Стопки лентикулярных облаков над фьордом предсказывали, что нас ожидает штормовой ветер. В начале сезона мы часто видели над вершинами гор такие облака и прозвали их летающими блюдцами, поскольку они напоминали стопки блюдец. Их красота опасна: вытянутая форма облаков с тонкими отростками – признак того, что в этой зоне бушуют сильные ветра. С каждой минутой небо становилось мрачнее и тяжелее, и нам следовало как можно быстрее добраться до лагеря.
В то утро Фариш отправил нас со студентом Стивом Гейтси на берег искать окаменелые кости. Дело происходило в 1989 году – это было второе лето нашего гренландского проекта. Мы уже нашли несколько мест, где иногда встречались зубы и фрагменты костей динозавров и других рептилий триасового периода. Аэросъемка и геологические карты показывали, что обширные поверхности гор раньше находились под влиянием моря, и мы надеялись обнаружить новые места в выступах гор, стенах долин и пробитых в них разломах. Все утро мы со Стивом поднимались на известняковую гору, которая заканчивалась отвесным утесом, нависшим над водой и льдами.
В палеонтологическом плане наш поход оказался бессмысленным – мы не нашли в горах ни следа костей. Но мы получили огромное удовольствие от обеда в необычной тишине и безветрии под прикрытием красной скалы, поднимавшейся над океаном на высоту 450 метров. Стив занимался альпинизмом и поэтому был совершенно счастлив, разглядывая со скалы айсберги, тюленей и моржей, а я удовлетворился тем, что на безопасном расстоянии от обрыва съел свой обед, состоявший из арахисового масла и батончиков гранолы. Я мог бы провести целый день в окружении красных и зеленых камней, превращенных льдом, ветром и водой в скульптуры самой разной формы. Но чтобы вернуться в лагерь, нам предстояло сползти по горе на полкилометра вниз, а потом еще пройти несколько километров по дну долины.
Спускались мы по природной лестнице из песчаника, алеврита и сланца, твердые слои которых образовали плоские ступени примерно через каждые 15 метров. Ритмичность спуска была внезапно нарушена ужасным видением: боковым зрением мы заметили выветренную колонну из песчаника – словно призрак пропавшего путешественника. Напуганные каменным фантомом, мы понеслись к лагерю так быстро, что смотрели только на небо и себе под ноги и запросто могли проглядеть места, где, возможно, прятались окаменелости.
Так мы выскочили на плато из красного песчаника размером с два футбольных поля. Согнувшись, чтобы перевести дух, я посмотрел вниз. На камне подо мной был отпечаток трехпалой ноги с тремя ужасными когтями. Такой отпечаток мог оставить хищный динозавр. Я взглянул дальше по направлению следа и увидел еще один отпечаток, потом еще и еще. Это были следы от десятка шагов. Они пересекались с другими отпечатками трехпалых лап, а те, в свою очередь, пересекались еще с одними. Двести миллионов лет назад здесь бегали динозавры. Я попытался пройти по следу динозавра, наступая на отпечатки его ног, но мне приходилось делать слишком широкие шаги. Подняв голову, я увидел на другом краю поля Стива, который тоже пытался пройти по следу динозавра. Если бы нас снимали с дрона, запись запечатлела бы двух человек, перемещающихся иноходью и проделывающих странные прыжки в горах Гренландии со стороны моря – палеонтологическая версия классического скетча “Монти Пай-тона”. Стив яростно замахал мне, призывая подойти, и мы оба на несколько минут позабыли о погоде и изумленно глядели себе под ноги.
Позднее это плато назвали “танцплощадкой динозавров”, поскольку на нем были сотни пересекавшихся следов, оставленных крупными и мелкими динозаврами. Примерно 200 миллионов лет назад это пространство находилось на краю большого озера, и динозавры оставляли в глине свои следы. Однако ветер усиливался, и нам нужно было перестать бегать по следам динозавров и продолжить путь, чтобы безопасно добраться до лагеря.
Мы со Стивом раньше уже видели такие следы. Средний палец более длинный, два боковых сравнительно короткие – они напоминали следы крупных птиц с острыми когтями. В 1858 году геолог Эдвард Хичкок, который тогда был президентом Амхерст-колледжа, впервые обнаружил несколько таких следов в центральной части Массачусетса и дал им научное название Grallator cursoriu: латинским словом grallae называют длинноногих птиц. Со времен Хичкока похожие следы были обнаружены в Новой Шотландии, в Коннектикуте и в Пенсильвании, а также дальше к югу, вдоль Восточного побережья, в направлении Виргинии и Северной Каролины. Вблизи больших городов один такой след может стать поводом для открытия парка или туристической достопримечательности. Если следовать этой логике, площадка в Гренландии должна была бы стать динозавровым Диснейлендом. Однако в камнях всех этих регионов есть еще нечто общее, кроме отпечатков ног динозавров. Такие же красные и зеленые песчаники простираются от восточной части Северной Америки до Гренландии. Горы такого типа и отпечатки обнаружены в Алжире, Марокко и в некоторых местах Западной Европы.
