Лед и пламя: что на самом деле устроило крупнейшее вымирание в истории Земли

Недавно мы опубликовали новость о том, что возможной причиной Великого вымирания было горение угля в Сибири. Разные научные группы имеют разные взгляды на причины тех или иных событий. Авторы новой работы в журнале Geology — сторонники точки зрения, что крупнейшее вымирание в истории случилось из-за потепления.

Однако мы посчитали необходимым обратить внимание читателя на принципиально другую, противоположную точку зрения — сформулированную в статье из Scientific Reports от 2017 года.

Ниже мы покажем, что считаем вторую точку зрения ближе к истине не просто потому, что она вышла в более престижном научном журнале, а потому, что она менее противоречит всем накопленным на сегодня научным данным о величайшей трагедии в истории земной жизни. Итак, к сути.

В отложениях, датирующихся примерно 251,9 миллиона лет назад, по всему миру заметно очень необычное явление — почти полное исчезновение любых органических останков. От находок следов животных и растений до банального угля. Такие «пустые» слои означают вымирание, и после 251,9 миллиона лет назад следует самый толстый «пустой» слой в истории.

Когда на его место приходит более «живой» слой, в нем уже не встречаются более 90% всех морских видов и более 70% всех наземных видов — тех, что были до «пустого» слоя. Вымерло даже более 80% видов насекомых — обычно наиболее устойчивых к разного рода катастрофам.

Это титаническое по своему размаху событие называют Пермским вымиранием, а в англоязычным мире часто и «Великим вымиранием». На его фоне даже гибель динозавров 66 миллионов лет назад кажется чем-то сравнительно легким и неразрушительным.

Экстраординарному событию должны соответствовать экстраординарные причины. Минерал кальцит из времени вымирания показывает, что концентрация СО2 в атмосфере тогда подпрыгнула до 2000 частей на миллион — почти в пять раз выше, чем сегодня. Вдобавок геологи обнаружили, что Сибирские траппы изливались именно в то время. Их объем не ниже миллиона кубических километров. То есть для образования этого нагромождения скальных пород требовалось излияние квадриллионов тонн лавы.

В мире нет других траппов таких же больших размеров. Соответственно, около 252 миллионов лет назад в истории Земли случилась крупнейшая серия вулканических извержений. Да еще и установилось высокое содержание СО2. Из этого сразу несколько научных групп сделали казавшийся единственным возможным вывод: в Величайшем вымирании виноваты вулканы. Они выбросили в атмосферу рекордно много углекислого газа. Он перегрел Землю (примерно на восемь градусов) и уничтожил почти все крупные виды живых существ на ней.

И вот, как мы уже писали, теперь к этой гипотезе добавлен другой логичный штрих. Как говорилось в соответствующей новости, оказалось, в лаве, поднимавшейся вверх с извержениями, немало частично сгоревшего угля. Мощные извержения буквально выворачивали угольные пласты наружу, уголь сгорал, его пепел поднимался высоко в воздух и доносился как минимум до Канады.

Авторы описывающей это работы (среди них есть и ученый из МГУ) проводят однозначные параллели между Пермским вымиранием и современностью. Как и сегодня, тогда сжигалось огромное количество ископаемого топлива, а вслед за этим должны были идти кислотные дожди (серные примеси в угле дают диоксид серы). Упоминают и случившееся в далекую эпоху уничтожение озонового слоя.

Ведущий автор статьи даже утверждает: «Наблюдая такого рода сходство, мы должны приложить дополнительные усилия к тому, чтобы действовать сейчас» — то есть бороться с явлениями вроде массового сжигания топлива.

Получается, развитая биосфера пермского периода в основном погибла из-за того, что Земля погрузилась в пламя угольных пожаров и разливы лавы вулканов? Как мы покажем ниже, не все так просто.

Что в нашу эпоху холодит, в ту — нагревало?

Первое, что обращает на себя внимание в сценарии «во всем виноваты вулканы», — то, что сегодня никакое извержение к потеплению не ведет. После извержения Пинатубо в 1990-х температура на планете упала. После извержения Кракатау и Тамборы в XIX веке — тоже. Причем от последней похолодание было таким сильным, что в Европе случился неурожай от холода. Взрыв вулкана Уайнапутина в начале XVII века привел к тому, что в средней полосе России три лета подряд гиб урожай. Голод убил значительную часть населения страны.

Физический механизм тут предельно ясен. При извержении в стратосферу попадают вулканические пепел и диоксид серы. И то и другое эффективно поглощает солнечное излучение днем, а охлаждаясь ночью, легко отдает полученное тепло обратно в космос. Тропосфера, из которой тепло теряется намного слабее, при этом охлаждается.

