся по фациальному составу известняков. До метеоритного события он был высоким (High), а после — начал снижаться (Falling) в связи с образованием ледниковых шапок в полярных областях. Белыми пунктирными линиями выделен горизонт известняков, образовавшихся в прибрежных условиях (в период, когда уровень моря был минимальным). Белыми стрелками показан состав метеоритной пыли в известняках: до метеоритного события это была редкая пыль в основном ахондритового состава, а после — обильная, более чем на 99% представленная гранулами L-хондритов. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science Advances

Для подтверждения того, что эта пыль имеет космическое происхождение, ученые сравнили ее состав с составом эталонных микрометеоритов, собранных в Антарктиде, и изучили ее изотопный состав. Особое внимание было уделено обнаружению изотопа ³He, который на Земле отсутствует, но зато содержится в солнечном ветре и межпланетном пространстве. Любой материал, поступающий из космического пространства на Землю, содержит ³He, проникающий в него на первые нанометры от поверхности. Обнаружение в известняках, обогащенных метеоритной пылью, изотопа ³He послужило для авторов достоверным доказательством ее внеземного происхождения. К тому же в слоях, обогащенных метеоритной пылью, были зафиксированы и повышенные содержания изотопа осмия ¹⁸⁸Os, входящего в состав железных метеоритов (рис. 5).

Рис. 5. Распределение по разрезу дарривильских известняков зерен хондритовых хромшпинелидов (ЕС, количество зерен на кг породы), изотопа ³He (10⁻¹² см³/г) и изотопного отношения ¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os. Серой пунктирной линией обозначено время ордовикского метеоритного события (то же, что красная линия на рис. 2); серый горизонт с индексом TS — тот же горизонт, который выделен белыми пунктирными линиями на рис. 2. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science Advances

Пример ордовикского метеоритного события показывает, что не все крупные внеземные воздействия в геологической истории являлись такими катастрофическими, как, например, падение Чиксулубского метеорита, с которым связывают начало мел-палеогенового вымирания, в результате которого с лица Земли исчезли динозавры (Радиоизотопные датировки подтвердили связь между падением Чиксулубского метеорита и усилением траппового вулканизма, «Элементы», 05.10.2015). Метеоритное событие среднего ордовика, наоборот, весьма благотворно сказалось на развитии биологического разнообразия, так как оно было не резким, а растянутым во времени. За два миллиона лет биологические виды успели эволюционировать и приспособиться к новым климатическим условиям.

Авторы считают, что их открытие влияния космической пыли на климат Земли может иметь весьма конкретное практическое применение. Возможно, не сейчас, но со временем человечество сможет найти способ, как с помощью увеличения содержания пыли в атмосфере остановить глобальное потепление. При этом они сами заявляют, что к этому способу борьбы с климатическими изменениями надо подходить с большой осторожностью, оценив все возможные последствия.

Однако если взглянуть трезво на результаты исследования, то получается, что в обсуждаемой работе доказано пока только то, что в течение двух миллионов лет на Землю оседал аномально высокий поток метеоритной пыли. Но то, что она все это время оставалась в атмосфере, блокируя поступление солнечных лучей к земной поверхности, не совсем очевидно. Вполне возможен и другой вариант развития событий (о котором вскользь упоминают сами авторы) — космическая пыль, оседавшая на поверхность океана, несла с собой много железа, являющегося питательным веществом для фотосинтезирующих микроорганизмов. Последние, бурно развиваясь в благоприятных условиях, связывали в процессе своей жизнедеятельности все больше углекислого газа из атмосферы. Связанный СО₂ осаждался на дно океана в виде известковых илов (поэтому в этот период морские отложения представлены в основном известняками), а атмосфера Земли, теряя главный парниковый газ, постепенно охлаждалась.

Источник: Birger Schmitz, Kenneth A. Farley, Steven Goderis, Philipp R. Heck, Stig M. Bergström, Samuele Boschi, Philippe Claeys, Vinciane Debaille, Andrei Dronov, Matthias Van Ginneken, David A. T. Harper, Faisal Iqbal, Johan Friberg, Shiyong Liao, Ellinor Martin, Matthias M. M. Meier, Bernhard Peucker-Ehrenbrink, Bastien Soens, Rainer Wieler, Fredrik Terfelt. An extraterrestrial trigger for the mid-Ordovician ice age: Dust from the breakup of the L-chondrite parent body // Science Advances. 2019. V. 5. No. 9. DOI: 10.1126/sciadv.aax4184.

Владислав Стрекопытов