Двести миллионов лет назад динозавры могли перемещаться от сегодняшней Гренландии до Массачусетса, Марокко и Алжира, не пересекая океан. Все эти части суши были объединены в один гигантский материк, который называют суперконтинентом Пангея. Гренландские горы сформировались при дрейфе суперконтинента, когда Северная Америка отделилась от Африки и Европы с образованием Атлантического океана.
Теории континентального дрейфа и движения тектонических плит – великие универсальные принципы, позволяющие понять историю Земли. Эти концепции объясняют не только распределение окаменелых следов динозавров и красных и зеленых гор. На самом деле движение континентов также объясняет наступление холодов.
В XIX веке, пока полярные исследователи искали пропавшую экспедицию Франклина и Открытое полярное море или стремились обрести славу для себя или своей страны, один французский ученый сидел дома и составлял уравнения, которые в конечном итоге изменили наше понимание природы полярных регионов. Конечно, делал он это не по долгу службы. Жак-Жозеф Эбельман родился в 1814 году, обучался математике и горному делу и стал главным инженером Севрской фарфоровой мануфактуры – одного из самых известных и старых предприятий по изготовлению изящной керамики. Он прославился изобретением новых промышленных методов, например, разработал процесс производства костяного фарфора и предложил новую технологию отливки для выпуска крупных керамических изделий. Когда Эбельман не был занят керамикой или фарфором, он составлял химические формулы для описания своих излюбленных материй – камней и минералов. Он предложил новые лабораторные методы синтеза минеральных веществ и теоретизировал, как это происходит в природе. В процессе научных рассуждений он создал революционную теорию, которая настолько опережала время и настолько выходила за пределы традиционных представлений в геологии той эпохи, что от нее отмахивались на протяжении сотни с лишним лет.
Стив Гейтси на одном из участков “танцплощадки динозавров”. На переднем плане видны отпечатки динозавровых лап
Эбельмана интересовал процесс эрозии и распада камней с течением времени. Он предположил, что выветривание играет центральную роль в круговороте углерода на планете. Если вам не совсем понятно, вы не одиноки. Другим ученым пришлось трудиться целое столетие, чтобы объяснить роль эрозии во многих процессах в эволюции Земли и жизни. И этот же механизм позволяет ответить на вопрос, почему Земля может охлаждаться до такой степени, что на ее полюсах образуются ледяные щиты.
Самый очевидный (и неправильный) ответ заключается в изменении количества солнечного света. Быть может, ледяная корка возникала в те моменты истории Земли, когда Солнце светило слабее? В результате ядерных реакций на Солнце из него выходят лучи, которые освещают и согревают Землю. Эти атомные процессы можно предсказать, поскольку они протекают в соответствии с физическими законами ядерных реакций, которые не меняются со временем. Однако в рассуждениях о том, что полярные льды возникают из‐за ослабления солнечной активности, есть одна нестыковка: количество радиации, испускаемой такими звездами, как наше Солнце, со временем увеличивается. И это означает, что с каждым годом на Земле должно становиться все теплее и теплее. Если на Землю ежегодно на протяжении 4,56 миллиарда лет попадает все больше и больше солнечной радиации, почему же лед сковывает полюса Земли сегодня, хотя этого не было в прошлом? Если бы это было так, мы бы видели Открытое полярное море у Северного полюса и тропический рай в Антарктиде.
Но если холодные периоды, как минимум последние, не связаны с количеством солнечной энергии, попадающей на Землю, с чем же они связаны? Судя по всему, главный игрок в этой пьесе – элемент углерод, а также различные молекулы, содержащие углерод, такие как диоксид углерода и метан.
В XIX веке французский физик и математик Жозеф Фурье первым выдвинул концепцию, которую впоследствии стали называть парниковым эффектом. Стеклянные парники остаются теплыми в зимний период, поскольку пропускают внутрь свет, но не выпускают наружу тепло, и поэтому в парнике теплее, чем снаружи. Аналогичный процесс происходит в атмосфере, но тепло удерживает не стекло, а некоторые атмосферные молекулы. Эти молекулы, многие из которых содержат углерод, поглощают энергию и фотоны света, пытающиеся покинуть планету. Некоторое количество энергии уходит из атмосферы, но большая часть улавливается и остается на Земле. Не будь этих газов (главным образом диоксида углерода, метана и паров воды), тепло Земли улетало бы в космос, и средняя температура на планете была бы очень низкой: – 20 °C.
