Земля снова станет единым континентом: геофизики показали карту планеты через 250 млн лет

Континенты, которые на географических картах кажутся неподвижными, находятся в непрерывном перемещении. Земная кора разбита на жесткие литосферные плиты. Они скользят по более мягким и горячим слоям мантии со скоростью в несколько сантиметров в год. За геологическую историю планеты эти массы суши неоднократно сталкивались, слипаясь в гигантские массивы — суперконтиненты, а затем снова раскалывались.

Последний суперконтинент, Пангея, возник около 310 миллионов лет назад и начал распадаться примерно 180 миллионов лет назад. В результате его распада образовался Атлантический океан, который продолжает расширяться и сегодня. Земля сейчас находится примерно на середине очередного тектонического цикла.

Долгое время в геологии преобладало мнение, что в будущем планету ждет один из двух путей: либо Атлантика продолжит расти и уничтожит древний Тихий океан, либо Атлантика повернет вспять и закроется сама.

Новые исследования геофизиков из Лиссабонского университета под руководством Жоао Дуарте показывают, что реальный сценарий сложнее. Физические свойства океанического дна требуют одновременного закрытия обоих крупнейших океанов планеты. На их месте через 250 миллионов лет на экваторе сформируется новый суперконтинент — Аурика. А совместные климатические расчеты ученых с лабораторией NASA GISS объясняют, как эта перестройка полностью изменит тепловой баланс Земли.

Механика океанического дна: почему старая плита не может утонуть

Жизнь океанического бассейна описывается циклом Уилсона. Океан рождается в рифтовой трещине на суше, растет за счет излияния лавы в срединных хребтах, затем достигает зрелости и начинает уменьшаться, когда его края начинают уходить в глубины мантии. Этот процесс погружения одной плиты под другую называется субдукцией.

Субдукция — главный двигатель тектоники плит на Земле. Но в том, как именно она начинается, кроется фундаментальная физическая проблема.

Океаническая литосфера (твердая внешняя оболочка планеты, состоящая из коры и верхнего слоя мантии) формируется горячей на оси срединно-океанического хребта. По мере движения в стороны от хребта плита остывает и отдает тепло через дно океана.

Остывая, порода сжимается и становится плотнее. Примерно через 10-20 миллионов лет после выхода из хребта средняя плотность океанической плиты превышает плотность астеносферы — лежащего под ней слоя полурасплавленной мантии. Разница плотностей составляет около 40 килограммов на кубический метр. Возникает сила тяжести, направленная строго вниз: холодное океаническое дно стремится погрузиться вглубь мантии.

Однако именно здесь вступает в силу обратный механический фактор.

Остывание приводит к тому, что океаническая плита становится значительно толще и жестче. Чем старше плита, тем выше ее механическая прочность на излом. К возрасту 80-100 миллионов лет отрицательная плавучесть плиты достигает максимума, но ее прочность увеличивается настолько, что она не может сломаться под собственным весом у края континента.

Берега Атлантического океана ученые называют пассивными континентальными окраинами. Здесь плита дна океана плотно спаяна с плитой материка (например, с восточным берегом Северной Америки или западным берегом Европы). Сил тяжести самой плиты недостаточно, чтобы преодолеть сопротивление пород и разорвать этот контакт. Плита оказывается заперта в метастабильном состоянии: она тяжелее среды под ней, но прочность удерживает ее на поверхности.

Чтобы запустить процесс погружения на пассивной окраине, требуется огромное внешнее механическое усилие. Сама по себе Атлантика не может начать опускаться в мантию.

Инвазия субдукции: перемещение разломов в Атлантику

Если плита не может разрушиться самостоятельно, разлом должен прийти со стороны. В геодинамике этот процесс получил название инвазии субдукции.

Зоны субдукции не остаются привязанными к одной географической точке. Когда тяжелый край океанической плиты (слэб) уходит в мантию, он тянет за собой остальную часть плиты. При этом сам глубоководный желоб, отмечающий линию перегиба плиты, постепенно отступает в сторону океана. Этот процесс называется откатом слэба. Если на пути отступающего желоба есть свободное пространство, зона субдукции начинает продвигаться в соседние водные бассейны.

В Атлантическом океане уже зафиксировано три точки, где зоны субдукции проникают извне:

1. Дуга Скоша на крайнем юге. Она сформировалась в результате движения тихоокеанских структур через пролив между Южной Америкой и Антарктидой.
2. Малая Антильская дуга в Карибском море. Она также зародилась в Тихом океане и затем продвинулась на восток, в Атлантику, сквозь разрыв между континентами Северной и Южной Америки.
3. Гибралтарская дуга на востоке. Это остаток зоны сжатия древнего океана Тетис, возникший в ходе сближения Африканской и Евразийской плит.

Решающие события происходят именно в районе Гибралтара. Долгое время считалось, что движение здесь прекратилось. Однако исследования дна у юго-западной окраины Португалии выявили обратное.

