Все последние события из жизни вулканологов, сейсмологов
Японцев, Американцев и прочих несчастных, которым повезло родиться, жить
и умереть в зоне сейсмической активности

Стихия

Землетрясение, Извержения вулканов, Ледяной дождь, Лесные пожары, Ливни, Наводнения, Огненный смерч, Паводок, Смерчи (Торнадо), Тайфуны, Тектонический разлом, Ураганы, Цунами, град, ледоход

Вулканы

Авачинский, Асо, Безымянный, Везувий, Йеллоустоун, Кампи Флегрей, Карымский, Килауэа, Ключевская Сопка, Мауна-Лоа, Мерапи, Мутновский, Ньирагонго, Толбачик, Узон, Фаградальсфьядль, Фуэго, Хурикес, Шивелуч, Этна

Тайфуны

Тайфун Нору

Наводнения

Наводнение в Приморье

Районы вулканической активности

Вулканы Камчатки, Вулканы Мексики, Курилы

Грязевые вулканы и гейзеры

Локбатан

Природа

Вулканы, Изменение климата, Красота природы

Наука

Археология, Вулканология

Наша планета

Живая природа, Спасение животных

Ураганы

Тайфун Мэттью, Ураган Ирма, Ураган Харви, ураган Мария

Районы сейсмической активности

Землетрясение в Италии, Землетрясение в Китае, Землетрясение в Турции

Солнечная система

Венера, Марс, Меркурий, Планета Земля, Плутон, Сатурн, Юпитер

Космос

экзопланеты

Астрономические события

Лунное затмение, Метеориты, Противостояние Марса, Суперлуние

Антропогенные факторы

Климатическое оружие

Землетрясения

Прогноз землетрясений

2022-06-06 23:21

Похолодание в кайнозое могло быть вызвано эрозией гор

Рис. 1. Белые скалы Дувра на юго-востоке Англии — пример богатых углеродом морских отложений, образовавшихся в меловом периоде. Известняки, из которых состоят скалы, сложены мельчайшими карбонатными раковинами морского планктона. Фото с сайта en.wikipedia.org

Ученые из Австралии и Великобритании с помощью термодинамического моделирования количественно оценили, как менялись параметры углеродного цикла на протяжении мезозоя и кайнозоя (с 250 млн лет назад по наши дни) и как это отражалось на климате планеты. До сих пор считали, что долгосрочные климатические изменения зависят в первую очередь от скорости движения литосферных плит и выбросов углекислого газа в зонах их расхождения. Авторы исследования установили, что примерно 50 миллионов лет назад начал действовать еще один механизм, существенно влияющий на содержание парниковых газов в атмосфере и глобальные температуры, — выветривание силикатных пород в молодых горных системах. Из-за выветривания в океаны попадает огромное количество углекислого газа в виде карбоната кальция. Там он расходуется многочисленными организмами на строительство раковин, а после их смерти захоранивается в осадочных отложениях. В результате существенная часть одного из главных парниковых газов выводится из оборота на миллионы лет.

На протяжении сотен миллионов лет поверхность Земли то нагревалась, то охлаждалась из-за естественных колебаний уровня углекислого газа в атмосфере. Это предположение лежит в основе концепции смены теплых (парниковых) и холодных (ледниковых) периодов в геологической истории (см. Greenhouse and icehouse Earth).

Чаще планета находилась в парниковом состоянии. Во время последнего теплого периода — палеоцен-эоценового термического максимума (55–50 млн лет назад) — средняя глобальная температура на 10–15°C превышала сегодняшнюю, полярные районы были свободны ото льда, на побережье Антарктиды росли пальмы, а в болотах и влажных тропических лесах на месте нынешней канадской Арктики обитали аллигаторы и черепахи.