Сванте Аррениус (1859–1927) развил теорию Фурье и показал на количественном уровне, как выделение углерода в результате промышленной деятельности человека может повышать температуру на планете. Начиная со времен Промышленной революции главным источником парниковых газов в атмосфере стала человеческая деятельность, связанная с выделением диоксида углерода. Сжигание ископаемого топлива и выделение углеродсодержащих газов, таких как диоксид углерода и метан, в сочетании с уничтожением лесов (то есть с уничтожением растений, которые могли бы забирать диоксид углерода из атмосферы) способствовало повышению температуры на планете в последнем столетии. Но что происходило на Земле на протяжении 4,56 миллиарда лет, пока человека еще не существовало?
Ответ на этот вопрос кроется в догадке Эбельмана относительно роли углерода. Однако научное сообщество оценило его догадку только благодаря работе другого гениального химика, который изложил и распространил эту идею в тот момент, когда наука уже была готова ее развивать.
Гарольд Юри родился в 1893 году в маленьком городке сельскохозяйственной Индианы, в семье фермеров. У обоих родителей было высшее образование, и они совмещали работу на ферме с другими занятиями: мама часть времени преподавала в школе, а отец был мирским проповедником в пацифистской христианской организации. Отец Гарольда умер, когда мальчику было шесть лет, и оставшийся в семье страховой капитал был предназначен для обучения юного Гарольда. Не имея никаких других денег, семья переезжала по стране, пока Гарольд в разных школах учился на преподавателя. Благодаря рано проявившимся способностям, особенно к естественным наукам, соученики пророчески прозвали его Профессором. В начале Первой мировой войны знания Юри в области физической химии понадобились на заводах по производству оружия и взрывчатки. На этом жизненном этапе научная работа Юри противоречила его пацифистским убеждениям. Еще более сложной ситуация стала во время Второй мировой войны, когда он присоединился к Манхэттенскому проекту по созданию первой атомной бомбы. Это обстоятельство мучило его всю жизнь, и в интервью 1961 года он сказал: “Я сожалею, что научные эксперименты – мои в том числе – привели к появлению такого ужасного оружия, как водородная бомба”.
После Второй мировой войны Юри оказался в Чикагском университете вместе с другими физиками, которые последовали за своим учителем Энрико Ферми – первым человеком, расщепившим атом. Теперь Юри мог заниматься более мирными вопросами. Он применил свои знания в области физики и химии к решению задач, которые ранее относились исключительно к сфере астрономии, геологии и палеонтологии. Вместе со студентом Стэнли Миллером он поставил эксперимент, показывавший, каким образом четыре миллиарда лет назад на Земле могли возникнуть первые строительные кирпичики живой материи. За открытие новой формы водорода Юри был удостоен Нобелевской премии по химии. Он был скромным человеком и предпочел не явиться в Стокгольм на церемонию вручения премии, а присутствовать при рождении дочери. Надо сказать, одна из его дочерей тоже стала знаменитым физиком, как и некоторые из его внуков.
Юри рассуждал о планетах и о жизни в необычном ключе, исходя из самых основ – из взаимодействий атомов и химических соединений. Мы видим кольца Сатурна, полосы и красные пятна на Юпитере и Землю с океанами, горами и живыми существами. Но в рассуждениях Юри живые существа и планетарные тела Солнечной системы сводились к химическим соединениям и атомам, перемещающимся из одной части системы в другую. По его мнению, для понимания Земли и ее истории необходимо было выяснить, как элементы перемещаются между океанами и воздухом, горами и земной корой.
Изыскания Юри в конечном итоге привели его к той же концепции, которую выдвинул Эбельман за сто с лишним лет до него. Юри и Эбельман предположили, что за длительное время устанавливается равновесие между процессами, сопровождающимися образованием и расходованием атмосферного углерода, – между источниками и стоками. Представьте себе мир без людей, который существовал на протяжении почти 4,56 миллиарда лет истории Земли. Что было главным источником углерода в атмосфере? В настоящее время непосредственным источником значительной части углерода в воздухе является человеческая деятельность, в том числе выхлопы автомобилей и самолетов, производственные процессы и сельскохозяйственные технологии, приводящие к выделению диоксида углерода и других парниковых газов. До появления человека эквивалентом дымовых и выхлопных труб были вулканы. Вулканы забирают жидкости и газы из земных недр и выбрасывают их на поверхность и в атмосферу. В этих газах углерод содержится в разной форме – от диоксида углерода до метана. Изучая активность современных вулканов, мы узнали, что вулканы могут выбрасывать ежегодно до 300 миллионов тонн диоксида углерода. И хотя это очень немного по сравнению с антропогенным вкладом, за счет которого углерода выделяется в сорок раз больше, по геологической шкале времени за миллионы лет вулканы смогли выбросить в атмосферу гигантское количество парниковых газов. Если бы этот процесс ничем не уравновешивался, содержание углерода в атмосфере достигло бы чрезвычайно высокого уровня, и температура стала бы слишком высокой и непереносимой для большинства земных форм жизни.