Как же так вышло, что 251,9 миллиона лет назад все было совсем не так? Отчего вулканы, всегда ведущие к похолоданию, внезапно привели к потеплению только в тот раз?

Финальная часть этой загадки — ультрафиолет. Целый ряд ископаемых спор периода вымирания не имеют нормального разделения и встречаются в комках по четыре штуки. Такое бывает, если развитие растения нарушено высоким ультрафиолетом B (длина волны — 280-315 нанометров). Значит, говорят сторонники традиционного сценария, был разрушен озоновый слой. Это логично: вулканические выбросы содержат ряд соединений, которые действительно разрушают молекулы озона.

Но выше мы сказали, что вулканы, извергаясь, выбрасывают много диоксида серы. Один из пиков поглощения (так называют часть электромагнитного спектра, которую это вещество поглощает лучше всего) у него приходится как раз на ультрафиолет В. Причем, если озона в атмосфере всего три миллиарда тонн, диоксида серы при извержениях лавы может выделиться много больше, а оседает он из стратосферы довольно медленно. Откуда на Земле того периода взялся избыток ультрафиолета?

Почему при потеплении больше всего видов сохранилось в тропиках

Вторая загадка вулканического сценария видна на иллюстрации выше. Излияние лавы и горения угля случились в Сибири, которая в Северном полушарии. Между тем морские виды меньше всего пострадали в тропиках Северного полушария: в южных тропиках видов сохранилось заметно меньше. Отчего так?

Извержения вулканов тех масштабов, что были в пермском периоде, дают много галогенов (например, хлор, йод и бром), которые не только уничтожают озон, но и напрямую отравляют живые существа. Почему поближе к Сибири, в Северном полушарии, вымирание было слабее?

Еще более странно то, что меньше всего морских видов сохранилось близ полюсов. Да, там температура воды поднялась сильнее всего — на 15 градусов, а в тропиках лишь на 10-12. Но дело в том, что у полюсов исходная температура морей была на несколько градусов ниже, чем в тропических водах. То есть абсолютные значения температур там оказались все равно не выше, чем в тропиках.

По современному быстрому смещению теплолюбивых морских видов к полюсам (на шесть километров в год) мы знаем, что живые существа во время глобального потепления способны в считаные десятки лет мигрировать в теплеющие зоны. В теории, если пермское вымирание вызвано взлетом температур, тропические виды должны были устремиться на север и юг. Почему же большинство выживших видов вместо этого видны в тропиках, а не на севере?

Почему всплеск СО2 и потепление вообще могли привести к вымиранию

Третья проблема вулканической теории вымирания — концентрация СО2. Нет ни одной научной работы, которая бы уверенно утверждала, что в эпоху пермского вымирания углекислого газа в воздухе было значительно выше 2000-3000 частей на миллион. Между тем достоверно известно, что около 55 миллионов лет назад, во время палеоцен-эоценового температурного максимума, концентрация СО2 точно была не ниже этих значений.

Средняя температура на планете тогда тоже поднялась на восемь градусов (до средней в 23 °C ) — примерно до того же уровня (~24 °C) она выросла в конце пермского периода.

Однако в палеоцен-эоценовом максимуме никакого вымирания не было. На самом деле, все было наоборот: число новых видов, встречающихся в геологических отложениях, резко возросло. Причины этого понятны: чем больше в атмосфере СО2, тем интенсивнее растут растения, тем больше их биомасса. Животные питаются растениями, отчего их биомасса тоже увеличивается.

Более того, при действительно высоком СО2 на Земле не бывает пустынь. Ведь потепление увеличивает испарение из океанов, что дает больше осадков, а высокая концентрация углекислого газа позволяет растениям меньше открывать устьица листьев для дыхания. От этого через устьица уходит меньше влаги — и потребность растительности в ней падает. Нет вообще никаких данных, что в палеоцен-эоценовом максимуме на планете были пустыни.

Почему потепления нигде, кроме Пермского вымирания, не привели к массовому исчезновению видов?

Потепление или похолодание: вопрос датировки

В 2017 году в Scientific Reports вышла очень интересная статья. Группа швейцарских ученых на материале китайских ископаемых пород выяснила: в действительности пропажа из отложений следов сложной жизни случилась не 251,9 миллиона лет назад, а на несколько десятков тысяч лет раньше.

Казалось бы, что меняют десятки тысяч лет на фоне сотен миллионов? Как ни странно, все. Дело в том, что в момент, полученный новой датировкой, море не наступало — как 251,9 миллиона лет назад, как это и бывает при сильных потеплениях, — а отступало.

