Экстремальные климатические явления — отличительная черта эпохи животных.

Новые реконструкции климатической истории за 540 миллионов лет показывают, что планета постоянно переходила из ледникового периода в парниковый, демонстрируя, насколько редок и уязвим наш умеренный климат. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже

Марк Белан/Quanta Magazine

Марк Белан/Quanta Magazine

Геология. Биография Земли в эпоху животных. Новые реконструкции 540 миллионов лет истории климата показывают, как планета переходила из ледникового в парниковый период и обратно, демонстрируя, насколько редок и уязвим наш умеренный климат. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже

Введение

Примерно через 4 миллиарда лет после своего образования небольшая планета, вращающаяся вокруг ничем не примечательной звезды в отдаленном спиральном рукаве Ориона-Лебедя Млечного пути, пережила короткий, но бурный период сложной жизни. Планета была покрыта пригодной для дыхания атмосферой, и в течение нескольких сотен миллионов лет на ней поддерживались температуры, которые каким-то образом оставались в удивительно узком диапазоне — благоприятном для биосферы, которая теперь кишела энергичными многоклеточными существами. На протяжении всей своей предыдущей истории она была домом только для микробов и грязи; в этот великолепный период планета процветала благодаря животной жизни.

По крайней мере, какое-то время. На протяжении большей части истории Земли этого не было, и вскоре, с космологической точки зрения, этого не должно было произойти, но давайте сосредоточимся на этих более счастливых днях. Когда мы это сделаем, мы обнаружим, что полумиллиардолетний возраст животной жизни — начиная с кембрийского взрыва и заканчивая сегодняшним экстремальным моментом геологического выброса углерода и потрясений — пережил необычайное разнообразие климатов. Животные выживали и в основном процветали на протяжении всего этого времени, поскольку Земля проявляла разные настроения, от знойных тропических миров до засушливых, покрытых льдом. Эти меняющиеся климаты тесно формировали биосферу на протяжении этого периода (и наоборот), и в отдельных ужасающих вспышках угрожали ее уничтожением.

«На Земле бывает очень жарко», — говорит Джессика Тирни, палеоклиматолог из Университета Аризоны, описывая самые жаркие дни на Земле, к которым, по ее подсчетам, относятся: жаркий период перед появлением земной жизни около 400 миллионов лет назад; почти смертельная сверхтепловая буря, когда 250 миллионов лет назад правил суперконтинент Пангея; меловой период, когда в пещерах обитали динозавры; и эоцен, на заре развития млекопитающих.

В то время как палеоклиматологи регулярно реконструируют тот или иной фрагмент истории Земли — например, мир динозавров, в котором существовали полярные тропические леса, или плейстоцен, когда ледниковые щиты затопили Канзас, — несколько групп работают над изучением всей истории климата Земли на протяжении всей эпохи животных. Хотя они используют разные подходы к построению своих моделей древнего прошлого Земли, их симуляции рассказывают схожие истории о поразительном разнообразии климатических условий, которые планета пережила за сотни миллионов лет, и об их чувствительности к уровню углекислого газа в атмосфере.

Возьмем, к примеру, исследование Тирни. Вместе с ведущим автором Эмили Джадд из Смитсоновского института она недавно опубликовала глобальную температурную шкалу, охватывающую почти последние полмиллиарда лет. Смоделировав Землю с помощью глобальной климатической модели и используя для этого невероятное количество данных, команда воссоздала снимки этих древних планет в виде примерно 85 фрагментов геологической и палеонтологической истории.

Обширная база данных, лежащая в основе модели, опирается на десятилетия незаметной работы по всему миру, проделанной легионами геологов: результаты одиноких походов к обнажениям горных пород в пустыне; образцы горных пород, помещенные в масс-спектрометры в лаборатории; смелые вертолетные экспедиции в Арктику для сбора окаменелостей; новые измерения старых образцов, покрывающихся пылью в музеях. «Набор данных содержит 150 000 точек данных, — сказал Тирни. — На то, чтобы собрать их все в одном месте, у нас ушло два года».

