Морські організми пов'язали вуглецевий цикл Землі зі змінами клімату за 50 мільйонів років

Океанологи побудували модель, що повністю відображає картину узгодженої динаміки геохімічного циклу вуглецю і кліматичних змін протягом останніх 50 мільйонів років. Механізм цього взаємозв'язку довгий час залишався неясним, проте аналіз змін вмісту діоксиду вуглецю CO₂ в атмосфері в комплексі з процесами органічного карбонатного осадконакоплення показав, що в еволюції глобального клімату велику роль зіграло морське життя. Про результати дослідження повідомляє стаття, опублікована в журналі.

Рівень концентрації вуглекислоти лежить в основі глобального вуглецевого циклу - сукупності процесів, що забезпечують кругообіг вуглецю між геохімічними резервуарами - атмосферою, біосферою, різними шарами гідросфери і різними оболонками твердого тіла Землі. Якщо емісія - вступ вуглецю в атмосферу як в найбільш рухливу систему - зростає або знижується, зміни зазнає весь вуглецевий цикл, а разом з ним - і клімат. Те ж відбувається і при вилученні частини вуглецю з циклу кругообігу.

Вуглекислотні обстановки геологічного минулого можна реконструювати, користуючись непрямими даними. За співвідношенням ізотопів вуглецю і бора в морських карбонатних опадах, за вмістом стабільного ізотопу ¹³C в кальцитах, з вивчення морфології викопних рослин та іншими методами палеокліматологи встановили, що протягом більшої частини кайнозою - близько 60 мільйонів років - рівень CO₂ стабільно падав. При цьому рівень емісії, мабуть, істотного падіння не зазнав. Наприклад, одне з головних її джерел - вулканізм - зберігало активність. Однак з кордону палеоцену й олігоцену до початку міоцену, за 14 мільйонів років, утримання CO₂ опустилося з 760 до 300 об'ємних часток на мільйон. Ця тенденція супроводжувала загальне похолодання і зниження темпу хімічного (вуглекислотного) вивітрювання вапнякових масивів, таких як зростаючі Гімалаї. У результаті діоксид вуглецю, пов'язаний у вапняках, не вивільнявся і не брав участі у вуглецевому циклі. Крім того, зменшилося надходження кальциту CaCO₃ в океан.

Прийнято вважати, що останній фактор визначає рівень так званої глибини карбонатної компенсації (carbonate compensation depth, CCD), на якій швидкість осадження і швидкість розчинення CaCO₃ знаходяться в динамічній рівновазі (при високих тисках на глибині кальцит розчинимо у воді). Нижче межі CCD карбонатні опади не відкладаються, якщо ж морське дно піднято над нею, йде осадконакоплення. Глибина карбонатної компенсації може зміщуватися вниз при надлишку кальциту і вуглекислого газу в атмосфері (адже саме з атмосфери CO₂ надходить в океан, де морські організми використовують його для будівництва зовнішнього скелета). Але така ситуація пов'язана із загальним потеплінням, а між тим кліматична тенденція кайнозою прямо протилежна. Тому вчені очікували, що кордон CCD в кайнозої виявиться піднятим до поверхні океанів.

Щоб з'ясувати положення рівня глибини карбонатної компенсації, Неманья Комар (Nemanja Komar) і Річард Зібе (Richard E. Zeebe) зі Школи океанічних і земних наук і технологій Гавайського університету в Маноа провели модельне дослідження еволюції хімічного складу морських карбонатних порід. Для цього потрібно було зіставити тренди динаміки вмісту CO₂ в атмосфері і зрушень відношення ізотопу ¹³C до ¹²C від стандартної сигнатури протягом кайнозою (виключаючи саму ранню і теплу палеоценову епоху). Це відхилення буває вище при теплому кліматі, коли бурхливо розвивається життя вибірково засвоює легкий ізотоп ¹²C, вилучаючи його з морської води. Така модель повинна бути температурно-залежною, щоб розвести і порівняти конкуруючі ефекти від впливу температури - зростання морської біомаси і ремінералізацію (розкладання органіки і перетворення її в найпростіші неорганічні форми).

Дослідження показало, що при підвищенні температури ремінералізація протікає з випереджаючим темпом, і це зменшує ймовірність поховання органічного вуглецю в донних опадах. Зниження температури викликає зворотний ефект. Продукти розкладання органіки в цьому випадку розчиняються повільніше, отже, рівень CCD зміщується не до поверхні, як передбачалося раніше, а на глибину. Це видно з графіка, побудованого на основі двох моделей - зміни концентрації атмосферної вуглекислоти і вмісту ¹³C в морських карбонатах. У рамках цієї моделі механізм карбонатної компенсації не пов'язаний залежністю з темпами вивітрювання на суші.

Найбільш різкі зміни відбулися близько 50 мільйонів років тому. Цьому передувала подія, відома як палеоцен-еоценовий термічний максимум - вона завершила палеоценове потепління піком змісту CO₂, який досяг 2000 об'ємних часток на мільйон, або 0,2 відсотка (це в п'ять разів перевищує сучасний рівень). Водночас ставлення ¹³C/¹²C досягло мінімуму: морське життя зазнало короткочасної кризи, а потім швидко відновилося. Комар і Зібе пов'язали це явище з міграцією основної маси кальцифікуючих організмів, таких як кокколітофоріди і форамініфери, з мілководних шельфових областей у відкритий океан. Про це говорить зсув зон карбонатного осадконакоплення, що спостерігається в подальшому. Не виключено, що причиною міграції стало зниження рівня океану в умовах похолодання.

Таким чином, у вуглецевому циклі кайнозою провідна роль належить морським організмам, які відкладають карбонат кальцію. Незважаючи на викликане загальним похолоданням зменшення вивітрювання, діяльність цих організмів, які мігрували у відкритий океан, опустила глибину карбонатної компенсації приблизно з 3000 до майже 4500 метрів. В результаті вуглець, що вилучається з атмосфери у формі CO₂, активно зв'язувався в океанічних опадах, що тягло за собою подальше зниження його концентрації в атмосфері і ще більше похолодання.

З'ясування характеру взаємозв'язків між геохімічним вуглецевим циклом і історією палеокліматичних трендів необхідно для розуміння того, як клімат Землі буде еволюціонувати в майбутньому. Це дозволить вченим будувати більш реалістичні моделі клімату і підвищить точність довгострокових прогнозів. Зараз Комар і Зібе працюють над розширенням можливостей свого методу і планують включити в аналіз змін вуглецевого циклу і клімату ранній кайнозою - палеоцен і початок еоцену, поширивши хронологічне охоплення дослідження вже на 66 мільйонів років.

Раніше кліматологи повідомили про те, що земний клімат пройшов точку неповернення в розвитку тенденції до потепління, а також пояснили, чому на Землі відбувається розширення тропічної зони.