Морские организмы увязали углеродный цикл Земли с изменениями климата за 50 миллионов лет

Океанологи построили модель, полностью отражающую картину согласованной динамики геохимического цикла углерода и климатических изменений на протяжении последних 50 миллионов лет. Механизм этой взаимосвязи долгое время оставался неясным, однако анализ изменений содержания диоксида углерода CO₂ в атмосфере в комплексе с процессами органического карбонатного осадконакопления показал, что в эволюции глобального климата большую роль сыграла морская жизнь. О результатах исследования сообщает статья, опубликованная в журнале Science Advances.

Уровень концентрации углекислоты лежит в основе глобального углеродного цикла — совокупности процессов, обеспечивающих круговорот углерода между геохимическими резервуарами — атмосферой, биосферой, разными слоями гидросферы и разными оболочками твердого тела Земли. Если эмиссия — поступление углерода в атмосферу как в наиболее подвижную систему — возрастает или понижается, изменения претерпевает весь углеродный цикл, а вместе с ним — и климат. То же происходит и при изъятии части углерода из цикла круговорота.

Углекислотные обстановки геологического прошлого можно реконструировать, пользуясь косвенными данными. По соотношению изотопов углерода и бора в морских карбонатных осадках, по содержанию стабильного изотопа ¹³C в кальцитах, по изучению морфологии ископаемых растений и другими методами палеоклиматологи установили, что на протяжении большей части кайнозоя — около 60 миллионов лет — уровень CO₂ стабильно падал. При этом уровень эмиссии, по-видимому, существенного падения не испытал. Например, один из главных ее источников — вулканизм — сохранял активность. Однако с рубежа палеоцена и олигоцена до начала миоцена, за 14 миллионов лет, содержание CO₂ опустилось с 760 до 300 объемных долей на миллион. Этой тенденции сопутствовало общее похолодание и снижение темпа химического (углекислотного) выветривания известняковых массивов, таких как растущие Гималаи. В результате диоксид углерода, связанный в известняках, не высвобождался и не участвовал в углеродном цикле. Кроме того, уменьшилось поступление кальцита CaCO₃ в океан.

Принято считать, что последний фактор определяет уровень так называемой глубины карбонатной компенсации (carbonate compensation depth, CCD), на которой скорость осаждения и скорость растворения CaCO₃ находятся в динамическом равновесии (при высоких давлениях на глубине кальцит растворим в воде). Ниже границы CCD карбонатные осадки не отлагаются, если же морское дно поднято над ней, идет осадконакопление. Глубина карбонатной компенсации может смещаться вниз при избытке кальцита и углекислого газа в атмосфере (ведь именно из атмосферы CO₂ поступает в океан, где морские организмы используют его для строительства внешнего скелета). Но такая ситуация связана с общим потеплением, а между тем климатическая тенденция кайнозоя прямо противоположна. Поэтому ученые ожидали, что граница CCD в кайнозое окажется поднятой к поверхности океанов.

Чтобы выяснить положение уровня глубины карбонатной компенсации, Неманья Комар (Nemanja Komar) и Ричард Зибе (Richard E. Zeebe) из Школы океанических и земных наук и технологий Гавайского университета в Маноа провели модельное исследование эволюции химического состава морских карбонатных пород. Для этого нужно было сопоставить тренды динамики содержания CO₂ в атмосфере и сдвигов отношения изотопа ¹³C к ¹²C от стандартной сигнатуры в течение кайнозоя (исключая самую раннюю и теплую палеоценовую эпоху). Это отклонение бывает выше при теплом климате, когда бурно развивающаяся жизнь избирательно усваивает легкий изотоп ¹²C, изымая его из морской воды. Такая модель должна быть температурно-зависимой, чтобы развести и сравнить конкурирующие эффекты от воздействия температуры — рост морской биомассы и реминерализацию (разложение органики и преобразование ее в простейшие неорганические формы).

Исследование показало, что при повышении температуры реминерализация протекает с опережающим темпом, и это уменьшает вероятность захоронения органического углерода в донных осадках. Понижение температуры вызывает обратный эффект. Продукты разложения органики в этом случае растворяются медленнее, следовательно, уровень CCD смещается не к поверхности, как предполагалось ранее, а на глубину. Это видно из графика, построенного на основе двух моделей — изменения концентрации атмосферной углекислоты и содержания ¹³C в морских карбонатах. В рамках этой модели механизм карбонатной компенсации не связан зависимостью с темпами выветривания на суше.

Наиболее резкие изменения произошли около 50 миллионов лет назад. Этому предшествовало событие, известное как палеоцен-эоценовый термический максимум — оно завершило палеоценовое потепление пиком содержания CO₂, достигшим 2000 объемных долей на миллион, или 0,2 процента (это в пять раз превышает современный уровень). В то же время отношение ¹³C/¹²C достигло минимума: морская жизнь испытала кратковременный кризис, а затем быстро восстановилась. Комар и Зибе связали это явление с миграцией основной массы кальцифицирующих организмов, таких как кокколитофориды и фораминиферы, из мелководных шельфовых областей в открытый океан. Об этом говорит наблюдающееся в дальнейшем смещение зон карбонатного осадконакопления. Не исключено, что причиной миграции стало понижение уровня океана в условиях похолодания.

Таким образом, в углеродном цикле кайнозоя ведущая роль принадлежит морским организмам, отлагающим карбонат кальция. Несмотря на вызванное общим похолоданием уменьшение выветривания, деятельность этих организмов, мигрировавших в открытый океан, опустила глубину карбонатной компенсации приблизительно с 3000 до почти 4500 метров. В результате углерод, изымаемый из атмосферы в форме CO₂, активно связывался в океанических осадках, что влекло за собой дальнейшее снижение его концентрации в атмосфере и еще большее похолодание.

Выяснение характера взаимосвязей между геохимическим углеродным циклом и историей палеоклиматических трендов необходимо для понимания того, как климат Земли будет эволюционировать в будущем. Это позволит ученым строить более реалистичные модели климата и повысит точность долгосрочных прогнозов. Сейчас Комар и Зибе работают над расширением возможностей своего метода и планируют включить в анализ изменений углеродного цикла и климата ранний кайнозой — палеоцен и начало эоцена, распространив хронологический охват исследования уже на 66 миллионов лет.

Ранее климатологи сообщили о том, что земной климат прошел точку невозврата в развитии тенденции к потеплению, а также объяснили, почему на Земле происходит расширение тропической зоны.

Винера Андреева