Наблюдения за изотопами углерода позволяют понять, почему содержание CO2 в атмосфере тесно связано с циклами оледенения

Рост содержания углекислого газа в атмосфере по окончании последнего оледенения, скорее всего, объясняется начавшимся перемешиванием океана и проникновением в его поверхностные слои того неорганического углерода, который ранее накапливался в глубинах водной толщи.

Судя по многолетней (охватывающей 24 тысячи лет) динамике относительного содержания тяжелого изотопа углерода ¹³C, углекислый газ был связан обитавшим у поверхности фитопланктоном очень давно, еще до начала последнего оледенения. Снижение содержания ¹³C в атмосфере, начавшееся 17,5 тысяч лет назад, продолжалось две тысячи лет, сменившись затем небольшим подъемом и новым спадом. Позднее, 12 тысяч лет назад, начался устойчивый длительный подъем содержания ¹³C. Вызван он был, по-видимому, интенсивным фотосинтезом наземной растительности, связывающей преимущественно другой, более легкий изотоп углерода ¹²С. Соответственно, недоиспользованный ¹³С накапливался в атмосфере.

Обобщенная схема, показывающая динамику содержания в воздухе CO₂ за последние 24 тысяч лет (красная линия); содержания изотопа углерода ¹³C в составе CO₂ (широкая зеленая «лента»; ширина ленты соответствует доверительным интервалам); содержания тяжелого изотопа кислорода ¹⁸О в воздухе (черная линия наверху: по данным ледовых кернов в Гренландии); содержания дейтерия во льду (синяя линия внизу: по данным ледовых кернов в Антарктиде). Последний показатель — это оценка температуры: чем выше идет линия, тем теплее. Голубой вертикальной полосой выделен период быстрого потепления (17–15 тысяч лет назад), который, возможно, был связан с выделением CO₂, скопившегося ранее в глубинных слоях водной толщи океана. Серой вертикальной полосой выделен период (12–7 тысяч лет назад) быстрого роста содержания изотопа углерода ¹³C в составе CO₂. Скорее всего, это происходило за счет фракционирования изотопов при фотосинтезе наземной растительности, масса которой быстро росла. В ходе фотосинтеза преимущественно поглощался CO₂ с более легким изотопом углерода ¹²C, а CO₂ с тяжелым изотопом ¹³C накапливался как неиспользованный. На оси абсцисс ноль (слева) соответствует настоящему времени. Изображение из статьи: E. Brook. The ice age carbon puzzle в Science

По геологическим меркам недавно, всего 20 тысяч лет назад, Земля еще переживала последнее сильное оледенение. Значительная часть Евразии и Северной Америки была покрыта толстым слоем льда. Уровень океана был на 120 м ниже нынешнего, а концентрация углекислого газа (CO₂) в воздухе составляла всего 190 ppm (part per million, миллионных), а не 390 ppm, как сейчас. Данные анализа кернов (колонок) льда из Антарктиды свидетельствуют, что на протяжении последних 800 тысяч лет динамика содержания CO₂ в воздухе теснейшим образом коррелировала с изменениями температуры (см.: Антарктический лед поведал о содержании метана и CO₂ в атмосфере Земли за последние 800 тысяч лет, «Элементы», 22.05.2008). Поскольку CO₂ — важнейший парниковый газ, то очевидно, что повышение его концентрации должно приводить к увеличению температуры. Однако не всё так просто, поскольку при увеличении температуры усиливается поступление в атмосферу того углекислого газа, который был растворен в поверхностных водах океана. Кроме того, при потеплении возрастает интенсивность дыхания организмов (прежде всего обитающих в почве бактерий и грибов). При этом выделяется CO₂, когда-то связанный растениями в процессе фотосинтеза.

Хотя все признают, что между содержанием CO₂ и температурой существует положительная обратная связь, разобраться в том, что в каждом конкретном случае является причиной, а что — следствием, оказывается непросто. Впрочем, определенный прогресс в распутывании этих взаимосвязей налицо (см., к примеру: Глобальное потепление после последнего оледенения сопровождалось опережающим повышением содержания CO₂ в атмосфере, «Элементы», 20.04.2012). Очевидно, что необратимого разогрева поверхности Земли не было, и это прекрасно, а то бы жизнь на ней могла и кончиться. Потепления, к счастью, сменялись похолоданиями. Регулярность чередования периодов оледенения и межледниковья (по крайней мере, в течение последнего миллиона лет) задавалась периодическими изменениями орбиты Земли, так называемыми циклами Миланковича. Поскольку сами по себе изменения орбитальных характеристик слишком слабые, чтобы вызвать глобальные перестройки всего климата, должны существовать механизмы, которые многократно усиливали бы первоначальные эффекты. Поиски этих механизмов — важная задача, которой исследователи разных стран уделяют немало внимания.

