А самый «простой» способ определить если и не абсолютные температуры в градусах, то время наиболее масштабных климатических сдвигов — по карбонатным минералам, в первую очередь скелетным. Еще 20 лет назад из учебников, в том числе университетских, можно было узнать, что химический состав вод Мирового океана отличается завидным постоянством вот уже 2 миллиарда лет. Однако седиментолог (специалист, изучающий закономерности формирования осадочных пород) Филип Сэндберг из Иллинойского университета показал, что по крайней мере в отношении двух таких важных ионов, как Са²⁺ и Mg²⁺, это утверждение неверно. Изучая распределение в ископаемой летописи нескольких разностей карбоната кальция, а именно, устойчивого низкомагнезиального кальцита (≤4 мол.% Mg) и легкорастворимых высокомагнезиального кальцита (>4 мол.% Mg) и арагонита, он заметил, что за последние 500 миллионов лет временные интервалы, когда преобладал более стабильный кальцит, чередовались с теми, когда образовывались две другие его разности. Первые он назвал «арагонит-подавляющими», а вторые — «арагонит-благоприятствующими» эпохами. Ныне эти два состояния Мирового океана именуют «кальцитовыми» и «арагонитовыми» эпохами. В «арагонитовые» — преобладали морские животные и водоросли с арагонитовыми или высокомагнезиально-кальцитовыми скелетами, в «кальцитовые» — доля таких организмов снижалась. Так же ведут себя две примечательные разности морских карбонатов: оолитовые пески, состоящие из мелких известковых шариков, и первичные морские цементы (известковые оторочки, заполняющие полости в рифах или в уже затвердевшем осадке).

Конечно, обнаружить настоящий арагонит в отложениях возрастом свыше 300 миллионов лет почти невозможно: по причине химической неустойчивости он со временем замещается обычным кальцитом. Та же участь ждет высокомагнезиальный кальцит: он превращается в магнезиальный карбонат — доломит. Потому среди палеозойских и более ранних отложений мы встречаем почти исключительно кальцит и доломит. Однако понять, первичны они или вторичны по происхождению, можно: формой кристаллов арагонит отличается от кальцита и последний, замещая первичный минерал, образует псевдоморфозы — принимает форму шестоватых арагонитовых кристаллов. Иногда в них сохраняется избыток стронция, характерный для арагонита, но не для кальцита. Подобные минералогические и геохимические признаки Сэндберг использовал, чтобы узнать, какие именно минералы преобладали в те или иные эпохи.

Секрет же чередования «арагонитовых» и «кальцитовых» морей связан с уровнем содержания двуокиси углерода в атмосфере: чем выше этот уровень, тем больше растворяется двуокиси углерода в Мировом океане, и далее, по цепочке химических преобразований, в океаническом резервуаре повышается содержание угольной кислоты — иона бикарбоната — иона водорода. В результате среда подкисляется, а растворимость карбонатных минералов, особенно менее устойчивых, возрастает. Если же мы сопоставим графики «кальций-магниевого» состава Мирового океана и изменений климата Земли, то «кальцитовые» эпизоды совпадут с теплыми эрами — продолжительными (в несколько десятков миллионов лет) интервалами, в течение которых ледяные «шапки» практически отсутствовали. А время «арагонитовых» морей придется на холодные эры, характеризующиеся длительными и обширными континентальными оледенениями. Свидетельствует ли эта взаимосвязь о влиянии уровня содержания углекислого газа в атмосфере Земли на климат?