У моря нет сливного отверстия: оно может отступать только в одном случае. И случай этот — похолодание, ведущее к образованию ледников. Выходит, вымирание произошло не во время повышения температур, а во время их понижения.

«Общепринятое утверждение, что Пермское массовое вымирание произошло «во время повышения уровня моря…» невозможно защищать в свете нашей датировки», — подытожили в 2017 году швейцарцы.

За три прошедших с тех пор года никто даже не попробовал опровергнуть их датировку. Оно и понятно: авторы использовали геологические образцы из многих районов и применяли весьма надежную уран-свинцовую методику установления даты образца.

Мысленно вернемся к началу нашего текста. Возникает вопрос: почему авторы новой работы в Geology не учли результаты более ранней статьи в Scientific Reports или, если они считают ее неверной, не оспорили?

Причины могут быть двух типов. Во-первых, современные ученые часто замкнуты в пузыре своей специализации так сильно, что действительно не читают статьи, которые кажутся не касающимися их интересов.

Во-вторых, если работа одной научной группы противоречит работе другой научной группы и при этом ее сложно раскритиковать — то часто вторая научная группа просто не упоминает работу первой в своем анализе. Такое, к сожалению, тоже часто встречается: достаточно вспомнить хотя бы авторов, все еще пишущих про мегаимпактную гипотезу образования Луны.

Из более ранней даты вымирания вытекает совсем иная общая картина событий. Вначале стало холоднее, море отступило, органические останки стали очень редки (вымирание). Затем, как пишут авторы, «углекислый газ из Сибирских траппов и сгоревшего там угля обеспечили постепенное потепление и наступления моря». Но оно уже не было причиной вымирания: после него количество органических осадков не показывает уменьшения.

Новая дата гибели живого значительно проясняет три проблемы, что мы указали выше. Действительно, не надо удивляться, почему в наше время извержение вулканов ведет к похолоданию, а тогда привело к потеплению. Выходит, и примерно 252 миллиона лет назад вулканические извержения сделали мир холоднее своими выбросами, что и погубило множество видов.

Неудивительно и то, почему больше всех видов сохранилось в тропиках. Когда виды гибнут от снижения температур, проще всего выжить там, где теплее всего. Сам собой снимается и вопрос о том, почему потепление обычно не ведет к вымиранию, а тогда привело: выходит, и тогда не привело.

В период извержений вулканов после вымирания из-за похолоданий на Земле должен был быть такой дефицит жизни, что связывать СО2, превращая его в биомассу, было особо некому. Это способствовало дальнейшему накоплению углекислого газа в атмосфере — вплоть до достижения очень высоких значений — и постепенному потеплению, даже несмотря на выбросы диоксида серы.

Но, к сожалению, решив эти вопросы, швейцарская датировка оставила другие.

Так что же все-таки убило пермскую биосферу

Теперь мы знаем, как произошло Величайшее вымирание (еще одно англоязычное название события). Налицо классическая картина: ниже температура, сложнее прокормиться, сложнее выжить.

Но непонятного по-прежнему больше. Из имеющихся данных очень трудно понять, насколько именно упала температура. Но очевидно, что сильнее, чем при вымирании динозавров: ведь тогда, 66 миллионов лет назад, более 80% видов насекомых не вымерли. Раз пермское вымирание сильнее всех остальных, то и похолодание при нем должно было быть рекордным.

Только вулканический сценарий такого сильного и быстрого похолодания представить крайне сложно. Вулканической активности на Земле уже миллиарды лет, но вот данных о том, что она вдруг взяла и вызвала крайне быстрое снижение температур, нужное для массового вымирания, ни для какой другой эпохи не наблюдается.

Этому есть причины: любое извержение вулканов растянуто во времени. Плюс, кроме охлаждения планеты диоксидом серы и пеплом, вулканы одновременно выбрасывают много углекислого газа, который, наоборот, планету согревает. Значит, массово уничтожить виды вулканическим похолоданием довольно сложно.

И опять остается неясным, отчего извержения были в Северном полушарии, а вымирание видов сильнее было в Южном. Воздух насыщеннее всего вулканическим пеплом в том полушарии, где он извергается. В Южном полушарии тогда никаких вулканических траппов не образовалось. Очевидно, вымирание было от похолодания, но почему тогда оно было сильнее вдали от причины этого похолодания?

Ответ подо льдами Антарктиды?

В начале XXI века радары и гравиметрические измерения подтвердили существование под Землей Уилкса (Антарктида) очень странного образования. Это аномальная концентрация плотных пород диаметром в примерно 300 километров, находящаяся внутри кратера диаметром в 480 километров.

Конечно, аномальная концентрация плотных пород не означает, что сам астероид был 300 километров в диаметре. Он явно был заметно меньше, вряд ли более 20 километров. Но и этого было слишком много.

