Движение ледников оставляет следы внутри камней и на их поверхности. Ледники, огромные массивы льда, расширяются и сжимаются при изменении температуры. Меняясь в объеме, они раздалбливают находящуюся под ними каменную основу. Провалы в коренной породе могут по длине превышать длину футбольного поля. Один известный след активности ледников находится в Центральном парке Манхэттена. Овечий луг, расположенный к северу от знаменитой карусели Центрального парка, выстлан черным сланцем, на поверхности которого и сегодня видны глубокие прорези. Эти следы оставлены ледником, покинувшим Манхэттен 12 тысяч лет назад.
Другие следы передвижения ледников связаны с плавлением льда. При таянии ледников образуются мощные водопады. Эти бурные потоки сметают все на своем пути, от мелких камешков до огромных булыжников. Когда вода утихает, обломки формируют геологические слои с отчетливыми признаками ледникового происхождения. Осадочные породы, образующиеся в результате таяния ледников, имеют беспорядочное строение: мелкая галька перемешана с крупными камнями без какой‐либо определенной структуры. Эти слои видны в скалах и служат геологическим признаком ледникового периода. В результате образования и таяния ледников меняется и атомная структура горных пород. Вода из растаявших ледников имеет иные химические свойства, нежели обычная вода, и оставляет в камнях отчетливые химические следы.
Анализируя отпечатки на камнях, слои смешанных осадочных пород и химическую структуру камней в горных породах всего мира, можно определить, когда и где на Земле существовали большие массивы льда.
Горы, находящиеся теперь в Антарктиде и на арктических островах, перемещались по земному шару на протяжении миллионов лет. Тектонические плиты на поверхности Земли постоянно движутся, поэтому то, что когда‐то было на экваторе, теперь оказалось на полюсе. Таким образом, есть два объяснения, почему горы, сейчас находящиеся на полюсах, раньше не соприкасались со льдом. Первое объяснение: раньше на Земле было теплее и не было льда. Второе: горы, которые сегодня расположены на полюсах, переместились туда из более теплой экваториальной зоны. Таким образом, изучение истории полярных льдов позволяет восстановить изменение карты мира во времени.
Для построения карт отдаленного прошлого используется целый арсенал средств, позволяющих оценить возраст и географические координаты горных формаций. Наилучший метод определения возраста камней основан на использовании “атомных часов” в минеральных гранулах. Некоторые атомы распадаются и превращаются в другие атомы с известной скоростью, и на этом основании можно оценить возраст камней и геологических слоев с достаточной степенью точности. Также для оценки возраста камней можно использовать окаменелости растений и животных – окаменелости из последовательных слоев позволяют определить их относительный возраст. А затем, если мы знаем возраст какого‐то геологического элемента, необходимо установить место его образования.
Некоторые характеристики камней могут служить своеобразным GPS и позволяют с довольно высокой точностью определить широту и долготу места их происхождения. Наиболее интересны в этом смысле горы с высоким содержанием железа. Богатые железом минералы в древних горах представляют собой крохотные магниты. Чтобы на основании этих образцов определить широту местности, где они образовались, геологи измеряют наклон железных фрагментов в камне. Чем больше наклон, тем ближе к древнему магнитному полюсу образовался камень и, следовательно, тем выше широта. Чтобы определить древнюю долготу, ученые измеряют угол наклона фрагментов железа по отношению к географическому северу. Поскольку положение магнитного северного полюса со временем изменяется, при установлении места образования камней в далеком прошлом нужно вводить поправку.
Дополнительную географическую информацию можно извлечь из анализа структуры самих гор и геологических слоев. Горы, образовавшиеся в океанах, имеют иную геологическую структуру, нежели горы, возникшие на суше. Кроме того, анализируя похожие геологические слои или окаменелости в разных местах, геологи могут сказать, не были ли эти структуры, ныне разделенные в пространстве, когда‐то в далеком прошлом соединены между собой. Например, образцы окаменелого растения Glossopteris, обнаруженные экспедицией Роберта Фалькона Скотта на леднике Бирдмора в Антарктиде, напоминают образцы из горных пород Африки, Австралии и Южной Америки. Это сходство – одно из доказательств гипотезы, что в отдаленном прошлом континенты соединялись между собой. На основании подобных данных о разных горных породах по всей планете можно представить себе расположение фрагментов суши, воды и льда, как на гигантском планетарном пазле.