Вдоль подводной возвышенности Горриндж и равнины реки Тежу сформировался непрерывный фронт надвигов протяженностью 300 километров. Разломы проникают сквозь всю земную кору в верхнюю мантию на глубину до 60 километров. Регулярные сильные землетрясения на этой линии — включая разрушительное Лиссабонское землетрясение 1755 года и землетрясение 1969 года — показывают, что сжатие между Африкой и Евразией ломает прочную океаническую плиту Атлантики.

Гибралтарская зона субдукции продвигается на запад, в открытый океан. Как только глубина погружения океанической плиты превысит порог примерно в 180 километров, вес опустившейся части плиты превысит силы сопротивления пород. С этого момента начнется непрерывное самоподдерживающееся затягивание дна Северной Атлантики в мантию Земли. Пассивная окраина превратится в активную.

Геохронологический парадокс: почему погибнут оба океана

Анализ устойчивости океанического дна привел геологов к пересмотру устоявшихся взглядов на суперконтинентальный цикл.

До работы группы Дуарте существовали две основные гипотезы:

• Модель экстроверсии (Новопангея). Атлантический океан продолжает расти. Тихий океан, дно которого уже со всех сторон уходит в зоны субдукции, сжимается и исчезает. Америка сталкивается с Азией.
• Модель интроверсии (Пангея Проксима). Рост Атлантики останавливается. Молодые зоны субдукции заставляют Атлантический океан закрыться, соединяя Америку обратно с Африкой и Европой, тогда как Тихий океан сохраняется.

У обеих моделей есть общий недостаток: они требуют существования океанической коры аномально большого возраста.

В настоящее время средний возраст дна Мирового океана составляет 60 миллионов лет. Максимальный возраст пород океанического дна, сохранившихся на планете, не превышает 180-200 миллионов лет. Более древней океанической коры на Земле практически нет.

Причина проста: через 200 миллионов лет непрерывного охлаждения океаническая литосфера становится чрезмерно плотной, глубоко растрескивается под воздействием тектонических сил и пропитывается циркулирующей морской водой. Вода запускает химические реакции изменения базальтов и перидотитов (в частности, серпентинизацию), что резко снижает общую механическую прочность плиты на изгиб.

Если бы реализовался сценарий Новопангеи, Атлантический океан должен был бы расти еще как минимум 300 миллионов лет, пока медленно закрывается обширный Тихий океан. Но текущий возраст Атлантики уже составляет около 200 миллионов лет. Спустя еще 300 миллионов лет возраст ее коры достиг бы 500 миллионов лет. Существование столь древней, тяжелой и толстой океанической плиты на подвижной мантии физически невозможно: она неизбежно начнет разрушаться и уходить на глубину.

С другой стороны, в Тихом океане зоны субдукции уже поглощают сами срединно-океанические хребты, а противолежащие желоба сближаются между собой. Это делает сохранение Тихого океана столь же маловероятным.

Из законов механики твердой Земли следует вывод: Тихий и Атлантический океаны должны закрыться одновременно.

Раскол Евразии и рождение Аурики

Если с лица планеты исчезают сразу два крупнейших океана, их совокупная площадь должна чем-то компенсироваться. Земля не уменьшается в размерах: сокращение одних океанических бассейнов требует пропорционального расширения других.

Таким компенсационным бассейном станет новый сверхокеан, который объединит современный Индийский и Южный океаны. Но для его роста требуется разделение материков.

Геологи рассчитали вероятную траекторию нового континентального раскола. Коллизия Индии и Евразии привела к формированию высочайшего Тибетского нагорья. В толще коры здесь накоплена избыточная потенциальная энергия сжатия. По мере остывания и отслаивания тяжелого мантийного корня этой горной системы плато начнет разрушаться под собственным весом.

Гравитационный коллапс Тибета породит зону растяжения земной коры. Трещина пойдет по пути наименьшего сопротивления пород — через древние геологические швы. Разлом протянется от Индийского океана на север, пересечет Азию через Байкальскую рифтовую зону и соединится с центром спрединга дна в Северном Ледовитом океане (хребтом Гаккеля).

Евразийский массив расколется на две независимые плиты:

• Западная часть (Европа и западная Россия) объединится с Африкой в массив Еврафрика;
• Восточная часть отойдет в сторону формирующегося Тихоокеанского сжатия.

В результате на планете через 250-300 миллионов лет останется один материковый блок — Аурика. В его ядре будут зажаты Австралия и обе Америки. Этот единый массив суши расположится практически симметрично вдоль линии земного экватора.

Климат новой Земли: компьютерные расчеты NASA

Чтобы выяснить, пригодна ли будет такая планета для жизни, климатологи Майкл Уэй и его коллеги из Центра космических полетов имени Годдарда провели расчеты на глобальной климатической модели ROCKE-3D. Эта трехмерная модель учитывает сложные связи между атмосферой, океаническими течениями, топографией суши и морским льдом.