В качестве точки данных может выступать единичная температура из одной части планеты, зафиксированная в изотопах кислорода окаменелой раковины устрицы, возраст которой исчисляется сотнями миллионов лет. Сама по себе она так же мало говорит нам о средней температуре на этой древней планете, как термометр за окном может сказать о нашей. Но, интегрируя и используя эти разрозненные данные — разбросанные по всей геологической летописи и по всей Земле — с достаточно мощной климатической моделью, наложенной на древние географические регионы, группа Тирни может моделировать эти миры с беспрецедентным уровнем детализации.

«Группа Джесс совершила настоящий прорыв», — сказал Ричард Стоки, специалист по системным наукам из Университета Саутгемптона, не принимавший участия в этой работе. «Создание этого фантастического набора данных вывело нас за пределы всего, что у нас было раньше».

Результаты моделирования подтверждают данные геологической летописи. Однако невероятный разброс средних глобальных температур, обнаруженный Тирни за всю историю Земли — от поразительных 20 градусов Цельсия (36 градусов Фаренгейта), превышающих сегодняшние значения в периоды древнего парникового климата, до более чем 6 градусов Цельсия (10,8 градусов Фаренгейта), снижающихся в ледниковые периоды, — является экстремальным. В тропиках в самые жаркие эпохи Земли, например, когда аллигаторы жили вблизи полюсов 50 миллионов лет назад, температура внутри континента, приближающаяся к 50 градусам Цельсия (122 градусам Фаренгейта), по-видимому, приближалась к пределам существования жизни.

«У меня уже было представление о том, насколько сильно может нагреться планета, и полученные нами цифры действительно завышены», — сказала она. «Некоторым людям в обществе довольно неприятно, что [наша модель показывает] такие высокие глобальные температуры».

Но помимо того, что в прошлые эпохи планетарное потепление и похолодание были совершенно неприемлемы для нас, эта работа наглядно демонстрирует, что глобальная температура всегда двигалась в унисон с концентрацией углекислого газа в атмосфере.

«CO2 — это самое важное, — говорит Бенджамин Миллс, геохимик из Университета Лидса, который независимо моделирует климат Земли в прошлом, — говоря об изменении климата за время существования животной жизни. — Помимо, конечно, яркости Солнца. Но дело в том, что Солнце очень предсказуемо. Оно становилось ярче на протяжении миллиардов лет, очень медленно, очень предсказуемым образом — потому что это просто большой круглый шар из водорода и всего прочего. Но с точки зрения перехода от парникового к ледниковому климату, CO2 является основным фактором».

Несмотря на удивительную динамику и разнообразие земной системы, она никогда не отклонялась настолько далеко, чтобы полностью уничтожить биосферу — хотя были и моменты, когда это едва не произошло. Около 300 миллионов лет назад, когда уровень углекислого газа упал до ошеломляюще низких значений, планета едва не замерзла. А 250 миллионов лет назад необычайная жара едва не уничтожила сложную жизнь во время массового вымирания в конце пермского периода, известного как Великое вымирание, с высоким уровнем CO2, незадолго до появления динозавров. Но в остальном климат, благодаря своим возмущениям, поддерживал условия, благоприятные для жизни животных, на протяжении почти полумиллиарда лет.

Это не просто счастливая случайность. Планета остаётся в этом диапазоне благодаря тому, что уровень углекислого газа в ней регулируется благодаря необычайному взаимодействию между тектоникой плит и жизнью. У планеты есть термостат.

Регулятор температуры

Ученые уже давно знают, что CO2 является «главным регулятором температуры Земли», как говорится в одной классической работе. В то время как углекислый газ постоянно выбрасывается в атмосферу вулканами Земли — в сто раз меньше, чем современные антропогенные выбросы углерода — в других местах он выделяется биосферой. Жизнь основана на углероде, и конечным источником углерода для всей жизни является углекислый газ, который в основном поступает в биосферу через наномеханизмы фотосинтеза. В более длительных временных масштабах конечным местом хранения большей части этого углекислого газа является земная кора, откуда он и появился.

