Ученые объяснили, почему Земля оставалась замороженной в течение 56 млн лет

Фото из открытых источников

Химическая реакция на дне океана стала решающим фактором, позволившим одному планетарному ледниковому периоду длиться 56 миллионов лет, в то время как последующее похолодание закончилось всего через 4 миллиона лет. Этот результат опровергает давнее предположение о том, что только вулканический углерод определил самые экстремальные климатические состояния Земли.

Геологические породы, возраст которых превышает 600 миллионов лет, свидетельствуют о двух глобальных похолоданиях, длившихся совершенно разную продолжительность.

Проследив перемещение углерода между океаном и атмосферой, Трент Б. Томас из Вашингтонского университета (UW) продемонстрировал, что интенсификация выветривания морского дна может удерживать парниковые газы на достаточно низком уровне, чтобы продлить условия глубокого замерзания на десятки миллионов лет. Результаты нового исследования были опубликованы в журнале Geology.

В его моделировании выбросы вулканического углерода оставались в одном и том же диапазоне для обоих эпизодов, однако только сценарий с ускоренными реакциями на дне океана воспроизвел длительное оледенение. 

Этот дисбаланс был направлен от неба к морскому дну, что обусловило необходимость понять, как дно океана получило такой непропорционально большой контроль над климатическими часами Земли. Геологи называют эти планетарные периоды глубокого похолодания явлениями «Земли-снежка» — периодами, когда лед распространялся почти по всей планете и достигал почти экватора.

«Если между двумя событиями, подобными феномену «Земли-снежка», то в углеродной системе должны быть существенные различия, — сказал Трент Б. Томас из Вашингтонского университета.

Вулканы выделяют CO2, а стабилизирующая обратная связь ускоряет разрушение горных пород на теплых, влажных континентах и замедляет его в холодные периоды. Когда лед начинает распространяться, яркие поверхности отражают солнечный свет обратно в космос, и ледники могут продолжать продвигаться, пока наземный термостат не перестает работать.

Поскольку континенты оказались погребены подо льдом, разрушение горных пород замедлилось до минимума, но морская вода по-прежнему проникала через трещины в океанической коре.

Этот процесс называется выветриванием морского дна: морская вода реагирует с горными породами морского дна, захватывая углерод в виде минералов.

В результате этих реакций происходил высвобождался растворенный ион, осаждались углеродсодержащие минералы, что позволяло океану удерживать больше углерода, в то время как уровень CO₂ в атмосфере снижался.

Хотя сегодня этот процесс играет лишь незначительную роль, модель Томаса указывает на то, что он может стать доминирующим поглотителем углерода в период глобального ледового покрова, длящегося миллионы лет.

Чтобы проверить эту идею, команда Вашингтонского университета провела 10 000 симуляций океанов, воздуха и горных пород во время глобальной глубокой заморозки.

В ходе этого исследования было установлено, что поступление углерода из недр Земли оставалось стабильным, в то время как реакции на морском дне ускорялись или замедлялись.

Длительный период похолодания был обусловлен лишь одним фактором: выветривание морского дна происходило примерно в 25-53 раза быстрее, чем сегодня, что значительно превышало показатели короткого периода похолодания.

Поскольку в ходе проведенных исследований скорость выбросов углерода оставалась в пределах современной погрешности, результаты показали, что большая часть времени отсчитывается с морского дна.

Высокое содержание CO2 делало морскую воду более кислой во время ледниковых периодов, поэтому донные породы растворялись быстрее везде, где могла до них дойти вода.

Из-за того, что реки были забиты льдом, в глубокие слои океана попадало гораздо меньше ила, в результате чего более древняя земная кора оставалась открытой для циркуляции морской воды. Уменьшение количества наносов привело к уменьшению числа герметизирующих слоев в трещинах морского дна, что, вероятно, позволило большему количеству воды протекать и вступать в реакцию.

В таких условиях, когда континенты замерзнут и замолкнут, основным поглотителем углерода может стать океанское дно.

Текстура горных пород имела значение, поскольку морская вода могла вступать в реакцию только там, где она могла проникнуть в земную кору и перемещаться сквозь нее. Ученые называют эту открытость пористостью — долей породы, состоящей из соединенных между собой открытых пространств.

Вблизи горячих гидротермальных источников на морском дне некоторые минералы могут затвердевать внутри трещин, перекрывая поток воды и замедляя реакции. Более открытая земная кора дольше сохраняет реактивность, поэтому изменения пористости могут определять, останется ли Земля замерзшей на долгие годы.

Возможно, химический состав океана контролировал пористость земной коры за счет количества сульфата — растворенного в морской воде соединения серы, — доступного вблизи гидротермальных источников.

При высоком содержании сульфатов минералы легче образуются в горячей земной коре и закупоривают трещины, ограничивая контакт воды с породой.

Геохимические данные, представленные в статье, указывают на то, что сульфаты практически отсутствовали во время длительного оледенения, а затем их концентрация восстановилась перед коротким оледенением.

Если эти временные рамки сохранятся, небольшие колебания химического состава морской воды могут решить, закончится ли «снежный ком» быстро или затянется надолго.

Низкое содержание сульфатов и открытые поры могут создать замкнутый круг, который поддерживает высокую интенсивность выветривания морского дна и замедляет оттаивание.

Меньшее количество закупоривающих минералов поддерживает поры земной коры открытыми, позволяя большему количеству морской воды циркулировать через породу и поддерживать реакцию.

Увеличение продолжительности ледового покрова также может приводить к низкому содержанию кислорода в океанах, что, в свою очередь, может поддерживать низкий уровень сульфатов.

«Это лишь попытка начать дискуссию», — сказал Томас, изложив, как химический состав океана может влиять на реакции на морском дне.

Климат планеты может зависеть от химического состава морского дна в большей степени, чем предполагали ученые, особенно когда поверхности становятся неблагоприятными для обычного разрушения горных пород.

На покрытой льдом планете концентрация парниковых газов может медленно расти на протяжении веков, однако химический состав океанического дна по-прежнему может определять, когда лед начнет отступать.

Даже без полного эффекта «снежного шара» более холодные океаны или трещины на морском дне, остающиеся открытыми, могут регулировать скорость удаления углерода из атмосферы.

Современные климатические проблемы связаны с более быстрыми изменениями и живыми экосистемами, поэтому данная работа в основном переосмысливает представления о долгосрочной перспективе, а не краткосрочные прогнозы.

Новое объяснение связывает продолжительность древних глобальных заморозков с химическими реакциями на дне океана, которые продолжают извлекать углерод из атмосферы.

Для дальнейших исследований потребуются данные геологических исследований и геохимические данные, чтобы определить, действительно ли пористость морского дна изменилась, как предсказывает модель.