При моделировании климата столь отдаленного будущего нельзя использовать современные астрономические параметры. Ученые ввели два критических изменения:

1. Рост яркости Солнца. Согласно стандартной звездной теории, звезды главной последовательности с течением времени медленно нагреваются по мере выгорания водорода в ядре. Через 250 миллионов лет поток солнечной энергии (инсоляция) на орбите Земли вырастет на 2,6% — с нынешних 1361 Вт/м² до 1396,4 Вт/м².
2. Удлинение суток. Гравитационное взаимодействие с Луной вызывает приливы, которые тормозят вращение Земли вокруг своей оси. В эпоху суперконтинента океанические бассейны потеряют условия для приливного резонанса, темп замедления снизится вдвое, однако за 250 миллионов лет земные сутки все равно станут длиннее примерно на 30 минут и составят 24,5 часа.

Климатологи сравнили два кардинально разных тектонических сценария:

• Аурику, где суша собирается низкоширотным поясом на экваторе;
• Амазию, альтернативный сценарий, в котором почти все континенты дрейфуют на север и плотно блокируют Северный полюс, а Антарктида остается на Южном.

Расчеты показали: положение континентов меняет распределение тепла на планете радикальнее, чем возросшая яркость Солнца.

Физика планетарного перегрева

Сравнение двух миров объясняет работу климатических механизмов глобального масштаба.

В сценарии Амазии континенты блокируют приполярные широты. Отсутствие глубоких океанов на полюсах исключает перенос тепла течениями из низких широт. На возвышенностях северной суши формируются постоянные очаги снегопадов.

Чистый снег и лед обладают высоким альбедо — способностью отражать свет: они возвращают до 80-90% падающей солнечной энергии обратно в космос. Возникает прямая положительная обратная связь: чем холоднее становится на континенте, тем больше снега на нем выпадает, тем больше энергии отражается в космос и тем сильнее падает температура. В результате Амазия, несмотря на более горячее Солнце, остается прохладной планетой со средней температурой около 16,9 °C и мощными полярными ледяными шапками.

В сценарии Аурики ситуация противоположна.

Континентальный массив лежит непосредственно под прямыми лучами Солнца на экваторе. Темная поверхность суши поглощает коротковолновое солнечное излучение в максимальном объеме.

При этом оба полюса остаются открытыми водными пространствами. Единый глобальный сверхокеан имеет непрерывные меридиональные пути для перемешивания воды. Мощные океанические течения беспрепятственно транспортируют колоссальные объемы нагретой на экваторе воды напрямую к полярным районам.

Этот теплоперенос исключает образование морского льда. Снег и лед на Земле Аурики практически исчезают: их доля сокращается с современных 9,3% до 0,5-1,5% поверхности всей планеты. Отражать солнечное тепло в космос становится нечему.

Планета разогревается. Средняя глобальная температура поверхности устанавливается на уровне 20,6 °C. По расчетам климатологов, от 95,5% до 100% всей площади планеты имеет положительные среднегодовые температуры. Условия, в которых вода находится в жидком состоянии круглый год, распространяются практически на всю поверхность Земли.

Однако на суше этот режим приведет к тяжелым последствиям для биосферы:

• Внутренние территории единого материка удалены от побережий на тысячи километров. Влажные морские ветры не смогут проникать вглубь суши.
• Огромная часть Аурики превратится в каменистые безатмосферные равнины с экстремальной сухостью и резкими суточными колебаниями температур.
• Из-за отсутствия дождей во внутренних областях практически прекратится силикатное выветривание пород — основной природный механизм, с помощью которого планета связывает углекислый газ из атмосферы и опускает его на дно океанов в виде карбонатов.
• На фоне непрерывных извержений вулканов вдоль субдукционных зон по периметру Аурики прекращение выветривания приведет к накоплению углекислого газа в атмосфере, что вызовет еще более выраженный парниковый эффект.

Значение для поиска обитаемых экзопланет

Совмещение моделей тектоники и климата приводит к выводам, выходящим за рамки изучения земной истории.

В современной астрономии обитаемую зону вокруг других звезд определяют в первую очередь по расстоянию до светила: если планета находится на правильной орбите, расчетная температура допускает существование жидкой воды.

Данные по Аурике и Амазии доказывают, что этого критерия недостаточно.

При абсолютно идентичном расстоянии до Солнца, одинаковой массе, равной скорости вращения и одинаковом составе атмосферы планета может иметь принципиально разный климатический облик. Разница средних температур между полярным суперконтинентом (Амазия) и экваториальным (Аурика) составляет почти четыре градуса Цельсия, а различия в площади ледового покрова различаются на порядок.

Распределение материков и океанических плит выступает самостоятельным фактором планетарного климата. Геологические процессы глубоко в недрах планеты — затухание или активизация зон субдукции, раскол плит и время их жизни — напрямую задают параметры атмосферы и температуру поверхности. Без понимания тектонического состояния планеты невозможно дать достоверную оценку ее пригодности для поддержания долговременной жизни.