На протяжении большей части истории Земли ученые считали главным природным термостатом планеты медленное разрушение силикатных горных пород. Дождевая вода поглощает углекислый газ из атмосферы, попадает на открытые породы и постепенно растворяет их. Высвободившиеся углерод и кальций в конечном итоге попадают в океаны, где становятся строительным материалом для раковин и известняковых рифов, запирая углерод на сотни миллионов лет. Но ученые обнаружили новый природный «термостат». Работа опубликована в журнале Science.
Глобальное потепление может спровоцировать новый ледниковый период
Ученые из Калифорнийского университета в Риверсайде обнаружили, что океанические процессы способны не только охладить планету, но и вызывать глобальное оледенение. Исследователи создали компьютерную модель, которая впервые объясняет, как Земля могла полностью покрываться льдом в прошлом.
Глубокие климатические циклы Земли обусловлены сложной взаимосвязью между выветриванием горных пород, ростом водорослей и химическим составом океана. При определенных условиях эти обратные связи могут привести к резкому охлаждению и даже вызвать ледниковый период. Shutterstock
Когда водоросли массово размножаются и затем умирают, их разложение бактериями потребляет огромное количество растворенного кислорода. В бескислородных условиях на морском дне железо и марганец меняют свою химическую форму, переставая связывать фосфор в отложениях. Вместо этого фосфор высвобождается обратно в воду, подпитывая новые поколения водорослей. Этот самоусиливающийся цикл может продолжаться тысячелетиями, постепенно захоранивая в океанических осадках столько углерода, что атмосфера истощается и планета входит в ледниковый период.
«Когда планета нагревается, породы выветриваются быстрее и поглощают больше CO2, позволяя Земле снова остыть», — объясняет соавтор работы Доминик Хюльсе. Но бывали времена, когда планета полностью замерзала, покрываясь льдом от полюса до полюса. Одного выветривания пород недостаточно для объяснения таких драматических похолоданий. Так что же происходило?
Глобальное потепление может «качнуть» климат в сторону похолодания
Ключ к разгадке кроется в том, как океан накапливает углерод. При повышении уровня CO2 в атмосфере и потеплении больше питательных веществ, таких как фосфор, смывается в море. Они подпитывают цветение водорослей, которые поглощают углерод в процессе фотосинтеза. Когда водоросли умирают, они опускаются на дно океана, унося с собой углерод.
![Последовательность событий, вызванных массивным выбросом CO2. На графике показана временная эволюция (от темных до светлых цветов) смоделированного изменения средней глобальной температуры приземного воздуха (ось y) по отношению к запасам фосфатов в океане (ось x). Выделены различные состояния повышения и понижения глобальной температуры (°C) и запасов P (в виде изменения в %) наряду с возрастом [тысячи лет (kyr)]. Черные и красные стрелки на вставках обозначают потоки C и P соответственно. Pco2, парциальное давление CO2 в атмосфере. https://www.science.org/doi/10.1126/science.adh7730](https://images.techinsider.ru/upload/img_cache/eff/eff33ba319ffd16d34f84cbb9b3ebc6a_cropped_510x510.webp "Последовательность событий, вызванных массивным выбросом CO2. На графике показана временная эволюция (от темных до светлых цветов) смоделированного изменения средней глобальной температуры приземного воздуха (ось y) по отношению к запасам фосфатов в океане (ось x). Выделены различные состояния повышения и понижения глобальной температуры (°C) и запасов P (в виде изменения в %) наряду с возрастом [тысячи лет (kyr)]. Черные и красные стрелки на вставках обозначают потоки C и P соответственно. Pco2, парциальное давление CO2 в атмосфере. https://www.science.org/doi/10.1126/science.adh7730")
Последовательность событий, вызванных массивным выбросом CO2. На графике показана временная эволюция (от темных до светлых цветов) смоделированного изменения средней глобальной температуры приземного воздуха (ось y) по отношению к запасам фосфатов в океане (ось x). Выделены различные состояния повышения и понижения глобальной температуры (°C) и запасов P (в виде изменения в %) наряду с возрастом [тысячи лет (kyr)]. Черные и красные стрелки на вставках обозначают потоки C и P соответственно. Pco2, парциальное давление CO2 в атмосфере. https://www.science.org/doi/10.1126/science.adh7730
В более теплом климате бурный рост водорослей приводит к снижению уровня кислорода в воде. При дефиците кислорода фосфор чаще перерабатывается, а не захоранивается в отложениях. Это создает мощную обратную связь: больше питательных веществ — больше водорослей, которые при разложении потребляют больше кислорода, что высвобождает еще больше питательных веществ. Одновременно огромные объемы углерода оказываются в морских отложениях, что в конечном итоге охлаждает планету.
Ученые разработали компьютерную модель климатической системы Земли, учитывающую эти сложные взаимодействия. «Эта более полная модель земной системы не всегда стабилизирует климат постепенно после фазы потепления, скорее она может охладить Землю значительно ниже ее первоначальной температуры — процесс, хотя этот процесс может занять сотни тысяч лет. В компьютерной модели это может спровоцировать ледниковый период», — поясняет Хюльсе.
Результаты показывают: когда уровень кислорода в атмосфере был ниже, как в далеком прошлом Земли, эти питательные обратные связи усиливались и могли вызвать суровые ледниковые периоды ранней геологической истории. Сегодня, когда люди добавляют больше CO2 в атмосферу, модель предсказывает возможное охлаждение в долгосрочной перспективе, но следующее похолодание, если оно все-таки начнется будет мягче того что, произошло 600 миллионов лет назад, из-за более высокого содержания кислорода в атмосфере.