Примерно так же тепло было и в меловом периоде (145–60 млн лет назад), когда уровень CO2 в атмосфере превышал 1000 частей на миллион (ppm). Для сравнения, сегодняшнее значение составляет около 420 ppm. В середине эоцена (50 млн лет назад) содержание углекислого газа начало падать, достигнув минимума примерно 21 тыс. лет назад, во время последней ледниковой эпохи, когда средняя температура на планете была примерно на 7°C ниже, чем сейчас (рис. 2).

Рис. 2. График чередования теплых (hot) и холодных (cold) эпох в течение фанерозоя

Рис. 2. График чередования теплых (hot) и холодных (cold) эпох в течение фанерозоя, построенный на основе изотопно-кислородных данных. По горизонтали — возраст (в млн лет) и буквенные обозначения геологических периодов; по вертикали — коэффициент ?18O (в промилле). Синие прямоугольники — ледниковые эпохи. Черная сглаженная кривая показывает долгосрочное усреднение. Подробнее о коэффициенте ?18O и использовании изотопных отношений кислорода в палеоклиматических реконструкциях см. новость Тибетское нагорье поднялось позже, чем предполагалось («Элементы», 15.03.2019). Рисунок с сайта en.wikipedia.org

Темпы поступления в атмосферу углерода — главного компонента CO2 — зависят от интенсивности глобального углеродного цикла, в ходе которого происходит перенос этого элемента между различными геохимическими резервуарами. Различают быстрые и медленные потоки, относящиеся, соответственно, к малому и большому углеродным циклам. Первые представляют собой обмен между биосферой, атмосферой и гидросферой. Их продолжительность сопоставима со сроками жизни живых организмов. Вторые связаны с захоронением углерода в горных породах, и их скорость исчисляется миллионами лет. Именно они определяют состав атмосферы и климат на планете.

Большой углеродный цикл начинается с поступления в атмосферу или толщу морской воды глубинного углерода в составе вулканических газов или гидротермальных растворов. Происходит это, главным образом, в зонах срединно-океанических хребтов (СОХ), где раздвигается морское дно и образуется новая океаническая кора, а также в вулканических поясах на активных континентальных окраинах.

Пройдя малый цикл, накопившийся в живых организмах углерод, возвращается в земную кору. Около 80% осадочных горных пород в Мировом океане образуются из отложений частей организмов, содержащих карбонат кальция. Эти породы, погружаясь в зонах субдукции под континент, возвращают углерод в мантию, и большой цикл замыкается. Таким образом между глубинными слоями Земли и поверхностью переносится огромное количество углерода. Этот «конвейер» приводится в движение тектоникой плит. Его лента движется со скоростью несколько сантиметров в год, а полный цикл занимает десятки или даже сотни миллионов лет (рис. 3).

Рис. 3. Тектонический «конвейер»

Рис. 3. Тектонический «конвейер», перемещающий углеродсодержащие морские отложения (показаны голубым) от срединно-океанических хребтов (mid-ocean ridge) к зонам субдукции (subduction), где они погружаются в мантию. Назад на поверхность углерод возвращается в виде СО2 в зонах срединно-океанических хребтов и, частично, в вулканических дугах (volcanic arc), расположенных над зонами субдукции. Красная стрелка показывает направление движения плиты; зеленым изображена океаническая кора; оранжевым — континентальная кора; желтым — мантийная часть литосферы. Рисунок из популярного синопсиса к обсуждаемой статье

Эта схема лежит в основе большинства моделей геохимического цикла углерода. В качестве главных факторов, определяющих содержание углекислого газа в атмосфере, они рассматривают скорость движения литосферных плит, накопление углерода в морских отложениях и дегазацию вдоль срединно-океанических хребтов и вулканических дуг.

Ученые из Австралии и Великобритании во главе с Дитмаром Мюллером (Dietmar Muller) из Сиднейского университета провели термодинамическое моделирование, результаты которого подтвердили, что ключевую роль в распределении углерода между внешними оболочками Земли (атмосферой, гидросферой, земной корой) и мантией играют планетарные геодинамические процессы, связанные с тектоникой плит. Так, ее замедление в триасово-юрское время привело к снижению выбросов глубинных парниковых газов и похолоданию. А возросшая в меловом периоде тектоническая активность стала причиной ускоренного выделения углекислого газа и резкого потепления на планете (рис. 4).

