Ледниковые периоды спровоцировали вулканическую активность, питавшую планктон

Фото из открытых источников

В ледниковые периоды, когда уровень моря понижался, на дне океана, на глубине тысяч метров, происходило нечто неожиданное.  Давление на подводные вулканы уменьшилось, вулканическая активность вдоль срединно-океанических хребтов увеличилась, и эта активность привела к высвобождению железа. Как выяснилось, железо стало пищей для планктона на поверхности.

Новое исследование выявило доказательства существования обратной связи между ледниковыми периодами, вулканической активностью на морском дне, океанической биологией и атмосферным углеродом. Исследователи утверждают, что ранее никто не связывал эти процессы подобным образом.Исследование возглавил Синчэнь Тони Ван из Бостонского колледжа. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Geoscience.

Группа исследователей проанализировала образцы осадочных пород из восточной экваториальной части Тихого океана, охватывающие последние 200 000 лет. Фитопланктон микроскопичен, и его значение легко недооценить.

Эти крошечные организмы используют солнечный свет и питательные вещества для роста, и при этом они извлекают углерод из атмосферы и попадают в океан. Они являются одним из важнейших механизмов круговорота углерода на планете.

В некоторых частях океана фитопланктон не испытывает дефицита основных питательных веществ, поскольку азота и фосфора достаточно. Ему не хватает железа.

«В некоторых океанических регионах рост фитопланктона ограничивается не нехваткой основных питательных веществ, а, например, отсутствием витаминов», — сказал Ван. «Этот „дефицит железа“ — одна из причин, по которой внесение железа в океан обсуждается как возможная стратегия удаления углекислого газа».

Стандартное объяснение происхождения железа заключалось в том, что его приносят ветром на поверхность океана, переносимые пылью. Данное исследование указывает на второй источник, действующий снизу вверх.

Срединно-океанические хребты — это подводные горные массивы, где тектонические плиты расходятся, и вулканическая активность носит непрерывный характер. Гидротермальные источники вдоль этих хребтов выбрасывают в океан богатые железом жидкости.

Исследователи предполагают, что ледниковые периоды могли усилить этот процесс. По мере понижения уровня моря давление на системы срединно-океанических хребтов уменьшалось, что потенциально могло привести к увеличению вулканической активности и усилению высвобождения железа в глубинные воды.

Исследовательская группа сосредоточила внимание на восточной экваториальной части Тихого океана и Восточно-Тихоокеанском хребте, одном из самых активных срединно-океанических хребтов на Земле.

Чтобы отследить активность фитопланктона за последние 200 000 лет, исследователи проанализировали изотопы азота, сохранившиеся в окаменелых раковинах фораминифер — крошечных морских организмов, остатки которых накапливаются на морском дне.

«Изотопы азота в этих ископаемых раковинах позволили нам реконструировать, как менялось использование питательных веществ на поверхности океана с течением времени», — сказал соавтор исследования Тяньшу Конг.

Анализ данных выявил два основных пика потребления питательных веществ в период последних двух переходных этапов после ледниковых периодов.

«Когда совпали данные за 200 000 лет, два пика дегляциации оказались поразительными», — сказал Конг.

Эти пики точно совпадали с периодами повышенного гидротермального выброса железа с Восточно-Тихоокеанского хребта.

Исследователи также проверили несколько альтернативных объяснений. Среди них были переносимое пылью железо, изменения в океанической циркуляции, смещения зон с дефицитом кислорода, движение зоны с ограниченным содержанием железа и поступление питательных веществ из Южного океана.

Ни один из методов не совпал по времени так точно, как данные о гидротермальном железе, что подтверждает предположение о том, что вулканическая активность вдоль срединно-океанических хребтов способствовала древним цветениям фитопланктона.

Однако у этой идеи есть очевидная проблема. Железо высвобождается на глубине тысяч футов под поверхностью, в то время как фитопланктон обитает в освещенных солнцем водах над ней. Чтобы проверить, сможет ли железо совершить это путешествие, команда под руководством одного из соавторов, Сяочжоу Жуаня, доцента Бостонского университета, провела моделирование циркуляции океана.

«Океан — это не статичное пространство. Он постоянно движется, перемешивается и взаимодействует с рельефом морского дна», — сказал Руан.

Результаты моделирования показывают, что более интенсивная гидротермальная активность может переносить железо вверх в глубины, где перемешивание океанических вод и апвеллинг начинают влиять на поверхностные воды. Когда железо достигало меньших глубин, апвеллинг и перемешивание могли выносить его на поверхность, где его мог использовать фитопланктон. По мере роста этого планктона он поглощал бы больше углерода из атмосферы в океан.

«Удивительный вывод заключается в том, что жизнь на освещенной солнцем поверхности океана может быть связана с вулканической активностью на глубине тысяч метров», — сказал Ван.

Полученные результаты указывают на возможную петлю обратной связи, связывающую уровень моря, вулканическую активность на морском дне, биологию океана, накопление углерода, содержание углекислого газа в атмосфере и климат.

Исследование началось с изучения влияния железа, переносимого пылью, на почву, содержащуюся в почве. Связь с морским дном стала очевидной только после того, как были собраны данные о содержании азота за 200 000 лет. Исследователи обнаружили два пика дегляциации, которые не могли быть объяснены гипотезой о влиянии пыли.

«Это был естественный эксперимент, созданный собственными климатическими циклами Земли», — сказал Ван. «По мере понижения уровня моря во время ледниковых периодов давление на системы срединно-океанических хребтов уменьшалось. Предыдущие исследования предполагали, что это могло привести к увеличению гидротермального высвобождения железа во время дегляциации».

Следующий шаг — проверка того, действует ли тот же механизм в Южном океане, где изменения в динамике питательных веществ оказывают более сильное влияние на атмосферный CO2. Если бы гидротермальное удобрение железом было широко распространено, а не носило локальный характер, его роль в климатических циклах ледниковых периодов могла бы быть значительно больше, чем это можно установить с помощью одного лишь данного исследования.