На протяжении первых двух миллиардов лет в истории Земли океаны открывались и схлопывались, а континенты объединялись друг с другом, чтобы позднее разделиться вновь. Горы и моря поднимались и опускались. Но хотя древнейшие горы Земли содержат доказательства этих геологических событий, в них нет двух важных признаков: борозд и слоев обломочных пород. На протяжении первых двух миллиардов из 4,56 миллиарда лет истории Земли на ней не было крупных ледников. На каких‐то отдельных горных вершинах мог быть лед, но полюса, как и большая часть поверхности планеты, в целом были свободны от льда.
Следы самых древних ледников были обнаружены почти случайно. Артур Филимон Коулман родился в 1852 году в Квебеке, в семье методистов. Родители поддерживали в нем интерес к искусству, науке и философии – до такой степени, что в разные периоды жизни он занимался всеми этими видами деятельности. Он обучался геологии еще в те времена, когда наука не разделялась на отдельные дисциплины, и интересовался минералами и окаменелостями не меньше, чем историей и искусством. Коулману нравилось работать в экспедициях, и он месяцами изучал слои Скалистых гор и писал акварелью местные пейзажи, чтобы дарить своим друзьям. Он обладал большой физической силой и поднялся на несколько горных вершин. Во время одного из путешествий по горам Южной Америки он втащил на высоту более 3000 метров геологический лоток. Коллеги были поражены, когда он использовал этот лоток вместо саней и с фантастической быстротой спустился по заснеженному склону горы. Их потрясли не только скорость спуска и риск, которому он себя подвергал: Коулман проделал этот трюк, когда ему было уже за семьдесят.
Коулман был опытным наблюдателем и “читал” горные слои, как страницы книги об истории планеты. Во время одной экспедиции в горах вблизи озера Гурон в Канаде он обратил внимание на слои с характерными следами ледникового влияния: поверхность гор была полосатой, и внутри полос содержались обломки гальки. Более того, это были одни из самых старых гор на планете. Коулман обнаружил следы самого первого ледникового периода на Земле. Геологи, анализировавшие эти скалы через десятилетия после него, подтвердили их ледниковое происхождение и показали, что этим образованиям около 2,2 миллиарда лет. Коулман первым открыл следы той эпохи, когда лед покрывал значительные участки поверхности Земли, в том числе и на полюсах, хотя и на протяжении относительно короткого периода. Заметим, впрочем, что этот “короткий” геологический период длился около 50 миллионов лет.
Как установил Коулман, после ледникового периода Земля вернулась к исходному состоянию, в котором находилась в предшествовавшие два миллиарда лет: это была теплая и местами даже горячая планета. А потом один возмутитель спокойствия показал, как сильно на планете может меняться климат.
Как рассказывают коллеги, работавшие в Гарвардском университете вместе с Полом Хоффманом (теперь он на пенсии), с ним было трудно ладить и в физическом, и в интеллектуальном плане. Его тело и мозг постоянно находятся в бурлящем состоянии. Он составлял карты гор, рассуждал о состоянии Земли в древности, до семидесяти лет участвовал в марафонах и за рабочий день в горах доводил до изнеможения двадцатилетних студентов.
В середине 1990‐х годов Хоффман занимался составлением геологических карт побережья Намибии, на юго-западе Африки. Намибия богата минеральными ресурсами, и здесь были найдены некоторые из самых старых в мире камней и окаменелостей животных. Проводя исследования у намибийского Берега Скелетов, где бурные волны и обломки судов натыкаются на пустынный берег с бродящими львами, слонами и жирафами, Хоффман обнаружил нечто любопытное. В одном слое горной породы возрастом 710 миллионов лет содержалась беспорядочная смесь камней размером от гальки до небольшого булыжника. Хоффман знал, что это означает: здесь поработали ледники.
