Ученые нашли скрытую океанскую систему, которая стабилизировала климат Земли
В течение примерно 60 миллионов лет климат Земли находился под влиянием океанской системы, действующей на континентальных шельфах и в бедных кислородом водах. Это не отдельное течение или химическая реакция, а цепочка процессов, связывающих уровень моря, фосфор, морскую продуктивность и захоронение органического углерода на морском дне. Исследователи теперь полагают, что эта система работала как медленный планетарный термостат, помогая регулировать содержание углекислого газа и кислорода в атмосфере на протяжении большей части кайнозойской эры.
Органический углерод и его роль
Захоронение органического углерода — один из важнейших долгосрочных климатических регуляторов планеты. Морские организмы поглощают углерод по мере роста, но большая его часть возвращается в океан и атмосферу, когда они умирают и разлагаются. Меньшая часть опускается на морское дно и оказывается погребенной в осадках, где может оставаться изолированной миллионы лет. Когда скорость захоронения растет, больше углерода удаляется из активной климатической системы, и содержание углекислого газа в атмосфере может постепенно снижаться.
Этот процесс также влияет на кислород. Органический материал, который оказывается погребенным, больше не участвует в реакциях разложения, что позволяет кислороду накапливаться в геологических масштабах времени. Захоронение углерода связывает долгосрочную регуляцию двух основных компонентов атмосферы Земли. Исследователи обнаружили, что эта связь сильно зависела от изменений уровня моря и движения кислородных минимумов вдоль краев континентов.
Когда уровень моря был слишком высоким
Эоцен — период примерно 56–33,9 миллиона лет назад — дает один из самых ярких примеров того, как система работала иначе. Земля была значительно теплее, содержание углекислого газа в атмосфере высоким, а уровень моря иногда поднимался более чем на 60 метров выше современного. Несмотря на эти условия, большая часть верхнего океана, по-видимому, была относительно насыщена кислородом. При этом доступность фосфора и захоронение органического углерода были необычно низкими.
Очень высокий уровень моря затопил огромные площади мелководного континентального шельфа. Эти затопленные шельфы стали чрезвычайно эффективно удерживать фосфор в осадках, прежде чем он мог попасть в открытый океан. Фосфор необходим для морской жизни, поэтому его низкая концентрация ограничивала рост планктона и уменьшала производство органического вещества. С меньшим количеством материала, опускающегося на дно и разлагающегося, потребление кислорода падало, и толща воды оставалась более насыщенной кислородом.
Океанский поглотитель углерода ослабевал в этот период, потому что органического вещества производилось и захоранивалось меньше. Углерод, который мог бы попасть в долгосрочное геологическое хранилище, оставался в океане и атмосфере. Этот ослабленный осадочный поглотитель, возможно, способствовал поддержанию высоких концентраций углекислого газа, характерных для эоценового парникового мира. Теплый климат, таким образом, определялся не только тем, сколько углерода попадало в атмосферу, но и тем, как мало удалялось через морское захоронение.
Оптимальный диапазон и механизм обратной связи
По мере постепенного охлаждения планеты и снижения уровня моря баланс начал меняться. Площадь мелководных шельфовых осадков уменьшалась, сокращая количество фосфора, удерживаемого у береговой линии. Больше фосфора оставалось доступным в морской воде, поддерживая более высокую биологическую продуктивность. Затем большие объемы органического материала опускались через толщу воды, где их разложение увеличивало потребность в кислороде и способствовало формированию зон кислородного минимума.
Наиболее эффективное захоронение углерода развивалось, когда эти бедные кислородом воды выходили на внешний континентальный шельф. В условиях, богатых кислородом, фосфор часто удерживается в железосодержащих минералах и органическом веществе морских осадков. Когда концентрация кислорода падает достаточно низко, фосфор высвобождается обратно в окружающую воду. Этот рециклированный питательный элемент поддерживает дополнительный рост планктона, производя больше тонущего органического материала и создавая еще большее давление на уровень кислорода.
