Когда возник климат на Земле? По современным представлениям, после того как недра планеты вновь стали разогреваться и в них стали образовываться конвективные потоки - глубинные «реки», переносящие тепло. В это время сквозь расплавленные участки земной коры на ее поверхность стали поступать различные газообразные соединения. Удерживаемые силами гравитации, они и дали начало первой атмосфере.
Представители альтернативной точки зрения считают, что атмосфера произошла из того первичного газообразного материала, который сохранился вблизи земной поверхности после образования земной коры, мантии и ядра. В настоящее время многие все же склоняются к первой гипотезе, так как в противном случае, считают они, любая первичная атмосфера, какой бы она ни была, не смогла бы удержаться вблизи планеты ввиду того, что гравитационные силы ее еще были весьма слабыми.
Первичная атмосфера состояла из смеси углекислого газа, аммиака, азота, водяного пара, водорода, соединений серы и паров сильных кислот. Абсолютно преобладали первые три из перечисленных газов. Предположение о составе атмосферы, возникшей после выплавления глубинного вещества, требовалось еще подтвердить. Если оно верно, то состав газов, выделяющихся при извержении современных вулканов, должен быть однотипен с составом древней атмосферы. Оказалось, что так оно и есть. Более того, в древних изверженных горных породах иногда сохраняются странные мелкие пустоты, похожие на окаменелые пузырьки. У геологов возникла мысль, не заполнены ли эти пустоты тем газом, который выделялся во время древних извержений. Профессор Ю. П. Казанский провел анализы и блестяще подтвердил эту идею. Он определил химический состав газовых включений в изверженных породах различного возраста и тем самым не только установил состав древнейшей атмосферы, но и проследил ее эволюцию.
Итак, вернемся к климату той эпохи, когда возникла атмосфера. Абсолютное преобладание в ней углекислого газа и высокое содержание водяного пара способствовали тому, что такая атмосфера легко пропускала солнечные лучи, но задерживала мощный тепловой поток, идущий от Земли. В конце концов это привело к сильному возрастанию приземных температур, которые нередко достигали порядка 500° С. Аналогичные температуры в настоящее время характерны для поверхности Венеры.
В дальнейшем в связи с постепенным уменьшением количества углекислого газа, аммиака и водяного пара в атмосфере и появлением других газов так называемый парниковый эффект пошел на убыль. Температуры на земной поверхности стали снижаться. Это, в свою очередь, способствовало конденсации паров воды. Возник новый компонент климатической системы - гидросфера. С образованием гидросферы начался качественно новый этап развития органических веществ. С одной стороны, вода стала той первой средой, в которой родилась и развивалась жизнь, а с другой,- она служила основой формирования осадочных горных пород.
Первые микроскопические организмы возникли немногим более 3,8 млрд. лет назад. Следы их недавно обнаружены в горных породах под большим увеличением. Но сказать что-либо об условиях существования этих первых организмов пока очень и очень трудно. Американские геохимики Л. П. Кнот и С. Эпштейн провели анализы кремнистых пород, которые образовались за счет деятельности микроорганизмов, в частности мельчайших синезеленых водорослей, около 3 млрд. лет назад. На основании содержания в них изотопов кислорода, дейтерия и водорода они высказали мысль о том, что на Земле в то время температуры вод достигали не менее 70°С. На первый взгляд величина фантастическая. Отсюда, несомненно, возникает мысль о наличии горячего, если не кипящего, океана. Но надо учитывать, что тепловой поток, идущий из глубин Земли, тогда был значительно мощнее, чем сегодня. Земная кора была тоньше, а значит, чаще и легче проплавлялась. Кроме того, совершенно иными были состав и плотность атмосферы. Ее большая плотность и высокое содержание углекислоты создавали высокий парниковый эффект и обусловили более или менее равномерное распределение температур на земной поверхности.
Довольно неуютным для живых существ было это время. Плотная бескислородная атмосфера, непрерывно раскалывающаяся сильнейшими землетрясениями поверхность планеты, к тому же часто подверженная проплавлению, огромные потоки изливающегося глубинного расплавленного вещества и непрерывно выделяющиеся из недр газы. Даже в воде нельзя было найти спасения, если бы в то далекое время туда попали современные организмы. Вода постоянно вскипала. В такой обстановке могли существовать лишь немногие микроорганизмы. Подобные формы жизни обнаружены недавно в горячих вулканических источниках - гейзерах в областях современной активной вулканической деятельности, в частности на Камчатке и в Исландии. Оказалось, что в воде, насыщенной различными газами, даже с температурой около 100° С целый ряд микроорганизмов живет и хорошо развивается.
Время неумолимо шло вперед. Внутренняя активность планеты постепенно затухала. Все меньше и меньше из глубин выделялось аммиака и углекислого газа, то, что находилось в атмосфере, расходовалось на процессы окисления и использовалось микроорганизмами на образование кремнистых и карбонатных горных пород. Возможно, в связи с этим и началось понижение температуры на земной поверхности. По геологическим масштабам оно произошло просто стремительно, и уже 2,5-2,6 млрд. лет назад настолько сильно похолодало, что на Земле началось первое оледенение.
Изучая возникшие в тот период напластования горных пород, геологи не раз обращали внимание на присутствие в них образований, похожих на современные морены. Это были хорошо окатанные и отполированные отдельные валуны и скопления галек очень твердых пород с многочисленными штриховками и шрамами, которые могли быть нанесены только острыми краями горных пород, впаянных в лед. Довольно часто такие породы покоятся на отполированной поверхности, напоминающей собой выпаханные льдом русла или долины. Все это свидетельствовало о ледниковой природе горных пород и рельефе, но в то же время противоречило господствующему мнению о существовании в то далекое время очень теплого климата.
Тщательное изучение следов оледенения в докембрии привело к тому, что были найдены неопровержимые доказательства наличия в глубокой древности обширных ледниковых покровных оледенений. В Канаде и на Аляске были обнаружены три толщи древнейших морен, разделенные горными породами, которые могли образоваться только в условиях значительно более теплого климата. Получалась довольно невероятная картина. Как будто бы древнейшее оледенение развивалось стадийно и в какой-то мере напоминало оледенение четвертичного периода. Те же ледниковые эпохи, разделенные потеплениями, или межледниковьями, но значительно большей продолжительности. А ведь эти два оледенения разделяет время в 2,5 млрд. лет. В дальнейшем древние морены (их геологи называют тиллитами) были обнаружены в Карелии, Индии и даже в Западной Австралии.
Холодная эпоха длилась довольно долго. Затем температуры на Земле повысились, льды растаяли, уровень Мирового океана поднялся и вновь наступила благоприятная пора, сопровождающаяся расцветом микроорганизмов и синезеленых водорослей.
Животные и растения. Папоротниковые, хвойные, широколиственные и вечнозеленые леса. Беспозвоночные суши и моря. Рыбы, земноводные, пресмыкающиеся и млекопитающие. Все они живут и развиваются, рождаются и умирают в определенных природных условиях, которые мы называем окружающей средой. Температура воды и воздуха, соленость и газовый режим морского бассейна, химический состав воздуха. Эти и многие другие факторы оказывают влияние на жизнедеятельность организмов. А нельзя ли по степени реакции организмов на те или иные факторы попытаться определить их значения, столь необходимые для реконструкции природных условий прошлого? Не только интересно, но и очень важно знать климат далекого геологического прошлого. Длительное время для реконструкции климатов прошлого геологи пользовались методами, которые раскрывают качественную картину. Главную роль здесь играл вещественный состав осадочных горных пород. Наличие среди горных пород углистых прослоев свидетельствует об образовании их в условиях теплого влажного климата, а если имеются слои солей, гипсов или ангидритов, то по аналогии с современными можно считать, что они возникли в жарком засушливом климате. Таких индикаторов климата довольно много. Но важно было знать температурные условия, существовавшие в геологическом прошлом.