Когда силикатные породы, составляющие большую часть земной коры и мантии, подвергаются воздействию атмосферы, они, к счастью, поглощают углекислый газ. Дождевая вода реагирует с углекислым газом в воздухе и становится слегка кислой, разрушая породы, обнаженные на поверхности Земли. Затем этот углерод из атмосферы переносится реками в море, где он откладывается на морском дне в виде карбонатных пород, таких как известняк.

«Вся мантия состоит из этих силикатных пород, — сказал Миллс. — Когда вы подвергаете их воздействию атмосферы или даже просто подводному воздействию, они автоматически образуют этот цикл и начинают удалять углерод из системы».

К счастью для жизни на Земле, этот тормоз потепления становится более эффективным по мере повышения уровня углекислого газа. На более горячих и подверженных штормам мирах эти реакции ускоряются, втягивая больше вредного углекислого газа в горные породы. Хотя эта петля обратной связи, связанная с выветриванием, действует в масштабе сотен тысячелетий, можно ввести достаточное количество углекислого газа за достаточно короткий промежуток времени, чтобы сделать этот защитный механизм неактуальным, что приведет к непрекращающемуся потеплению и закислению океана. Это происходило во время многих самых страшных вспышек массового вымирания в истории Земли, и это происходит снова сейчас. Но, по большей части, этого цикла было достаточно, чтобы поддерживать поверхностный мир в пределах пригодных для жизни размеров.

Тем не менее, планете предстоит пройти невероятно сложный путь. До сих пор парниковый эффект поддерживал на нашей планете комфортную температуру. Но если бы источники и поглотители углекислого газа не совпадали хотя бы на 5% в течение 5 миллионов лет, биосфера была бы полностью уничтожена в результате неуправляемого парникового эффекта с высоким содержанием CO2. И наоборот, если бы уровень углекислого газа когда-либо упал слишком низко, Земля почти полностью замерзла бы, что также опустошило бы биосферу.

Пять миллионов лет — это мгновение ока по геологическим меркам. За последние 50 миллионов лет, по мере того как уровень углекислого газа в атмосфере упал с 0,1% до 0,018%, пальмы, некогда колыхавшиеся вдоль берегов Аляски, уступили место ледяным щитам, которые покрыли треть Северной Америки, понизив уровень моря примерно на 400 футов ниже, чем сегодня. В настоящее время эта доля в атмосфере составляет зловещие 0,042% (примерно 420 частей на миллион, или ppm) и быстро растет.

В моделях Тирни корреляция между изменением глобальной температуры и уровнем углекислого газа удивительно тесная. Ее группа обнаружила, что при каждом удвоении концентрации углекислого газа температура неизменно повышалась на целых 8 градусов Цельсия. Это происходило как на свободных ото льда планетах, гораздо более теплых, чем наша сегодня, так и во время периодов похолодания.

Если это правда, то древний парниковый мир динозавров, существовавший до ранней эпохи млекопитающих и уже тогда известный своей невыносимой жарой, был ещё более невообразимо жарким, чем считалось ранее. Миллс и Стоки считают, что чрезвычайно высокие температуры, достигнутые в реконструкциях Тирни, могут отражать тонкие искажения в некоторых косвенных показателях, которые завышают температуру. Тирни же считает, что результат может отражать механизмы, неизвестные в недавней истории Земли, которые могут вызывать экстремальные скачки температуры.

В нашем недавнем, довольно холодном геологическом прошлом, ледяные щиты, возможно, помогали удерживать Землю в равновесии. Но, возможно, другие, столь же преобразующие петли обратной связи начинают действовать, как только концентрация углекислого газа удваивается, усиливая стремительный рост температуры. Возможно, это метан пробуждается на более теплом мире, или, возможно, это облака, предположила она, которые представляют собой наибольшую неопределенность в климатических моделях; согласно некоторым из более мрачных сценариев выбросов на предстоящее столетие, в которых концентрация углекислого газа превысит 1000 ppm, облака могут вернуть нашу планету в состояние поистине древней теплицы (той, которую в последний раз наблюдали, когда аллигаторы бродили по полюсам).