В частности, большой интерес вызвала у специалистов недавно опубликованная работа Йохена Шмитта (Jochen Schmitt) из Центра по изучению климата им. Эшгера (Hans Oeschger) при Бернском университете (Швейцария). Вместе с коллегами из того же университета, а также из научных учреждений Германии и Франции, Шмитт детально проанализировал данные по долгосрочной (за 24 тысячи лет) динамике содержания стабильного изотопа углерода ¹³C, входящего в состав CO₂ атмосферы. Исходный материал — керны льда из двух точек в Антарктиде. Из-за небольшого размера самих проб количественное определения содержания изотопа ¹³C было непростой задачей, однако авторы смогли преодолеть ряд трудностей, используя модификацию метода сублимации. Рассмотренный авторами период времени охватывал конец последнего сильного оледенения (начиная с 24 тысяч лет назад), последующее быстрое потепление (17–12 тысяч лет назад) и наступившую затем стабилизацию вплоть до настоящего времени. В качестве «настоящего времени», то есть конца наблюдений, принят 1950 г., когда рост содержания CO₂, связанный со сжиганием ископаемого топлива, еще не был столь стремительным.

Изменения содержания в атмосферном CO2 тяжелого изотопа углерода 13C (верхняя линия) и содержания CO2 в атмосфере (нижняя линия) за последние 24 тысячи лет. Точками разного цвета обозначены конкретные величины, полученные в разных лабораториях разными методами. Серым цветом показаны доверительные интервалы, характеризующие разброс данных. Возраст дан в тысячах лет от настоящего времени (от 1950 года), содержание 13C — в промилле по шкале VPDB (Vienna Pee Dee Belemnite, Венский стандарт изотопного состава углерода), содержание CO2 — в ppmv (миллионных долях по объему). Изображение из обсуждаемой статьи Schmitt J., et al. Carbon isotope constraints on the deglacial CO2 rise from ice cores в Science

Анализ динамики содержания изотопа ¹³C позволяет прийти к определенным заключениям о непосредственных причинах увеличения или уменьшения концентрации CO₂ в атмосфере. Дело в том, что в ходе некоторых биохимических реакций происходит фракционирование (разделение) изотопов. Так, при фотосинтезе растения (или микроскопические планктонные водоросли и цианобактерии) потребляют в первую очередь CO₂ с более легким изотопом углерода ¹²C. Соответственно, относительное содержание тяжелого изотопа ¹³C в окружающей среде (воздушной или водной) повышается.

Результаты, полученные Шмиттом и его коллегами, показывают, что с началом роста концентрации CO₂ примерно 17,5 тыс. лет назад содержание изотопа ¹³C стало резко снижаться. Продолжалось данное снижение примерно 2 тысячи лет, причем общая концентрация CO₂ в атмосфере в это время росла. Исследователям важно было понять, откуда берется CO₂, обедненный тяжелым изотопом углерода CO₂. Скорее всего, он долго накапливался в глубинных слоях океана, а затем в результате начавшегося перемешивания оказался в поверхностных водах, откуда уже и вышел в атмосферу. Невольно возникает вопрос: а почему этот скопившийся на глубине океана CO₂, а также другие формы неорганического углерода (HCO₃^– и CO₃^2–), отличались столь низким относительным содержанием ¹³C? Практически все согласны, что скорее всего этот CO₂ был продуктом дыхания организмов, разлагающих органическое вещество, которое было образовано в процессе фотосинтеза в верхних слоях океана, но затем постепенно опускалось вниз. Не исключено, что синтез органического вещества происходил очень давно, еще до начала последнего оледенения, ранее чем 24 тысячи лет назад. Единого мнения о том, что послужило толчком для начавшегося 17,5 тысяч лет назад перемешивания водной толщи, пока нет, и это, видимо, наиболее уязвимое место во всей гипотезе.

Несколько позже, 16 тысяч лет назад, снижение уровня ¹³C прекратилось и даже произошел небольшой подъем, сменившийся вскоре новым небольшим спадом (см. рис. выше). Причины этих слабых колебаний не ясны, а соответствующий период называют даже «мистическим интервалом». А вот 12 тыс. лет назад начался устойчивый подъем относительного содержания ¹³C, продолжавшийся примерно 6 тыс. лет, после чего наступила стабилизация, выход на плато, соответствующая уже современному уровню. Данный подъем авторы связывают с развитием наземной растительности, с массированным потреблением в ходе фотосинтеза углекислого газа, содержащего более легкий изотоп – ¹²C. Соответственно, тяжелый ¹³C накапливался в атмосфере.

Работа Шмитта и его коллег не дает окончательного ответа на многие возникающие вопросы, в ней не учтены, к примеру, эффекты, связанные с выделением CO₂ из тектонических разломов (при извержениях вулканов и за счет постепенного высачивания). Тем не менее она показывает возможные пути дальнейшего анализа, и это привлекает к ней внимание многих исследователей.

Источник: Jochen Schmitt, Robert Schneider, Joachim Elsig et al. Carbon isotope constraints on the deglacial CO₂ rise from ice cores // Science. 2012. V. 336. P. 711–714.

www