Чтобы понять, о чем речь, напомним: Чиксулубский кратер, оставленный десятикилометровым астероидом 66 миллионов лет назад у берегов Юкатана (ныне Мексика), имеет диаметр всего в 180 километров. То есть «воронка» от того, что образовало кратер Земли Уилкса, в 2,66 раза больше, чем от того, что погубило динозавров (точнее, как мы уже писали, часть динозавров, тысячи их видов все еще живут вокруг нас).

Антарктический подледный кратер исследовать сложно: над ним более километра льда. Поэтому точный его возраст неизвестен. Можно лишь сказать, что он не старше 500 миллионов лет, потому что иначе тектоника плит уже ликвидировала бы аномальную концентрацию плотных пород, оставленную астероидом.

Дальше несложно воспользоваться логикой. Если Чиксулубский кратер в 2,66 раза меньше, но событие, его образовавшее, привело к массовому вымиранию и обновлению биосферы, то кратер Земли Уилкса должен был дать вымирание намного масштабнее, чем в конце эпохи динозавров. Однако за последние 500 миллионов лет было только одно вымирание, однозначно превосходящее мел-палеогеновое (66 миллионов лет назад). И это единственное «сверхвымирание» — именно пермское.

Сам собой напрашивается вывод, что именно астероид, оставивший кратер Земли Уилкса, привел к резкому похолоданию, погубившему всех крупных животных того времени.

Извержение Сибирских траппов, уникальное по своему размаху, тоже могло быть вызвано им. Целый ряд ученых поддерживают теорию, что сильные астероидные удары должны давать схождение ударных волн в точке, лежащей на противоположной стороне Земли. 252 миллиона лет назад точка, где находится кратер Земли Уилкса, лежала напротив места излияния Сибирских траппов.

Выходит, ничего аномального в крупнейшей серии вулканических извержений в известной истории планеты нет. Какой ударный инструмент — такой и след от него. Рекордно большому ударному кратеру должна соответствовать рекордно большая зона излияний лавы.

Астероидное объяснение пермского вымирания упрощает ответ на вопрос «почему больше всего видов выжило в северных тропиках?». Астероид ударил в очень низких широтах Южного полушария, то есть его действие на Северное могло быть заметно меньшим.

Заметная проблема астероидного объяснения пока только одна: чтобы ее подтвердить окончательно, нужно исследовать сам кратер или найти следы выброшенного им материала в остальной Антарктиде. Но и кратер, и континент покрыты километрами льда, отчего обнаружить «вещественные доказательства с места преступления» здесь очень сложно.

Можно искать следы выброшенного материала в Трансантарктических горах, которые возвышаются надо льдами.
Но есть нюанс: исследовать горы на этом континенте очень сложно. Там холодно, а посылать экспедиции дорого. Да и сами эти горы испытали сильный подъем в последнюю сотню миллионов лет, и насколько там вообще сохранились нетронутые слои времен пермского вымирания — не всегда понятно.

Пока же остается лишь констатировать, что астероидная версия катастрофы противоречит известным науке фактам в наименьшей степени. Она объясняет и похолодание, неизбежное из-за астероидной зимы, и Сибирские траппы, и относительно слабое вымирание в северных тропических морях.

Снимает она и вопрос о причинах уникальности пермской катастрофы. Если бы она была вызвана обычным земным вулканизмом, то не могла бы не повториться еще раз: вулканы на Земле извергаются во все эпохи. Но если дело в астероиде, оставившем кратер в полтысячи километров, то Великое вымирание закономерно должно быть крупнейшим. Ведь и астероид, который его вызвал, обязан был быть крупнейшим, ударившим Землю в обозримом прошлом.

Что из этого следует

С одной стороны, астероидное объяснение пермской катастрофы звучит успокаивающе. Выходит, на Земле — без толчка извне — не может начаться такая серия вулканических извержений, которая покончит с существующей сложной жизнью. Да и беспокоиться по поводу того, что глобальное потепление всех нас уничтожит, тоже не приходится.

На этом успокаивающие новости кончились. Сам факт того, что планету может ударить тело, образующее воронку диаметром в 480 километров, означает: человечество пока заметно недооценивает астероидную угрозу. Конечно, такой крупный астероид, что создал кратер Земли Уилкса, не может свалиться на голову неожиданно: его будет видно астрономам заранее.

Но достаточно ли заранее, чтобы успеть помешать его столкновению с Землей? Особенно если он будет межзвездным путешественником типа кометы Борисова — таким, появление которого рядом с нашей планетой можно предсказать лишь за считаные месяцы до столкновения.