Похоже, что так. В течение последних 550 миллионов лет доля организмов со скелетами из арагонита и высокомагнезиального кальцита в ископаемой летописи планеты не только периодически изменялась, но и неуклонно росла, в то время как тех, кто использовал скелет из низкомагнезиального кальцита, становилось меньше и меньше. Графики, отражающие это понижение, повторяют кривую содержания двуокиси углерода в атмосфере, рассчитанную по модели геохимического баланса группой палеоклиматолога Роберта Бернера из Йельского университета. Модель учитывает данные об изменениях площади суши, расчлененности рельефа, палеоширотного положения континентов, темпах роста срединно-океанических хребтов и скорости субдукции (погружения океанических плит под континентальные), интенсивности солнечного излучения, распространения разных групп сосудистых растений и распределения центров накопления карбонатов в океане. Эти расчеты подтверждаются различными методами измерения уровня двуокиси углерода в атмосфере, о которых говорилось выше (по плотности устьиц на листовых пластинках, соотношению изотопов углерода в почвах и раковинах и так далее). Палеотемпературная кривая, построенная группой геохимика Яна Вайцера из Университета Рура по данным изотопии кислорода, ведет себя сходным образом. Значит, между колебанием содержания углекислого газа в атмосфере и изменением климата Земли есть прямая связь. Она указывает не только на цикличность этого процесса, но и на то, что эта цикличность накладывается на прогрессивное снижение температуры в приповерхностных слоях атмосферы в прошедшие полмиллиарда лет.

Отчего вообще теплеет или холодает? В глобальном смысле? Физики заявляют, что с позиций высокой теоретической науки все уже давно ясно, а потому, скажем, — нынешнее глобальное потепление — это неизбежность, данная нам в ощущение. Хотелось бы, конечно, увидеть хоть одну достоверную физическую модель, которая объясняла бы раннеэдиакарский ледниковый период (640 миллионов лет назад), когда материковые льды сползали почти до самого экватора, или хотя бы позднеордовикский (444 миллиона лет назад), когда глобальное оледенение случилось по геологическим меркам в одночасье. Ряд исследователей полагают, что на ранних этапах истории Земли — в архейском эоне (3–4 миллиарда лет назад), когда нарождающаяся жизнь особенно нуждалась в тепле, но Солнце светило на 20 процентов тусклее и еще не могло ее обогреть, на Земле все равно прохладнее не было: исследование осадочных горных пород и минералов того времени показывает, что они кристаллизовались в достаточно теплых условиях. Чтобы поддерживать подобные условия, земная атмосфера должна была быть или плотнее, чем ныне, или содержать больше парниковых газов, таких, как двуокись углерода или метан.

Но из каких газов состояла древняя атмосфера? Чтобы определить плотность древней атмосферы, а следовательно, и ее состав, в середине XIX века Чарлз Лайель, один из основоположников геологической науки, предложил… измерить ископаемые отпечатки капель дождя. Такие отпечатки хорошо сохраняются в вязких и быстро твердеющих вулканических туфах. Астробиолог Санджой Сом и его коллеги из Вашингтонского университета в Сиэтле взяли за образец отпечатки дождевых капель на исландских туфах, образовавшиеся в 2010 году после извержения вулкана Эйяфьядлайёкюдль, и сравнили их с туфами из Южной Африки, возраст которых 2,7 миллиарда лет. Выяснилось, что древние капли в момент удара о землю были в среднем мельче современных. А поскольку размер капель зависит от плотности атмосферы, значит, атмосфера была в 1,5–2 раза менее плотной, чем ныне. Вряд ли она состояла из углекислого газа или азота, но могла быть насыщена сохраняющим тепло метаном. Именно под метановой атмосферой процветали метанокисляющие бактерии, оставившие многочисленные следы в изотопной и молекулярной летописи планеты. В существовании метановой атмосферы нет ничего удивительного: например, как выявила миссия «Кассини», на спутнике Сатурна Титане всего при 100°К плавают метановые облака, проливающиеся метановыми дождями, которые наполняют метановые реки и озера.

Большинство геохимиков и геологов соглашаются, что по меньшей мере с протерозойского эона (то есть 2,5 миллиарда лет назад и позднее) основным атмосферным газом, определяющим температуру на поверхности нашей планеты, был углекислый. Правда, что именно и как влияло на содержание двуокиси углерода в атмосфере (а также в гидросфере и литосфере), остается загадкой. Часто приходится читать, что хорошим поглотителем углекислого газа являются рифовые экосистемы. Действительно, в них сосредоточены огромные запасы карбоната кальция, и ежегодно добавляется по 900 миллионов тонн. Соблазнительно допустить, как многие и делают, что на образование этого минерала уходит атмосферная двуокись углерода. Однако обызвествление кораллов, губок, водорослей, простейших, что обеспечивает рост и расширение рифов, записывается формулой: