|
Работа земного термостата изменилась в эпоху Пангеи
|
|
|
|
Жизнь на Земле зародилась как минимум 3,5 миллиарда лет назад, и с тех пор наша планета остается пригодной для жизни: здесь не слишком жарко и не слишком холодно. Такие благоприятные условия отчасти поддерживаются встроенным климатическим «термостатом», основанным на углеродном цикле и регулирующим содержание углекислого газа в атмосфере.
|
|
|
|
«По-видимому, существует некий баланс, поддерживающий уровень основного парникового газа в атмосфере Земли. Благодаря ему климат сохраняется в комфортном диапазоне температур, пригодном для жизни на протяжении очень длительных периодов времени», — отмечает Р. Дж. Грэм, постдокторант кафедры геофизических наук Чикагского университета.
|
|
|
|
Однако процесс, обеспечивающий этот баланс, возможно, не является неизменным механизмом.
|
|
|
|
В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, Грэм и его коллеги из Чикагского университета и Саутгемптонского университета представили доказательства того, что этот «климатический термостат» мог работать в одном режиме на протяжении большей части последних 480 миллионов лет, затем — по геологическим меркам, на короткое время — переключиться в другой режим в эпоху существования суперконтинента Пангея, а впоследствии вернуться к прежнему состоянию.
|
|
|
|
|
|
|
По словам ученых, если такой переход действительно имел место, это открывает новый взгляд на историю нашей планеты и механизмы ее климата, а также позволяет по-новому оценить будущее жизни на Земле в условиях постепенного усиления яркости Солнца.
|
|
|
|
Как работает «термостат»
|
|
|
|
Углекислый газ — главный долгосрочный регулятор парникового эффекта на Земле. Его удаление из атмосферы, по сути, «включает кондиционер», а его возвращение — «включает обогрев».
|
|
|
|
В основе этого цикла обратной связи лежит процесс, известный как выветривание силикатных пород. Углекислый газ из атмосферы соединяется с дождевой водой, образуя слабый раствор кислоты, который химически разрушает горные породы. Растворенные минералы и углерод (из состава CO2) попадают в реки и океаны, где на морском дне формируются карбонатные породы.
|
|
|
|
Спустя миллионы лет эти породы в результате процесса субдукции погружаются в недра Земли, а углерод возвращается в атмосферу в виде углекислого газа, выбрасываемого вулканами, — так цикл замыкается.
|
|
|
|
Процесс выветривания силикатов ускоряется, когда планету нужно охладить, и замедляется, когда ее нужно согреть. Однако ученые уже давно спорят о том, что именно определяет скорость этого процесса: температура или количество осадков? Происходят ли химические реакции в горных породах быстрее просто из-за повышения температуры, или же на выветривание в большей степени влияет объем воды, стекающей по поверхности пород и просачивающейся сквозь почву?
|
|
|
|
Согласно сценарию, в котором ключевым фактором выступает температура, интенсивность выветривания зависит прежде всего от тепла: в более теплых условиях химические реакции протекают быстрее.
|
|
|
|
Если же решающим фактором являются осадки, то недостаток воды может стать ограничивающим условием. Когда вода, взаимодействующая с горными породами, насыщается растворенными минералами, температура перестает играть роль — для продолжения процесса выветривания требуется приток дополнительного объема воды.
|
|
|
|
Для ученых это различие принципиально, поскольку «водный» механизм терморегуляции работает слабее. «Он менее эффективен, — поясняет Грэм, ведущий автор исследования. — Более высокая температура приводит к увеличению количества осадков, но ускорение выветривания за счет этого оказывается меньшим, чем если бы растворение горных пород усиливалось непосредственно под воздействием температуры».
|
|
|
|
«Таким образом, гидрологический механизм может быть менее эффективным термостатом, допуская более значительные климатические изменения при сохранении баланса между притоком и оттоком углерода», — отмечает Грэм.
|
|
|
|
Исследовательская группа из Чикагского университета, в которую вошли профессор Дориан Эбботт и доцент Б. Б. Каэл, предположила, что эти два «режима» можно различить, проанализировав признаки, связанные с расположением и распределением участков суши.
|
|
|
|
Чтобы выявить такие признаки, ученые проанализировали 120 климатических моделей — идентичных во всем, кроме конфигурации случайным образом распределенных континентов, — и рассчитали скорость выветривания для обоих сценариев (температурного и гидрологического). Затем они изучили корреляцию между скоростью выветривания и распределением суши.
|
|
|
|
Выяснилось, что при температурном механизме интенсивность выветривания зависит от того, какая часть суши находится в тропиках: там становится жарче, но не обязательно влажнее, поскольку избыток осадков испаряется под воздействием более интенсивного солнечного излучения.
|
|
|
|
В то же время интенсивность выветривания, обусловленного водой, коррелирует со степенью целостности или раздробленности континентов. Наличие разрозненных участков суши с протяженными береговыми линиями способствует увеличению поверхностного стока воды.
|
|
|
|
Закономерности прошлого
|
|
|
|
Поскольку ускоренное выветривание горных пород приводит к охлаждению планеты, следы каждого из механизмов этого процесса должны быть запечатлены в геологической летописи глобальных температур. Именно поэтому исследователи обратились к прошлому в поисках соответствующих свидетельств.
|
|
|
|
Сопоставив реконструкцию температур на Земле за последние 480 миллионов лет с картами расположения древних континентов, ученые обнаружили, что на протяжении большей части этого периода «термостат» Земли работал в режиме, определяемом температурой: интенсивность выветривания зависела прежде всего от уровня тепла.
|
|
|
|
Однако в течение примерно 100 миллионов лет характер процесса изменился, став зависимым от гидрологических факторов. Этот период совпадает со временем, когда большая часть земной суши была объединена в суперконтинент Пангея.
|
|
|
|
Исследователи полагают, что причиной такого сдвига мог стать засушливый климат Пангеи: из-за недостатка воды, проходящей через почву, интенсивность выветривания стала определяться не температурой, а наличием (или отсутствием) влаги.
|
|
|
|
Впрочем, ученые отмечают, что полученные результаты основаны на моделировании с использованием идеализированных условий: в расчетах не учитывались такие факторы, как наличие горных хребтов, разнообразие типов горных пород, растительность и другие переменные. Кроме того, существуют различные варианты реконструкции древней географии, а при моделировании предполагалось, что объем выбросов углекислого газа в результате вулканической активности оставался неизменным — хотя на самом деле он мог возрастать по мере распада суперконтинента. Подтвердить данную гипотезу могло бы изучение древних почв эпохи Пангеи на предмет наличия в них признаков того или иного режима работы «термостата».
|
|
|
|
Помимо новых данных о механизмах регулирования климата нашей планеты, понимание того, что этот «термостат» может быть динамическим, способно уточнить наши представления о так называемой «зоне Златовласки» — диапазоне орбит вокруг звезды, в пределах которого на планете может существовать жидкая вода и, как следствие, поддерживаться жизнь.
|
|
|
|
«Концепция обитаемой зоны строится на определенных допущениях относительно того, как функционирует эта система обратной связи с участием CO2, — поясняет Грэм. — Если "термостат" работает не столь эффективно, как мог бы, то вполне вероятно, что его возможностей окажется недостаточно для поддержания пригодных для жизни условий на всех планетах, находящихся в пределах обитаемой зоны».
|
|
|
|
Источник
|
