Ученые объяснили, как Земля погрузилась в ледниковый период 350 млн лет назад

Фото из открытых источников

Согласно новым исследованиям, более быстрое выветривание горных пород на суше способствовало погружению Земли в глубокий ледниковый период около 350 миллионов лет назад. Исследование превращает давнюю загадку изменения климата в более прямое повествование о потере углерода, изменении океана и планете, склоняющейся к образованию вечных льдов. Результаты были опубликованы в журнале National Science Review.

Древние известняки в Неваде и Монтане сохраняют химический след того поворотного момента в истории Земли. Изучив эти слои, Фэйфэй Чжан из Нанкинского университета обнаружила одинаково резкое падение содержания лития в обоих участках породы.

Это падение совпало со значительным увеличением содержания изотопов углерода в период от 359 до 347 миллионов лет назад, что позволило уточнить сроки этого перехода.

Поскольку один и тот же паттерн наблюдается в двух разных бассейнах, этот сигнал требует более широкого объяснения, чем любые локальные геологические особенности.

В процессе силикатного выветривания, химического процесса, в ходе которого углерод связывается с растворенными веществами, дождевая вода медленно размывает свежие горные породы. Затем реки переносят этот материал в море, где он может оказаться погребенным в морских отложениях.

Когда процессы выветривания ускоряются на больших территориях, атмосфера может терять углекислый газ быстрее, чем вулканы его восполняют. Таким образом, полученный сигнал перестал быть просто любопытным фактом, поскольку он указывал на прямой путь от разрушения породы к ее охлаждению.

Незначительные изменения в изотопах лития, балансе между двумя формами лития, дали команде наиболее ясную подсказку. В процессе выветривания горных пород более легкий литий, как правило, оказывается запертым в новой глине, в то время как растворенный литий поддерживает иное равновесие. Исследователи зафиксировали резкое снижение содержания лития в морской воде примерно на 12 частей на тысячу, что свидетельствует об усилении континентального выветривания.

Более ранние аргументы основывались на менее убедительных данных, поэтому эта более четкая запись придала затянувшимся дебатам более прочную основу. Древние породы могут вводить в заблуждение, когда более поздние жидкости или случайные минеральные зерна перекрывают химический состав, зафиксированный ими изначально. Чтобы избежать этой ловушки, команда проверила образцы на наличие загрязнений и сравнила два участка, образовавшихся в разных условиях.

В обоих разрезах наблюдались одинаковые широкие колебания, что делало предположения об изменениях в процессе захоронения, горячих жидкостях и локальном смешивании гораздо менее убедительными.

Это не устраняет всех неопределенностей, но оставляет глобальный экологический кризис в качестве наиболее правдоподобного объяснения. Затем с помощью компьютерного моделирования была проверена возможность того, что более интенсивное выветривание действительно может привести к цепочке изменений, наблюдаемых в горных породах. 

Эти эксперименты воспроизвели примерно 30-процентное увеличение выветривания силикатов и резкое снижение концентрации углекислого газа в атмосфере. В модели концентрация углекислого газа снизилась примерно с 1000 частей на миллион до приблизительно 200, плюс-минус 200. Этот диапазон условий значительно приблизил бы Землю к условиям, необходимым для образования и сохранения льда.

Исследование не указывает на какого-либо одного виновника, но сужает круг возможных причин до двух наиболее вероятных вариантов. Один из вариантов связан с поднятием горных хребтов вблизи экватора, где поднятие обнажит свежие породы и ускорит эрозию.

Другой вариант указывает на распространение ранних семенных растений, корни и почва которых могли способствовать разрушению минеральных веществ.

Оба пути соответствуют данным, и оба будут направлять больше растворенных питательных веществ в прибрежные моря.

Увеличение количества питательных веществ в морской воде не останется незамеченным, поскольку морские микробы размножаются быстрее при повышении уровня фосфора и других необходимых веществ.

По мере разрастания этой массы отмершие органические вещества опускаются на дно и разлагаются, потребляя кислород в более глубоких слоях воды.

Модели подтвердили эту картину, показав более высокую производительность и более широкое распространение аноксии — обезвоживания воды, лишенной полезного кислорода, — во время охлаждения.

Эта связь важна, потому что она соединяет химический состав почвы с воздействием морской среды, а не просто с похолоданием воздуха.

В течение многих лет ученые спорили о том, что именно в большей степени способствовало похолоданию: погребенный органический углерод или ускоренное выветривание горных пород.

В этом исследовании основное внимание уделялось выветриванию, однако оно также показало, как выветривание может способствовать повышению продуктивности океана и захоронению большего количества углерода.

Такое сочетание помогает объяснить, почему скачок изотопного состава углерода был таким большим, и почему более ранние записи уже указывали на заметное похолодание.

Вместо того чтобы выбрать одного победителя, газета превращает старое соперничество в цепочку взаимосвязанных причин.

Естественные процессы выветривания и сегодня продолжают удалять углекислый газ, но их действие длится гораздо дольше, чем действие выбросов, производимых человеком.

«В прошлом содержатся ключи к пониманию настоящего и прогнозированию будущего», — говорит Чжан.

Эта идея находит отклик, потому что климатическим моделям необходимо знать не только то, что именно поглощает углерод, но и насколько медленно работает каждый из этих процессов.

Ни один древний процесс не может компенсировать современное загрязнение окружающей среды в масштабах человеческой жизни, хотя данные, полученные в глубокой древности, всё ещё могут повысить точность долгосрочных прогнозов.

Благодаря сопоставлению одного химического следа в древней морской воде с разрушением горных пород на суше, исследование предлагает действенный механизм для объяснения этого изменения климата.

Более точные данные из других регионов должны позволить проверить, действительно ли горы, растительность или и то, и другое подтолкнули Землю к рубежу ледяного покрова.