Рецепт ледникового апокалипсиса: берёте планету, замораживаете — и добавляете щепотку соли по вкусу сверху

Примерно 720-635 миллионов лет назад Земля пережила один из самых суровых климатических эпизодов в своей истории. Планета вошла в состояние, которое геологи называют "Землей-снежком". Ледяные щиты тогда спустились от полюсов почти до тропиков, а океаны и суша оказались охвачены почти глобальным оледенением. Для современного взгляда такой мир выглядит почти невероятно, но у геологов есть вполне осязаемые следы того периода: в породах разных частей света сохранились признаки древних ледников там, где сегодня находятся низкие широты, далёкие от полярных областей.

Учёные давно пытаются понять, как Земля смогла так глубоко уйти в холод и почему замерзание оказалось настолько устойчивым. Самое известное объяснение связано с альбедо, способностью поверхности отражать солнечный свет. Снег и лёд очень светлые, поэтому они отражают большую часть падающего излучения обратно в космос. Чем шире распространяется ледяной покров, тем меньше тепла поглощает планета. Из-за этого похолодание начинает само себя усиливать: лёд расширяется, отражение растёт, нагрев ослабевает, а холод закрепляется ещё сильнее.

Новая работа, опубликованная в Climate of the Past, добавляет к этой картине ещё один возможный механизм. Исследователи предположили, что на ранней стадии глобального оледенения Земле могла дополнительно помогать соль, которая выделялась из морского льда и оставалась на его поверхности. Такой процесс до сих пор почти не учитывали в моделях древнего климата, хотя физика у него вполне понятная.

Когда морская вода замерзает, лёд не становится полностью пресным. Соль плохо встраивается в кристаллическую структуру льда, поэтому основная её часть вытесняется. Часть остаётся в виде карманов рассола, то есть очень солёной жидкости внутри ледяной массы. При холодной и сухой погоде такая соль может кристаллизоваться. Если потом верхний слой льда постепенно исчезает не через таяние, а через сублимацию, солевой остаток оседает сверху.

Сублимация означает прямой переход из твёрдого состояния в пар, без жидкой стадии. В быту похожий процесс можно увидеть зимой, когда снег понемногу исчезает даже на морозе, если воздух сухой. Для древней Земли такой механизм особенно важен, потому что огромные площади морского льда могли оставаться открытыми и напрямую взаимодействовать с атмосферой.

Авторы работы предполагают, что на поверхности такого льда могла формироваться светлая соляная корка. А соль, как и снег, хорошо отражает солнечный свет. В результате планета получала ещё один слой с высокой отражательной способностью. Чем больше света возвращалось в космос, тем слабее нагревалась поверхность. Дальше цепочка снова шла по нарастающей: больше холода, больше льда, больше условий для накопления солевого остатка.

Чтобы проверить, насколько такой эффект вообще может повлиять на климат, исследователи из Арктического университета Норвегии, UiT, построили упрощённую климатическую модель. В неё добавили соляно-альбедную обратную связь и посмотрели, как система будет вести себя на раннем этапе перехода от более тёплого климата к почти полной заморозке.

Расчёты показали, что после включения этого механизма похолодание усиливалось быстрее. Соль в модели не запускала глобальное оледенение сама по себе, но помогала уже начавшемуся процессу идти дальше. Получается, что одного льда могло быть недостаточно для объяснения всей глубины замерзания, а солевой налёт на поверхности, возможно, подталкивал климат в сторону ещё более сурового состояния.

Ещё интереснее выглядел выход из такого режима. В сценариях с соляной коркой для возвращения к более тёплому климату требовалось большее потепление, чем в расчётах без этого эффекта. Иными словами, если поверхность древней Земли покрывалась не только льдом, но и светлой солью, такая система становилась устойчивее к оттаиванию.

Гипотеза выглядит правдоподобной ещё и по другой причине. Солёность океана вообще сильно влияет на климат Земли: от неё зависят плотность воды, морская циркуляция и перенос тепла. Более ранние исследования уже показывали, что различия в солёности могут менять вероятность входа планеты в состояние глобального оледенения и выхода из него. Новая работа уточняет картину: важна не только соль, растворённая в воде, но и та, что может накапливаться прямо на поверхности льда.

У идеи есть и экспериментальная опора. Лабораторные и полевые наблюдения уже показывали, что солёный лёд в ряде условий отражает свет очень эффективно, иногда сильнее обычного льда или снега. Но в климатические модели далёкого прошлого такой эффект почти не включали. Из-за этого прежние расчёты могли недооценивать, насколько яркой и отражающей становилась поверхность Земли по мере роста ледяного покрова.

При этом авторы не утверждают, что нашли окончательное объяснение для Земли-снежка. Работа остаётся первым шагом. Пока неясно, могли ли на древней планете действительно возникать большие и устойчивые соляные отложения на поверхности льда и как долго они сохранялись бы в реальных условиях. На климат влияют облака, ветер, перенос влаги, движение льда, трещины и множество других факторов, которых в упрощённой модели нет.

Следующий этап очевиден: более сложные климатические модели должны проверить, останется ли эффект заметным, если добавить атмосферную циркуляцию, облачность, динамику ледяного покрова и другие процессы. Только после этого станет понятнее, была ли соляная корка важным участником древнего оледенения или лишь второстепенной деталью.

В более широком смысле работа помогает лучше понять не только один эпизод далёкого прошлого, но и саму логику климатической системы. События типа Земли-снежка, как считают исследователи, происходили в неопротерозое не один раз. Неопротерозой охватывает промежуток примерно от 1 миллиарда до 538 миллионов лет назад и известен резкими климатическими колебаниями. Такие периоды могли влиять и на условия, в которых развивалась ранняя жизнь. Чем точнее учёные разбирают механика древних оледенений, тем лучше становится видно, как планета реагирует на сочетание нескольких взаимно усиливающих процессов. В новой работе к хорошо известной связке льда и альбедо добавился ещё один возможный участник, соль, оставшаяся на поверхности морского льда после его постепенного испарения в холодной и сухой атмосфере.