Обратная связь по обратной связи: выветривание горных пород и климат

В процессе выветривания горных пород может выделяться или поглощаться углекислый газ — это зависит от породы.

Аргиллит возрастом 183 миллиона лет из скважины, пробуренной в Уэльсе. Фото: Стивен Хессельбо. Аргиллит возрастом 183 миллиона лет из скважины, пробуренной в Уэльсе. Фото: Стивен Хессельбо.

С начала 1980-х годов ученые-геологи понимали, что эрозия и выветривание горных пород медленно удаляют CO2 из атмосферы, регулируя климат Земли в геологических масштабах времени. Однако недавние исследования показали, что эрозия также может выделять CO2 путем окисления органического углерода, содержащегося в эродируемых отложениях. До сих пор неясно, как эта конкуренция между удалением CO2 в результате выветривания горных пород и выделением CO2 в результате выветривания органического углерода в конечном итоге влияет на климат Земли.

В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, геологическое прошлое используется для проверки того, как эти конкурирующие эффекты суммировались. Доктор Мадлен Стоу из Оксфордского университета вместе с коллегами из Великобритании и Франции изучила вызванный вулканической активностью эпизод глобального потепления, произошедший в начале юрского периода, 183 миллиона лет назад, известный как «Тоарское океаническое аноксическое событие».

Они обнаружили, что эрозия органического углерода усиливала глобальное потепление в то время, предполагая, что тот же процесс может быть применим и к современным изменениям климата. Однако степень, в которой прошлое является прологом к будущему, остается неопределенной.

Отбор проб воздуха с использованием осадочных пород со дна моря.

Тоарское потепление — один из примерно десятка периодов изменения климата в геологическом прошлом, которые были вызваны масштабными вулканическими явлениями, известными как крупные магматические провинции. Несколько из них связаны с массовыми вымираниями, включая Великое вымирание в конце пермского периода, которое было вызвано Сибирскими траппами и крупной магматической провинцией. Тоарское потепление было вызвано масштабными вулканическими извержениями в Южной Африке и Антарктиде, которые в то время были соединены. В результате глобального потепления на 6–7°C изменился состав видов растений и динозавров на суше и произошло массовое вымирание кораллов и других морских видов.

«Это событие уже было хорошо изучено ранее. Мы понимаем его причины, понимаем, как оно вызвало массовые вымирания, и оно обусловлено выбросом этой крупной магматической провинции», — объяснил профессор Оксфордского университета Боб Хилтон, соавтор и главный исследователь этого исследования.

Органический углерод в горных породах варьируется от видимых обломков ископаемых листьев и древесины до молекулярных остатков планктона, водорослей и микроорганизмов. Во время прошлых событий глобального потепления, таких как тоарский ярус, в море было захоронено так много органического вещества, что образовавшиеся сланцы почернели от органического углерода. Позже, после того как тектоника плит подняла эти осадки на поверхность земли, они могут подвергнуться эрозии, а содержащийся в них органический углерод может выветриваться, превращаясь в CO2.

Чтобы измерить, сколько органического углерода было выветрено на суше в тоарский период, Стоу и его коллеги обратились к изотопам элемента рения, извлеченным из пород, отложившихся на морском дне в то время. Рений действует как индикатор окисления органического углерода, поскольку он химически связывается с органическим веществом в донных отложениях.

При выветривании органического углерода на эродируемой земле он высвобождается в атмосферу в виде CO2. Но рений, связанный с органическим углеродом, вымывается реками в океан, где он включается в новые донные отложения. Там он действует как индикатор органического углерода, окисленного из более древних отложений.

Интенсивность окисления органического углерода изменяет соотношение изотопа рения-187 и рения-185. Таким образом, соотношение этих двух изотопов в отложениях служит показателем степени выветривания органического углерода в тот или иной момент.

Использовали керн из осадочных пород длиной 1300 метров, образовавшихся в период с позднего триаса до ранней юры. Он был пробурен в 1960-х годах в Уэльсе и в настоящее время хранится в Британской геологической службе.

Концентрация рения в породе составляет всего одну миллиардную грамма на грамм породы, что требует применения чрезвычайно чувствительных методов для его измерения. Недавние улучшения чувствительности масс-спектрометров стали «своего рода прорывом», позволившим проводить подобные исследования, сказал Хилтон.

Группа исследователей отобрала образцы сланца из разных точек керна буровой скважины, причем каждая точка отбора проб представляла собой отдельный момент времени во время потепления. Образцы породы были подвергнуты обработке различными кислотами для расщепления минералов и органического вещества, а после нескольких дополнительных этапов подготовки были измерены изотопы рения с помощью масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ICP-MS).

Измеренные ими значения изотопов рения менялись по мере развития тоарского потепления, что указывает на усиление выветривания органического углерода по мере повышения температуры климата.

«Это действительно важная работа, потому что она одна из первых, в которой изотопы рения используются в геологическом контексте прошлого, и это действительно открывает возможности для дальнейшего изучения этой системы в прошлом, а также для изучения других подобных аномальных событий, чтобы лучше понять нашу современную земную систему», — сказала Кэтрин Грант из Национальной лаборатории имени Лоуренса Ливермора, которая не принимала участия в исследовании.

Профессор Джереми Кейвс Ругенштейн из Университета штата Колорадо, который также не принимал участия в исследовании, подчеркнул важность этой работы в контексте более ранних исследований группы Хилтона. «Эта группа… произвела революцию в нашем понимании того, как геологический органический углерод взаимодействует с климатом», — сказал он.

