Вулканы могли охладить Землю неожиданным для ученых образом

Фото из открытых источников

Вулканы обычно связывают с кратковременными климатическими катаклизмами, но новые исследования показывают, что их пепел может также способствовать долгосрочному похолоданию. Исследование древних извержений в Андах показывает, как пепел, выпадающий в океан, может вызывать биологические изменения, которые распространяются по всей морской пищевой цепи. Результаты исследования опубликованы в журнале Communications Earth & Environment.

Эти изменения могут извлекать углекислый газ из атмосферы и накапливать его на глубине океана, демонстрируя мощный природный процесс, способный формировать климат на протяжении миллионов лет.

Осадочные породы, богатые пеплом, и ископаемые остатки на окраинах Южного океана сохраняют тесно переплетенную летопись вулканических извержений, цветения водорослей и масштабных изменений в морской среде.

Прослеживая эти сигналы в геологических отложениях, Марк Клементц из Университета Вайоминга напрямую связал повторяющиеся извержения вулканов Анд с изменениями продуктивности океана и содержанием углерода в атмосфере. В тот же период наблюдается рост численности водорослей и снижение уровня углекислого газа, происходящие параллельно с каждой крупной фазой вулканической активности. Такое совпадение указывает на устойчивую реакцию океана, а не на отдельные события, что обуславливает необходимость объяснения того, как пепел мог неоднократно вызывать столь масштабные биологические и климатические эффекты.

В результате мощных извержений пепел, несущий железо, фосфор и кремний, попал в воды вокруг Антарктиды, где даже небольшой дефицит может сдерживать масштабный рост. Железо, фосфор и кремний особенно важны для диатомовых водорослей — крошечных водорослей со стекловидными раковинами, которые обеспечивают около одной пятой мировой первичной продукции.

Классические эксперименты показали, что избыток железа может спровоцировать цветение водорослей в водах Южного океана, даже если другие питательные вещества уже присутствуют. Более интенсивный рост у дна океана означал больше пищи над ним, что подготовило почву для более масштабных экологических изменений, сохранившихся в ископаемых останках.

По мере расширения цветения водорослей все больше углерода перемещалось из поверхностных вод в темный океан, находящийся ниже. Океанографы называют этот нисходящий перенос биологическим насосом — процессом, который направляет поверхностный углерод вниз по мере того, как живые организмы опускаются на дно. 

Когда часть этого материала достигает глубоких вод или ила, в воздухе остается меньше углекислого газа. Однократное цветение быстро угасает, но повторяющиеся вспышки могут продолжать накапливать углекислый газ в долгосрочном запасе еще долго после того, как пепел осядет.

Ископаемые останки морских млекопитающих показывают, что жизнь китов быстро менялась в тот же период, что и выбросы пепла. Средняя длина усатых китов увеличилась примерно с 5 метров до 12 метров по мере изменения мест кормления и береговой линии. Современные киты-усачи ежегодно перемещают более 3700 тонн азота между местами кормления и размножения. Вероятно, более крупные древние киты усиливали круговорот питательных веществ и накапливали углерод в тонущих телах, хотя новые модели не в полной мере учитывали эти эффекты.

Чтобы проверить, было ли это просто совпадением, исследователи воссоздали пепловые шлейфы и реакцию океана. Большая часть имитированного пепла переместилась на восток через Южную Америку в Южную Атлантику, а затем дальше в сторону южной части Индийского океана.

Часть пепла также выпала вблизи берегов Тихого океана, обеспечив близлежащие воды прямым поступлением питательных веществ. Пеплоносные потоки, распространявшиеся на восток, сделали океаническое кольцо вокруг Антарктиды наиболее подходящим местом для многократного внесения удобрений.

Когда имитированный пепел достиг поверхности воды, модель океана отреагировала резко и практически мгновенно. За первые два года после каждого внесения питательных веществ рост диатомовых водорослей в поверхностных водах увеличился более чем вдвое.

За более чем 300 лет четыре извержения помогли океану с каждым повторяющимся циклом немного увеличить поглощение углекислого газа из воздуха. Таким образом, кратковременные извержения могут накапливать свои климатические последствия с течением времени, а не исчезать как отдельные события.

Более длительные модельные расчеты показали, что расстояние между очагами извержения имело почти такое же значение, как и размер извержения, при формировании долгосрочных потерь углерода из атмосферы. Однократное поступление питательных веществ на короткое время снизило уровень углекислого газа, после чего океан постепенно вернулся к своему прежнему состоянию.

Когда эти всплески повторялись, падение концентрации углекислого газа становилось более значительным и длилось гораздо дольше, особенно когда пыль и пепел накапливались одновременно. Таким образом, повторяющиеся всплески поступления питательных веществ могут оказывать большее влияние на климат в долгосрочной перспективе, чем один масштабный выброс.

Ученые называют этот период поздним миоценом — геологический отрезок времени, охватывающий период примерно от 11,6 до 5,3 миллионов лет назад. «Выявление механизмов, которые привели к этому переходу, имеет решающее значение, особенно для понимания того, как системы Земли могут реагировать на текущие и будущие изменения климата», — сказал Клементц.

Нарастание льда, изменение направления ветров и реорганизация течений также сыграли свою роль, поэтому пепел, вероятно, действовал в сочетании с другими силами, а не в одиночку. В статье утверждается, что пепел был недооцененным фактором, а не единственной причиной похолодания планеты.

Данное исследование не предлагает решения проблемы современного глобального потепления, поскольку сегодняшний всплеск выбросов углекислого газа происходит гораздо быстрее. «Выявляя взаимосвязи между вулканической активностью, продуктивностью океана и поглощением углекислого газа , это исследование позволяет понять механизмы, которые могут влиять на глобальный климат в долгосрочной перспективе», — сказал Клементц.

Климат формируется не только за счет воздуха – вода, пищевые цепи и осадки также играют важную роль в его изменении. Взятые вместе, пепел, цветение водорослей, перемещение китов и снижение уровня углекислого газа воспринимаются не как отдельные события, а скорее как один взаимосвязанный эпизод.

Более широкий взгляд может улучшить принятие решений в области климатической устойчивости, природных ресурсов и рисков быстрых изменений. Более точные данные о размерах извержений, химическом составе пепла и древней циркуляции океана должны прояснить, насколько сильное похолодание вызвала эта цепная реакция.