Изменения уровня моря миллионы лет поддерживали стабильный климат Земли 

Фото из открытых источников

Земля каким-то образом оставалась пригодной для жизни более 100 миллионов лет, отчасти благодаря естественной системе регулирования климата, которую ученые так и не смогли до конца понять. Новое исследование заполняет важный пробел в этой истории, показывая, как изменения уровня моря контролировали содержание одного из важнейших питательных веществ в океане. Это питательное вещество, в свою очередь, влияло на количество углекислого газа, остающегося в атмосфере.

В исследовании прослеживается, как повышение и понижение уровня моря в сочетании с изменениями содержания растворенного кислорода в океане влияли на доступность фосфатов и уровень CO2 в атмосфере на протяжении последних 60 миллионов лет. Результаты были опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

«Мы знаем, что содержание углекислого газа в атмосфере существенно снизилось по мере охлаждения Земли за последние 60 миллионов лет. Но мы удивительно мало понимаем, куда в итоге попал этот углерод», — сказала ведущий автор исследования профессор Роза Рикаби из Оксфордского университета. «Наши результаты показывают, что усиленное захоронение органического углерода в морских отложениях сыграло гораздо более важную роль, чем считалось ранее».

Исследователи описывают один из ранее невидимых элементов головоломки, определяющих захоронение углерода в океанических отложениях: фосфаты.

Фосфат — это питательное вещество, без которого не могут существовать морские организмы, и его доступность в значительной степени зависит от уровня моря. Когда уровень моря повышается, обширные континентальные шельфы задерживают фосфаты в мелководных отложениях, фактически лишая открытый океан этого питательного вещества.

Меньшее количество фосфатов означает меньшее количество морской жизни, а значит, меньше органического углерода оседает и захоранивается. Это позволяет океану оставаться хорошо насыщенным кислородом, в то время как углекислый газ продолжает накапливаться в атмосфере.

Если понизить уровень моря, все перевернется с ног на голову. Сокращающиеся шельфы высвобождают накопленные фосфаты обратно в воду, и в ответ на это происходит цветение морской жизни. По мере того, как вся эта избыточная органическая материя отмирает и опускается на дно, ее разложение потребляет кислород в воде. Затем начинают формироваться зоны с низким содержанием кислорода.

Как только эти зоны с низким содержанием кислорода распространяются достаточно далеко, чтобы достичь богатых углеродом шельфовых отложений, они запускают петлю обратной связи. В условиях недостатка кислорода из осадочных пород высвобождается еще больше фосфатов. Эти фосфаты способствуют дальнейшему захоронению органического углерода, что, в свою очередь, приводит к еще большему удалению CO2 из воздуха.

Исследователи сосредоточили внимание на определенном диапазоне уровня моря, примерно на 10–40 метров выше современного уровня. В этом диапазоне петля обратной связи работала с максимальной силой. В этот период зоны с минимальным содержанием кислорода практически идеально совпадали с богатыми органическими веществами шельфовыми отложениями. Такое выравнивание обеспечивало максимальное захоронение углерода, иногда на протяжении миллионов лет.

Чтобы проверить это на соответствие реальности, команда сравнила эти закономерности с геологическими данными за 60 миллионов лет. Они изучили данные об изотопах углерода и скорости накопления фосфора в глубоководных отложениях. Они также использовали новый метод преобразования йода в кальций, разработанный специально для реконструкции уровня кислорода в древних океанах.

Метод определения соотношения йода и кальция позволяет считывать химический состав фораминифер — крошечных морских организмов, сохранившихся в донных отложениях, — и определять содержание кислорода в древней океанской воде. Образцы были проанализированы с помощью масс-спектрометра в Сиракузском университете.

В данных отчетливо выделяется один период: эоценовая эпоха, длившаяся примерно от 56 до 34 миллионов лет назад. В течение этого периода весь механизм захоронения углерода, по сути, прекратил свою работу. Уровень моря достиг пика, континентальные шельфы оставались под водой, а мелководные осадочные породы эффективно удерживали фосфаты. Между тем, океан оставался полностью насыщенным кислородом.

Когда обратная связь была отключена, углерод продолжал накапливаться в атмосфере, и в результате планета оставалась теплой.

Если рассматривать ситуацию в геологическом масштабе, исследование выявляет интересный момент: период захоронения углерода сузился по мере того, как зоны с минимальным содержанием кислорода со временем опускались глубже.

Этот медленный процесс постепенно стабилизировал как уровень кислорода, так и уровень углекислого газа в атмосфере. Со временем колебания между захоронением углерода и его накоплением в атмосфере стали менее выраженными.

В результате климатическая система Земли на протяжении этих огромных исторических периодов становилась все более устойчивой. Данная работа напрямую опирается на более ранние исследования, в которых использовался тот же метод преобразования йода в кальций для реконструкции уровня кислорода в древних океанах.

Так, в исследовании, ранее опубликованном в журнале Nature Geoscience, использовалась та же методика для изучения древних тропических океанов. Исследователи обнаружили, что эти океаны были богаты кислородом еще в протерозойскую эру. Сотни миллионов лет назад планетарный переломный момент изменил эту картину, превратив ее в ту, которую мы знаем сегодня.