Если в долгосрочном плане вулканы являются источником атмосферного углерода, что служит стоком, позволяющим его удалять?
При попадании углерода в атмосферу запускается цепная реакция. В воздухе углерод из вулканов взаимодействует с водяными парами, образуя очень слабую угольную кислоту. Эта кислота недолго остается в воздухе – в виде водного раствора она выпадает на землю с дождем. Под действием кислотных дождей постепенно эродируют камни. В результате беспрестанного перемещения воды с суши в океаны на протяжении миллионов лет атмосферный углерод попадает в океаны вместе с молекулами из камней. Здесь углерод оседает на дно и оказывается в глубоких слоях земной коры. А потом он возвращается в атмосферу из земных недр при извержении вулканов. По современным оценкам, цикл одного атома углерода из глубин Земли в атмосферу, затем в океаны и вновь в недра Земли происходит за 100 миллионов лет.
Климат Земли определяется равновесием между повышением содержания углерода в атмосфере за счет таких процессов, как извержения вулканов, и его удалением из атмосферы с кислотными дождями и эрозией. При усилении вулканической активности в атмосфере оказывается больше углерода, и происходит потепление. Аналогичным образом любой механизм, влияющий на химическую эрозию горных пород, может уменьшать содержание углерода в атмосфере и снижать температуру на планете. Эрозия камней не только объясняет возникновение каньонов, долин и прибрежных скал – в долгосрочной перспективе она влияет на климат Земли. И все изменения, ускоряющие химическое разрушение гор на протяжении долгого времени (количество осадков, расположение континентов или топография суши), способствуют охлаждению планеты.
Если сегодня климат на планете зависит от вулканической активности, кислотных дождей и эрозии горных пород, в отдаленном прошлом тоже должна была существовать связь между этими геологическими процессами и температурой. В 1983 году трое ученых из Йеля, Университета Флориды и Университета штата Пенсильвания попытались это проверить. Роберт Бернер, Антонио Ласага и Роберт Гаррелс проанализировали геологические признаки вулканической активности, кислотных дождей, эрозии горных пород и других элементов долгосрочного цикла углерода за период от 500 миллионов лет назад до сегодняшнего дня. Измеряя такие показатели, как степень обнажения коренной породы, они определяли, сколько углерода было удалено в результате эрозии. Для оценки вулканической активности в разные периоды истории Земли они исследовали вулканические породы, бывшие когда‐то потоками лавы. В качестве показателя температуры на планете они использовали химический состав пород и окаменелости растений. Собрав все эти данные в очень содержательной статье, ставшей обязательным чтением для будущих геологов, исследователи построили модель для оценки временных изменений источников и стоков планетарного углерода. Они смогли в грубом приближении определять температуру на Земле на больших отрезках времени, зная скорость геологических процессов, подмеченных Юри и Эбельманом. Это была лишь первая приблизительная оценка, но стало понятно, что при наличии дополнительных данных нам удастся установить причины долгосрочных изменений климата на Земле в ключевые моменты отдаленного прошлого – в частности, в моменты обледенения.
Эбельман и Юри предполагали, что горы, атмосфера и океаны связаны между собой через цикл углерода. В 1846 году идея Эбельмана намного опередила время: тогда люди плохо представляли себе возраст Земли, не говоря уже о механизмах эрозии гор, и его предположение о содержании углерода в вулканических газах было лишь догадкой. Мир просто не был готов к восприятию этой гипотезы. Как если бы кто‐то в 1800‐е годы набросал проект смартфона: идея не может развиваться вне контекста. Эбельман скончался в возрасте 37 лет, на взлете научной карьеры.
При разборе запутанных криминальных дел часто рекомендуют “проследить за деньгами”. Чтобы найти причины потеплений и похолоданий в истории Земли, следует “проследить за углеродом”. Теории Эбельмана и Юри о перемещении углерода демонстрировали неожиданную связь между сушей, океанами и жизнью – и климатом. Через анализ этой связи мы сможем понять, почему наша планета на полюсах скована льдом.