Рис. 4. Темпы производства океанической коры в срединно-океанических хребтах и ее поглощения в зонах субдукции

Рис. 4. Темпы производства океанической коры в срединно-океанических хребтах (оранжевая линия) и ее поглощения в зонах субдукции (синяя линия) в мезозое (триас, юра, мел) и кайнозое. По горизонтали — возраст (в млн лет); по вертикали — площадь коры (в км2/год). Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Однако, используя только эти переменные, оказалось трудно объяснить глобальное похолодание в кайнозое, начавшееся 50 млн лет назад. В это время из-за столкновения нескольких литосферных плит с образованием на их границах крупных горных сооружений, таких как Тибетское нагорье, Гималаи, а также Анды и Кордильеры, скорость расширения морского дна упала и, как следствие, замедлилось выделение глубинных газов в зонах срединно-океанических хребтов. Казалось бы, все логично: вулканические выбросы СО2 сократились, и температура на планете понизилась. Но геологические данные свидетельствуют о том, что вулканическая активность, особенно на окраинах континентов, в начале кайнозоя продолжала оставаться очень высокой.

Более того, авторы установили, что глубоководные карбонатные отложения в это время превратились в крупнейший поглотитель углерода. Они были настолько богаты этим элементом, что даже при низкой скорости погружения плит, обеспечивали рост выбросов СО2, сводя на нет эффект замедления тектоники плит. Исследователи предположили, что существует какой-то другой процесс, ответственный за падение уровня CO2 в атмосфере и одновременное увеличение содержания углерода в морских отложениях.

Все встало на свои места, когда они учли в модели эффект эрозии горных пород. Суть его заключается в следующем. Быстрый рост гор вызывает их активное разрушение — физическое выветривание. Затем, уже в процессе химического выветривания, под действием диоксида углерода, содержащегося в дождевой воде, основные породообразующие минералы — силикаты К, Ca и Mg — переходят в растворимые соединения — карбонаты. Реки, берущие начало в горных областях, выносят эти соединения в океан, где карбонат кальция (CaCO3) связывается в раковинах морских организмов. После смерти организмов раковины осаждаются на морское дно. Таким образом СО2 изымается из атмосферы, накапливаясь в океане. Атмосфера же, теряя главный парниковый газ, становится более холодной.

Используя такой подход, основанный на гипотезе подъема и выветривания (см. новость Опровергнута связь между подъемом Гималаев и похолоданием в среднем неогене, «Элементы», 24.10.2019), а также детальные реконструкции изменения контуров тектонических плит, авторы построили модель, позволяющую количественно оценить входящие и исходящие потоки углерода для всех геохимических резервуаров за последние 250 млн лет. Результаты показали последовательное увеличение накопления углерода в глубоководных карбонатных отложениях, начиная с мелового периода (рис. 5).

Рис. 5. Количество накопленного углерода в коре и литосферной мантии с начала мезозоя до наших дней

Рис. 5. Количество накопленного углерода в коре и литосферной мантии с начала мезозоя (f — 250 млн лет назад) до наших дней (a — 0 млн лет назад), в тоннах на квадратный метр. Заметное увеличение произошло за последние 50 млн лет в связи с накоплением значительного объема карбонатных осадочных пород на дне океана. Черные линии с белым контуром — срединно-океанические хребты; белые линии с зубцами — зоны субдукции. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

На графиках, полученных исследователями, видно, как в течение мезозоя и кайнозоя менялись геохимические потоки углерода в трех главных глобальных резервуарах: зонах СОХ, океанических плитах и зонах субдукции (рис. 6).

