Окаменелые капли дождя рассказали историю атмосферы Земли

Следы дождя, шедшего примерно 2,7 миллиарда лет назад, были обнаружены на куске вулканического туфа в Южной Африке. Благодаря этой находке, учёные из университета Вашингтона (University of Washington) смогли узнать много нового об атмосфере древней Земли и сделали шаг к разгадке удивительного климатического парадокса.

Известно, что возраст нашей планеты составляет примерно одну треть возраста Вселенной. Земля образовалась 4,54 миллиарда лет назад, когда Солнце было молодым и менее ярким. Согласно современной теории звёздной эволюции, наше светило излучало на 30% меньше энергии, чем сегодня. В этих условиях древняя наша планета должна была представлять собой Землю-снежок — полностью покрыта снегом и льдом, и ранние формы жизни (анаэробные бактерии) не появились бы.

Вместе с тем, исследователи располагают многочисленными доказательствами того, что 2,7 миллиарда лет назад во время позднего архея климат нашей планеты был мягкий, а вода существовала в жидком виде. Это противоречие между палеоклиматическими и астрофизическими данными известно под названием Парадокс слабого молодого солнца.

Считается, что Земле помогала согреваться особая, очень плотная, атмосфера или высокая концентрация парниковых газов.

«Нам известно, что солнце светило значительно слабее. И если бы атмосфера планеты была такой же, как сегодня, Земля была бы просто замороженной», — рассказывает ведущий исследователь Санджой Сом (Sanjoy Som), астробиолог из исследовательского центра Эймса.

Длительное время из-за отсутствия данных о составе древней атмосферы, попытки объяснить парадокс оставались лишь теорией. По этой причине обнаружение окаменелых отпечатков дождевых капель заинтересовало исследователей.

Учёные предположили, что если теория о плотной атмосфере верна, то скорость падения капель древнего дождя должна быть ниже, а отпечатки — меньше аналогичных современных.

Чтобы определить силу удара капли, достаточно измерить диаметр её следа в камне. Что исследователи и сделали. Сначала они сделали слепки древних отпечатков капель. Затем им необходимо было сравнить полученные результаты с размером отпечатков капель, падающих в условиях современной атмосферы.

Американцы не стали дожидаться реального дождя и провели эксперимент в лаборатории: капли воды разного размера они направили с высоты 30 метров на лоток с вулканическим пеплом, собранным на Гавайских островах и в Исландии и имеющим тот же состав что и найденный в Южной Африке.

Полученные результаты показали, что если бы самые крупные капли оставляли самые большие отпечатки, то плотность воздуха 2,7 миллиарда лет назад должна была составлять 2,3 кг/м3. (Для сравнения: современный показатель равен 1,2 кг/м3.) Однако самые крупные капли дождя встречаются крайне редко, а это означает, что в реальности плотность древней атмосферы была ниже, вплоть до 1,3 кг/м3.

Получается, парадокс слабого молодого солнца нельзя объяснить плотной атмосферой Земли в прошлом. Получается, что дело могло быть в парниковых газах, влиянию которых на состояние современного климата уделяется так много внимания.

«Определение показателей плотности атмосферы того времени — это первый шаг на пути к пониманию, каков был климат миллиарды лет назад, — считает Сом. — Между древней Землёй и современной — большая разница».

Учёные также отмечают, что исследование древнего климата расширит наше представление о возможностях зарождения жизни на других планетах.