Вернувшись в лабораторию, Хоффман проанализировал химическое строение атомов в камнях и с почти полной уверенностью подтвердил, что камни сформировались под влиянием ледника. Это в общем‐то незначительное открытие произвело взрыв, когда он изучил магнитные свойства железа внутри камней. “Геологические компасы” позволяли сделать неожиданное заключение: эти горы сформировались не на высоких широтах, а на экваторе. Уверенные в своих данных, Хоффман и его коллеги сделали очевидный вывод: 710 миллионов лет назад ледники простирались от полюса до экватора, суша была покрыта льдом, и вода на поверхности океанов превратилась в лед. В тот период наша голубая планета была совершенно белой.
Эта странная идея уже несколько десятилетий витала в научных кругах, хотя и неявно. За пятьдесят лет до Хоффмана похожую теорию выдвинул геолог и исследователь Дуглас Моусон. Став сэром Дугласом Моусоном после трагической антарктической экспедиции по поиску метеоритов, он высказал предположение, что 700 миллионов лет назад Австралия была покрыта ледниками. В 1992 году Джозеф Киршвинк из Калифорнийского технологического института сформулировал концепцию “Земля-снежок” и предположил, что ее можно доказать на основании геологических данных. Его идея не была замечена, поскольку он опубликовал ее в виде статьи на семь абзацев в книге из 1348 страниц. Через несколько лет Хоффман и его коллеги собрали воедино все данные, позволявшие окончательно подтвердить эту гипотезу.
Понятно, что идея о замерзшей Земле вызвала горячие научные споры. Но геологические слои с ледниковыми отложениями с экватора были обнаружены в разных точках планеты. И от гипотезы уже нельзя было отмахнуться. Ученые могут не соглашаться по поводу того, какая часть поверхности Земли была покрыта ледниками и насколько прочными были эти льды (некоторые утверждают, что это был не лед, а холодная грязь), но вывод ясен. На каком‐то отрезке времени вся планета была такой же холодной и ледяной, как ее полюса в наше время.
Изучение других слоев горных пород позволило сделать новые открытия: доказательства существования ледников на экваторе были найдены и в более молодых горах. Это означает, что наша планета превращалась в ледяной снежок не только 710 миллионов лет назад; такой же эпизод случился через 50 миллионов лет после этого. Каждый ледниковый период длился примерно десять миллионов лет. И всякий раз, когда Земля оттаивала, она немедленно избавлялась от льда как на полюсах, так и во всех других местах. В эти промежутки времени планета превращалась из ледяной в горячую и обратно. Землю лихорадило.
После колебаний от жары к холоду Земля на сотни миллионов лет перешла в устойчивое – теплое – состояние. За период от 600 миллионов лет назад до сегодняшнего дня Антарктида передвинулась со своего положения почти у экватора к Южному полюсу, а Гренландия переместилась из южного полярного региона на север. Два сравнительно кратких ледниковых периода показывают, как сильно сегодняшняя Земля отличается от древней. Около 460 миллионов лет назад, а потом еще раз 260 миллионов лет назад примерно на 20 миллионов лет устанавливались периоды сильнейших холодов. Но в эти промежутки времени лед был только на Южном полюсе, а на севере ледников не было совсем. И после таких эпизодов холода Земля опять возвращалась к теплому состоянию. Периоды, когда на планете появились динозавры, млекопитающие и птицы, были теплыми. Вообще говоря, некоторые были просто жаркими. Около 55 миллионов лет назад температура на Земле на протяжении 170 тысяч лет колебалась в диапазоне от 27 до 34 °C. Тогда было необычно жарко (в XX веке средняя температура на Земле составляла 14 °C), однако на этом примере можно понять, что происходит на планете при сильном глобальном потеплении.
Полюса Земли льды покрывали лишь около 10 % времени ее существования. Наше представление о географической “норме” определяется тем, что история нашего вида развивалась в очень специфический период, когда оба полюса Земли были покрыты льдом. Но на протяжении большей части истории планеты, за исключением нескольких коротких эпизодов замерзания, на Земле были Открытые полярные моря.