Морские организмы увязали углеродный цикл Земли с изменениями климата за 50 миллионов лет
О результатах исследования сообщает статья, опубликованная в журнале Science Advances.
Уровень концентрации углекислоты лежит в основе глобального углеродного цикла — совокупности процессов, обеспечивающих круговорот углерода между геохимическими резервуарами — атмосферой, биосферой, разными слоями гидросферы и разными оболочками твердого тела Земли. Если эмиссия — поступление углерода в атмосферу как в наиболее подвижную систему — возрастает или понижается, изменения претерпевает весь углеродный цикл, а вместе с ним — и климат. То же происходит и при изъятии части углерода из цикла круговорота.
Углекислотные обстановки геологического прошлого можно реконструировать, пользуясь косвенными данными. По соотношению изотопов углерода и бора в морских карбонатных осадках, по содержанию стабильного изотопа 13C в кальцитах, по изучению морфологии ископаемых растений и другими методами палеоклиматологи установили, что на протяжении большей части кайнозоя — около 60 миллионов лет — уровень CO2 стабильно падал. При этом уровень эмиссии, по-видимому, существенного падения не испытал. Например, один из главных ее источников — вулканизм — сохранял активность. Однако с рубежа палеоцена и олигоцена до начала миоцена, за 14 миллионов лет, содержание CO2 опустилось с 760 до 300 объемных долей на миллион. Этой тенденции сопутствовало общее похолодание и снижение темпа химического (углекислотного) выветривания известняковых массивов, таких как растущие Гималаи. В результате диоксид углерода, связанный в известняках, не высвобождался и не участвовал в углеродном цикле. Кроме того, уменьшилось поступление кальцита CaCO3 в океан.
Принято считать, что последний фактор определяет уровень так называемой глубины карбонатной компенсации (carbonate compensation depth, CCD), на которой скорость осаждения и скорость растворения CaCO3 находятся в динамическом равновесии (при высоких давлениях на глубине кальцит растворим в воде). Ниже границы CCD карбонатные осадки не отлагаются, если же морское дно поднято над ней, идет осадконакопление. Глубина карбонатной компенсации может смещаться вниз при избытке кальцита и углекислого газа в атмосфере (ведь именно из атмосферы CO2 поступает в океан, где морские организмы используют его для строительства внешнего скелета). Но такая ситуация связана с общим потеплением, а между тем климатическая тенденция кайнозоя прямо противоположна. Поэтому ученые ожидали, что граница CCD в кайнозое окажется поднятой к поверхности океанов.
Чтобы выяснить положение уровня глубины карбонатной компенсации, Неманья Комар (Nemanja Komar) и Ричард Зибе (Richard E. Zeebe) из Школы океанических и земных наук и технологий Гавайского университета в Маноа провели модельное исследование эволюции химического состава морских карбонатных пород. Для этого нужно было сопоставить тренды динамики содержания CO2 в атмосфере и сдвигов отношения изотопа 13C к 12C от стандартной сигнатуры в течение кайнозоя (исключая самую раннюю и теплую палеоценовую эпоху). Это отклонение бывает выше при теплом климате, когда бурно развивающаяся жизнь избирательно усваивает легкий изотоп 12C, изымая его из морской воды. Такая модель должна быть температурно-зависимой, чтобы развести и сравнить конкурирующие эффекты от воздействия температуры — рост морской биомассы и реминерализацию (разложение органики и преобразование ее в простейшие неорганические формы).
Исследование показало, что при повышении температуры реминерализация протекает с опережающим темпом, и это уменьшает вероятность захоронения органического углерода в донных осадках. Понижение температуры вызывает обратный эффект. Продукты разложения органики в этом случае растворяются медленнее, следовательно, уровень CCD смещается не к поверхности, как предполагалось ранее, а на глубину. Это видно из графика, построенного на основе двух моделей — изменения концентрации атмосферной углекислоты и содержания 13C в морских карбонатах. В рамках этой модели механизм карбонатной компенсации не связан зависимостью с темпами выветривания на суше.
A. Динамика падения концентрации атмосферного диоксида углерода (в объемных долях на миллион). B. Изменение сдвига соотношения изотопов углерода относительно стандартной сигнатуры. C. Модель изменения глубины карбонатной компенсации в Тихоокеанском регионе, рассчитанная по первым двум графикам. По горизонтальным осям отложено время в миллионах лет; точка 0 ― современный момент. Черные точки на графиках ― величины, полученные путем расчетов, оранжевым указаны области погрешностей. Голубые кружки ― данные наблюдений
Nemanja Komar, Richard E. Zeebe / Science Advances, 2021
Наиболее резкие изменения произошли около 50 миллионов лет назад. Этому предшествовало событие, известное как палеоцен-эоценовый термический максимум — оно завершило палеоценовое потепление пиком содержания CO2, достигшим 2000 объемных долей на миллион, или 0,2 процента (это в пять раз превышает современный уровень). В то же время отношение 13C/12C достигло минимума: морская жизнь испытала кратковременный кризис, а затем быстро восстановилась. Комар и Зибе связали это явление с миграцией основной массы кальцифицирующих организмов, таких как кокколитофориды и фораминиферы, из мелководных шельфовых областей в открытый океан. Об этом говорит наблюдающееся в дальнейшем смещение зон карбонатного осадконакопления. Не исключено, что причиной миграции стало понижение уровня океана в условиях похолодания.
Таким образом, в углеродном цикле кайнозоя ведущая роль принадлежит морским организмам, отлагающим карбонат кальция. Несмотря на вызванное общим похолоданием уменьшение выветривания, деятельность этих организмов, мигрировавших в открытый океан, опустила глубину карбонатной компенсации приблизительно с 3000 до почти 4500 метров. В результате углерод, изымаемый из атмосферы в форме CO2, активно связывался в океанических осадках, что влекло за собой дальнейшее снижение его концентрации в атмосфере и еще большее похолодание.
Выяснение характера взаимосвязей между геохимическим углеродным циклом и историей палеоклиматических трендов необходимо для понимания того, как климат Земли будет эволюционировать в будущем. Это позволит ученым строить более реалистичные модели климата и повысит точность долгосрочных прогнозов. Сейчас Комар и Зибе работают над расширением возможностей своего метода и планируют включить в анализ изменений углеродного цикла и климата ранний кайнозой — палеоцен и начало эоцена, распространив хронологический охват исследования уже на 66 миллионов лет.