«Эти миры не были населены нами», — сказал Тирни, говоря о подобном потенциальном прыжке в будущее. «Планета способна существовать в гораздо более теплом климате, чем сегодня. Просто мы к нему совершенно не приспособлены. Мы, как и все экосистемы, с которыми мы делим планету, приспособлены к ледниковому климату. Поэтому мы очень уязвимы для быстрого изменения климата».

Арифметика углерода

Подобно Тирни и Джадду, Миллс и его коллеги смоделировали историю климата за последние полмиллиарда лет, но вместо того, чтобы воссоздавать ее на основе косвенных показателей температуры, они делают это с нуля.

Команда Миллса работает, опираясь на имеющиеся знания о физической Земле за долгие годы, а затем позволяет модели самостоятельно выдавать оценки температуры. Таким образом, они пролили свет на меняющиеся планетарные источники и поглотители углекислого газа, которые на протяжении сотен миллионов лет метали Землю между ледяными мирами и раскаленными теплицами. Хотя земная система невероятно сложна, Миллсу удалось воспроизвести общую траекторию изменения климата на протяжении веков, просто регулируя четыре параметра — каждый из которых модулирует баланс углекислого газа.

Во-первых, это источники углекислого газа. Хотя вулканы постоянно выбрасывают это вещество в воздух и океаны, скорость этого процесса незаметно менялась на протяжении миллионов лет в ходе грандиозного планетарного тектонического балета.

Во-вторых, это поглотители, важнейшими из которых являются сами горные породы. Поместите воду на планету, раскрутите её и поместите в её небе ослепительный шар — и вы получите погоду на этом мире. Для поглощения углекислого газа крайне важно, где именно выпадают осадки (то есть, погодные условия). Некоторые породы, такие как офиолиты Омана или базальты Индонезии, гораздо более реактивны, чем другие. Поместите эти реактивные породы в современные тропики, где много погоды и тепла, и они поглотят гораздо больше углекислого газа, чем если бы они оказались на каком-нибудь сухом и пустынном участке суши в Арктике.

Третий фактор — палеогеография. Сама конфигурация континентов может обуславливать различные климатические условия. Например, в случае суперконтинентов, таких как Пангея, к горным породам их обширных засушливых внутренних районов практически не доходили погодные явления. Пангея, испытывая трудности с удалением углекислого газа, страдала от высокой температуры.

Палеогеография особенно важна, поскольку она также влияет на четвертый и последний фактор: биологию. Хотя силикатные породы сами по себе поглощают углекислый газ, появление крупных наземных растений около 380 миллионов лет назад изменило эти процессы. Растения прокладывали себе путь через континенты с помощью корней и органических кислот, ускоряя выветривание горных пород и вынося углекислый газ (часть которого представляла собой огромные запасы погребенного органического вещества, которое мы теперь снова выбрасываем в атмосферу в виде ископаемого топлива).

Собрав все данные воедино — реконструировав длину и типы зон субдукции, смещение континентов, типы горных пород, которые их покрывали, и растения, которые их покрывали, — и просто запустив модель, моделирование Миллса успешно воспроизвело не только необычайно высокую температуру CO2 в пермский и гораздо более поздний меловой периоды, но и ледниковые периоды с низкой концентрацией CO2 в соответствующие моменты времени. К ним относятся удивительное похолодание около 450 миллионов лет назад, которое погребло Сахару под ледяными щитами (спровоцировав массовое вымирание в конце ордовика), ледяные шапки угольного века около 300 миллионов лет назад, а также наш собственный недавний и продолжающийся ледниковый период (ледовые щиты толщиной в милю, подобные тем, что есть в Антарктиде, редко встречаются в истории Земли).