Осторожно, щель!

«Современные измерения этого процесса показывают, что при повышении температуры планеты выветривание этого материала должно происходить интенсивнее, — сказал Хилтон, — и именно это мы наблюдаем в ядре во время этого потепления. Выветривание и разрушение горных пород могут фактически выступать в качестве источника углекислого газа, и этот источник может быть довольно значительным».

В исследовании 2024 года, проведенном профессором Изабель Фендли из Университета штата Пенсильвания и ее коллегами, использовался тот же керн горных пород для оценки количества вулканического CO2, выброшенного во время тоарского потепления. Используя ртуть в качестве индикатора вулканических извержений, они пришли к выводу, что одного только вулканического CO2 было недостаточно для того, чтобы вызвать потепление, поэтому должен был существовать дополнительный источник выбросов парниковых газов. Изотопы рения в исследовании показывают, что выветривание органического углерода было достаточным для восполнения этого дефицита CO2.

«И вот, мы обнаруживаем, что можем объяснить это кажущееся несоответствие», — сказал Хилтон. Другими словами, выветривание органического углерода усилило потепление, инициированное вулканическим CO2, поэтому планета нагрелась сильнее, чем если бы выбрасывался только вулканический CO2.

Образцы горных пород, обработанные кислотой, готовятся к анализу методом колоночной хроматографии. Фото: Боб Хилтон.

Однако Ругенштейн скептически относится к количеству CO2, выделяемого в результате выветривания. «Их оценки общего количества углерода, поступающего в результате этой обратной связи, огромны», — сказал Ругенштейн. «Мне трудно поверить, что эти потоки углерода будут настолько большими, как они считают».

И что же тогда делать с земным «термостатом»?

Если выветривание горных пород приводит к выбросу CO2, то как это повлияет на наше широко распространенное понимание «термостата» климата Земли, согласно которому выветривание горных пород (в частности, выветривание силикатных минералов) снижает содержание CO2 в атмосфере, предотвращая неконтролируемое глобальное потепление?

«Выветривание силикатов по-прежнему играет важную роль. Мы не ставим это под сомнение», — сказал Хилтон. «Это означает, что выветривание силикатов должно работать интенсивнее».

«Хотя [выветривание органического углерода] может представлять собой мощную положительную обратную связь, в конечном итоге это говорит о том, что обратная связь, связанная с выветриванием силикатов, должна быть еще сильнее», — сказал Ругенштейн.

Интенсивность конкуренции между выветриванием силикатов и выветриванием органического углерода зависит от количества богатых органическим углеродом отложений, обнаженных на суше. «В какой-то момент органический углерод, пригодный для окисления, закончится, и это наложит жесткое ограничение на силу этой обратной связи», — сказал Ругенштейн.

Напротив, объем силикатных минералов, доступных для выветривания и поглощения CO2, значительно больше. «Именно поэтому обратная связь в конечном итоге оказывается сильнее — у нас гораздо больший запас прочности», — сказал Ругенштейн.

Незначительное, но долгосрочное неопределенное воздействие на человека.

Исследование предполагает, что эта обратная связь, вероятно, применима и к другим явлениям глобального потепления, включая наше сегодняшнее. Хилтон прогнозирует, что выветривание органического углерода будет добавлять CO2 в атмосферу в течение следующих нескольких столетий, оказывая небольшое усиливающее воздействие на антропогенное потепление. «Это не катастрофические события, — сказал Хилтон, — но это количество углерода, которое может высвобождаться со скоростью, превышающей нынешнюю, и это действительно сокращает наш углеродный бюджет».

Остаются сложные вопросы о том, насколько сильно выветривание органического углерода влияет на наш углеродный баланс и в каких временных масштабах.

Во-первых, это будет зависеть от того, где именно по всему миру происходит эрозия богатых органическими веществами отложений и как на эти места влияют изменения температуры и количества осадков. «У нас наблюдается увеличение количества сильных штормов, вызывающих больше селевых потоков, оползней и эрозии», — сказал Ругенштейн. «Усиливает ли это окисление органического углерода или, наоборот, ослабляет его, поскольку весь этот органический углерод в конечном итоге перемещается… на [континентальный] шельф, где он просто оказывается погребенным?»

Грант также указывает на сложности. «Нам действительно необходимо понять более сложную систему органического углерода, чтобы полностью сбалансировать массовый баланс CO2, чтобы понять, как она функционировала в прошлом и как функционирует сейчас», — сказала она.

Ругенштейн указывает на огромные масштабы других антропогенных изменений окружающей среды как на дополнительный источник неопределенности. «Мы, как люди, переместили так много осадочных пород и изменили характер осадконакопления, что просто трудно сказать наверняка, — сказал Ругенштейн. — Ускорили или замедлили ли мы захоронение органического углерода, что может противодействовать подобной положительной обратной связи?»

Ругенштейн также указывает на выбросы CO2 из вечной мерзлоты и почв как на более серьезную и неотложную проблему для человечества. «Это вызовет более сильную положительную обратную связь, чем геологический органический углерод — это [выветривание органического углерода] может продолжаться дольше, но с гораздо меньшей скоростью», — сказал Ругенштейн.

Но даже при всей неопределенности новые результаты проливают больше света на то, как устроена наша планета.

«Это может дать нам более глубокое понимание механизмов работы Земли», — сказал Грант.

Nature Communications, 2026. DOI: 10.1038/s41467-026-71533-6

Источник: arstechnica.com