Затем начинается усиливающийся цикл. Низкий уровень кислорода высвобождает фосфор, фосфор увеличивает морскую продуктивность, а повышенная продуктивность отправляет больше органического углерода к морскому дну. Часть этого углерода захоранивается до того, как может вернуться в океан или атмосферу. Исследователи обнаружили, что эта система работала наиболее эффективно, когда уровень моря находился примерно на 10–40 метров выше его современного положения. В этом промежуточном диапазоне зоны кислородного минимума оставались достаточно мелкими, чтобы касаться богатых углеродом осадков континентального шельфа. Это взаимодействие могло поддерживать повышенное захоронение углерода миллионы лет, причем некоторые импульсы длились от трех до пяти миллионов лет. Геологические данные свидетельствуют, что общий поглотитель углерода мог увеличиваться примерно на 20 процентов в наиболее сильные фазы. Такие изменения были достаточно велики, чтобы влиять на глобальную температуру и поддерживать расширение ледяных щитов.
Самоограничение системы
Механизм ослабевал, когда уровень моря выходил за пределы оптимального диапазона. Когда уровень поднимался слишком высоко, широкие шельфы эффективно удерживали фосфор, и верхний океан оставался сравнительно насыщенным кислородом. Зоны кислородного минимума либо не формировались сильно, либо оставались отделенными от осадков, необходимых для интенсивного рециклирования фосфора. Когда уровень моря падал слишком низко, бедные кислородом воды уходили ниже континентального шельфа и теряли контакт с его богатейшими месторождениями органического углерода.
Положение бедной кислородом воды было так же важно, как и общее содержание кислорода в океане. Одних только низких концентраций кислорода было недостаточно. Эти воды должны были достигать правильной части континентального края, где продуктивные шельфовые осадки содержали большие запасы углерода и фосфора. Система зависела от точного совпадения уровня моря, запасов питательных веществ, глубины воды и концентрации кислорода.
Захоронение углерода могло помочь охлаждению, но также содержало собственные ограничивающие механизмы. По мере того как из атмосферы удалялось все больше углекислого газа, температура падала, и ледяные щиты расширялись. Затем уровень моря падал, уводя зоны кислородного минимума от шельфовых осадков и ослабляя высвобождение фосфора. Длительные периоды повышенного захоронения также позволяли атмосферному кислороду расти, постепенно реоксигенируя части океана и уменьшая условия, необходимые для рециклирования питательных веществ. Это самоограничивающее поведение предотвращало бесконтрольное продолжение процесса. Оно могло усилить поглотитель углерода и усилить ледниковые условия, но вызванное им охлаждение в конечном итоге уводило океан от оптимальной конфигурации.
Значение для климатических моделей
Исследование также ставит под сомнение распространенное предположение, что самые теплые древние океаны должны были быть наиболее обедненными кислородом. В эоцене верхний океан, по-видимому, был более насыщен кислородом, чем современный, несмотря на гораздо более высокие температуры и уровень моря. Современные зоны кислородного минимума обычно глубже и часто находятся ниже континентального шельфа, что снижает их способность взаимодействовать с осадками, которые когда-то обеспечивали сильнейший рециклинг фосфора.
С течением геологического времени постепенное углубление бедных кислородом вод, по-видимому, сузило диапазон уровня моря, способный производить максимальное захоронение углерода. Раньше в истории Земли более мелкие зоны кислородного минимума могли покрывать гораздо большие площади континентального шельфа, позволяя более сильные и длительные импульсы рециклирования питательных веществ. По мере увеличения атмосферного кислорода эти зоны смещались глубже, и реакция океана становилась более ограниченной.
Выветривание силикатов долгое время считалось одним из главных геологических климатических регуляторов Земли, медленно удаляющим углекислый газ по мере того, как дождевая вода вступает в реакцию с горными породами. Новые данные добавляют еще один важный механизм, действующий через фосфорный, кислородный и углеродный циклы океана. Уровень моря делал больше, чем просто перерисовывал береговые линии. Он определял, где питательные вещества удерживались, где формировалась бедная кислородом вода и насколько эффективно океан мог удалять углерод из атмосферы.
Этот механизм действует миллионы лет и не может быстро компенсировать современные изменения атмосферного углекислого газа. Его важность заключается в раскрытии того, как Земля оставалась в широком обитаемом климатическом диапазоне на протяжении огромных геологических периодов времени. В течение десятков миллионов лет точка встречи бедной кислородом морской воды и осадков континентального шельфа служила частью скрытой планетарной системы управления, тихо регулируя поток углерода между океаном, морским дном и атмосферой.