Рис. 6. Изменение со временем глобальных потоков углерода в трех главных геохимических резервуарах

Рис. 6. Изменение со временем глобальных потоков углерода в трех главных геохимических резервуарах: в зонах СОХ (a), на океанических плитах (b) и зонах субдукции (c). По горизонтали — возраст (в млн лет); по вертикали — потоки углерода (в Мт/год); синим изображены осадочные отложения; оранжевым — серпентиниты (продукты поверхностных гидротермальных изменений мантийных пород); зеленым — океаническая кора; красным — литосферная мантия; черным — выделения глубинного углерода в зонах СОХ (a) или общий объем накоплений в океанической плите (b). Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Если в меловом периоде пик выделения углерода в срединно-океанических хребтах совпадает с пиком его накопления в океанической коре и морских осадочных отложениях, то 50 млн лет назад картина меняется — в СОХ, океанической коре и литосферной мантии углерода становится все меньше, а в осадочных породах — все больше.

Интересная закономерность наблюдается и в зонах субдукции (рис. 6, c). В начале мелового периода в опускающихся плитах практически нет осадочных пород, содержащих углерод, а его поток обеспечивают океаническая кора и литосферная мантия. С конца мела в породах морского дна начинают преобладать биогенные пелагические отложения, а с начала кайнозоя основным поставщиком поверхностного углерода в мантию становятся карбонатные породы.

Примерно 20 млн лет назад роль главного источника выбросов углерода на планете перешла от срединно-океанических хребтов к зонам субдукции. Здесь, под континентальными окраинами, при переплавлении погружающихся пород (как карбонатных осадочных, так и серпентинитов), на глубине более 125 км сформировались очаги высокоуглеродистой магмы, подъем которой к поверхности сопровождался образованием вулканических дуг и мощной дегазацией (см. рис. 3).

Сравнив кривые дегазации из разных источников с колебаниями температуры на планете и приростом площади континентов, авторы пришли к выводу, что кайнозойское похолодание связано не со снижением поступления углекислого газа из глубинных источников в атмосферу (они остались примерно на том же уровне, что и в мезозое), а с массовым связыванием СО2 в карбонатах осадочных пород (рис. 7).

Рис. 7. Сравнение кривых дегазации углерода с глобальной температурой и площадью континентов

Рис. 7. Сравнение кривых дегазации углерода (a) с глобальной температурой и площадью континентов (b): a — выделение углерода в СОХ (показано синим), зонах субдукции (оранжевым) и общее поступление углерода в атмосферу (черным), в Мт/год; b — средняя температура у поверхности (черная линия), в °C, и площадь континентов (синяя линия), в млн км2. По горизонтали — возраст в млн лет. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

С конца мела началось активное разрушение горных сооружений, возникших в местах столкновения литосферных плит и ускоренное накопление в океанах карбонатов. Изъятие СО2 из атмосферы привело к постепенному снижению глобальной температуры, появлению ледников в полярных областях и снижению уровня моря. Последовавшее увеличение площади суши только ускорило процессы выветривания силикатных пород.

По расчетам исследователей, если исключить фактор выветривания, для объяснения снижения температуры в неогене нужно допустить сокращение выбросов углерода в атмосферу на 37%, что противоречит геологическим данным. На рис. 7, a видно, что в течение всего неогена суммарный входящий в атмосферу поток углерода только нарастал.

Несмотря на то, что предложенная авторами термодинамическая модель геохимического цикла углерода включает большее количество параметров, чем предыдущие построения, которые связывали объем потока углерода исключительно с динамикой тектоники плит, ученые отмечают, что и в ней есть некоторые ограничения. Так, она не учитывает выбросы углерода в зонах континентальных рифтов, а также потоки этого элемента в глубокой мантии и их смешение с литосферными потоками.

Источник: R. Dietmar M?ller, Ben Mather, Adriana Dutkiewicz, Tobias Keller, Andrew Merdith, Christopher M. Gonzalez, Weronika Gorczyk, Sabin Zahirovic. Evolution of Earth’s tectonic carbon conveyor belt // Nature. 2022. DOI: 10.1038/s41586-022-04420-x.

Владислав Стрекопытов


Источник: elementy.ru