Новое исследование показало, что Земля может регулировать свою температуру на протяжении тысячелетий

Климат Земли претерпел некоторые большие изменения, от глобального вулканизма до ледниковых периодов, охлаждающих планету, и резких сдвигов в солнечном излучении. И все же жизнь в течение последних 3,7 миллиардов лет продолжала биться.

Теперь исследование, проведенное исследователями Массачусетского технологического института в Science Advances, подтверждает, что планета обладает механизмом «стабилизирующей обратной связи», который действует в течение сотен тысяч лет, чтобы отодвинуть климат от края пропасти, удерживая глобальные температуры в устойчивом, пригодном для жизни диапазоне.

Только как это сделать? Вероятным механизмом является «силикатное выветривание» — геологический процесс, при котором медленное и устойчивое выветривание силикатных пород включает химические реакции, которые в конечном итоге вытягивают углекислый газ из атмосферы в океанские отложения, задерживая газ в горных породах.

Ученые давно подозревали, что выветривание силикатов играет важную роль в регулировании углеродного цикла Земли. Механизм силикатного выветривания может обеспечить геологически постоянную силу, удерживающую углекислый газ и глобальные температуры под контролем. Но до сих пор никогда не было прямых доказательств непрерывного действия такой обратной связи.

Новые результаты основаны на изучении палеоклиматических данных, которые фиксируют изменения средних глобальных температур за последние 66 миллионов лет. Команда Массачусетского технологического института применила математический анализ, чтобы увидеть, выявили ли данные какие-либо закономерности, характерные для явлений стабилизации, которые сдерживали глобальные температуры в геологическом масштабе времени.

Они обнаружили, что действительно существует постоянная закономерность, согласно которой колебания температуры Земли затухают в течение сотен тысяч лет. Продолжительность этого эффекта аналогична временным масштабам, в течение которых, по прогнозам, будет действовать силикатное выветривание.

Результаты впервые используют фактические данные для подтверждения существования стабилизирующей обратной связи, механизмом которой, вероятно, является силикатное выветривание. Эта стабилизирующая обратная связь могла бы объяснить, как Земля оставалась пригодной для жизни во время драматических климатических событий в геологическом прошлом.

«С одной стороны, это хорошо, потому что мы знаем, что сегодняшнее глобальное потепление в конечном итоге будет нейтрализовано благодаря этой стабилизирующей обратной связи», — говорит Константин Арншайдт, аспирант кафедры наук о Земле, атмосфере и планетах Массачусетского технологического института (EAPS). «Но, с другой стороны, на это уйдут сотни тысяч лет, так что недостаточно быстро, чтобы решить наши сегодняшние проблемы».

Ученые ранее видели намеки на стабилизирующий климат эффект в углеродном цикле Земли: химический анализ древних горных пород показал, что поток углерода в окружающую среду на поверхности Земли и из нее остается относительно сбалансированным, даже при резких колебаниях глобальной температуры. Кроме того, модели выветривания силикатов предсказывают, что этот процесс должен иметь некоторый стабилизирующий эффект на глобальный климат. И, наконец, тот факт, что Земля постоянна пригодна для жизни, указывает на некую врожденную геологическую преграду экстремальным колебаниям температуры.

«У вас есть планета, климат которой подвергался стольким драматическим внешним изменениям. Почему жизнь выжила все это время? Один из аргументов заключается в том, что нам нужен какой-то стабилизирующий механизм, чтобы поддерживать температуру, подходящую для жизни», — говорит Арншайдт. «Но из данных никогда не было продемонстрировано, что такой механизм постоянно контролировал климат Земли».

Арншайдт и Ротман стремились подтвердить, действительно ли работала стабилизирующая обратная связь, изучая данные о колебаниях глобальной температуры в геологической истории. Они работали с рядом глобальных температурных записей, составленных другими учеными, на основе химического состава древних морских окаменелостей и раковин, а также сохранившихся антарктических ледяных кернов.

«Все это исследование возможно только потому, что были достигнуты большие успехи в улучшении разрешения этих глубоководных записей температуры», — отмечает Арншайдт. «Теперь у нас есть данные за 66 миллионов лет, с точками данных, отстоящими друг от друга не более чем на тысячи лет».

К данным команда применила математическую теорию стохастических дифференциальных уравнений, которая обычно используется для выявления закономерностей в сильно колеблющихся наборах данных.

«Мы поняли, что эта теория делает прогнозы того, как можно было бы ожидать историю температуры Земли, если бы существовала обратная связь, действующая в определенных временных масштабах», — объясняет Арншайдт.

Используя этот подход, команда проанализировала историю средних глобальных температур за последние 66 миллионов лет, рассматривая весь период в разных временных масштабах, таких как десятки тысяч лет против сотен тысяч, чтобы увидеть, возникли ли какие-либо закономерности стабилизирующей обратной связи в пределах. каждой временной шкале.

«В какой-то степени это похоже на то, что ваша машина мчится по улице, и когда вы нажимаете на тормоз, вы долго скользите, прежде чем остановиться», — говорит Ротман. «Есть временная шкала, в течение которой срабатывает сопротивление трения или стабилизирующая обратная связь, когда система возвращается в устойчивое состояние».

Без стабилизирующих обратных связей колебания глобальной температуры должны расти со временем. Но анализ группы выявил режим, при котором колебания не возрастали, что означает, что в климате царил стабилизирующий механизм до того, как колебания стали слишком экстремальными. Временной масштаб этого стабилизирующего эффекта — сотни тысяч лет — совпадает с тем, что ученые предсказывают для выветривания силикатов.

Интересно, что Арншайдт и Ротман обнаружили, что в более длительных временных масштабах данные не выявили каких-либо стабилизирующих обратных связей. То есть, по-видимому, не происходит какого-либо повторяющегося отката глобальных температур в масштабах времени, превышающих миллион лет. Что же в этих более длительных временных масштабах сдерживало глобальные температуры?

«Есть идея, что случай, возможно, сыграл важную роль в определении того, почему спустя более 3 миллиардов лет жизнь все еще существует», — предлагает Ротман.

Другими словами, поскольку температура Земли колеблется на более длительных участках, эти колебания могут быть достаточно малы в геологическом смысле, чтобы находиться в пределах диапазона, в котором стабилизирующая обратная связь, такая как силикатный выветривание, может периодически контролировать климат. и более того, в пределах обитаемой зоны.

«Есть два лагеря: одни говорят, что случайность — достаточно хорошее объяснение, другие говорят, что должна быть стабилизирующая обратная связь», — говорит Арншайдт. «Мы можем показать непосредственно из данных, что ответ, вероятно, находится где-то посередине. Другими словами, произошла некоторая стабилизация, но чистая удача, вероятно, также сыграла свою роль в том, чтобы Земля оставалась пригодной для жизни».