Однако углекислый газ не может храниться в породах бесконечно. В частности, в зонах субдукции карбонаты океанского дна погружаются в мантию. Часть углекислого газа из этих пород испаряется при высоких температурах и растворяется в расплаве мантии над погружающимся краем литосферной плиты (плавление происходит из‑за воды, которая также испаряется из слэба, как это описано в главе 4), а потом возвращается в атмосферу с вулканическим газом. Некоторые карбонаты выживают на стадии выпаривания и, возможно, погружаются в глубокую мантию. Считается, что мантия способна сохранять большое количество углерода, пусть и не в высоких концентрациях. С учетом ее огромного объема полное количество углерода в мантии, вероятно, значительно больше, чем в земной коре и океанах, хотя это еще остается предметом дискуссий. То, что в мантии Земли много углерода, доказывает его устойчивая форма, скрытая на глубине нескольких сотен километров, – алмазы. Время от времени они быстро поднимаются к поверхности и остаются в застывших магматических породах – магме, которая «застревает» в земной коре. Самые известные такие породы называются кимберлитами – в честь города Кимберли в Южной Африке, где их впервые нашли. Но алмазы явно не способствуют увеличению в атмосфере двуокиси углерода, а вот при извержениях вулканов в срединно‑океанических хребтах (и в меньшей степени в горячих точках, вроде Гавайских островов) из мантии просачивается углекислый газ. Так происходит медленное и постоянное проникновение углекислого газа в атмосферу Земли из ее недр. Не весь он затем уходит обратно в результате эрозии и выветривания, и этой медленной подачи углекислого газа в атмосферу достаточно для поддержания парникового эффекта на нашей планете.
Этот геохимический цикл углерода – выведение углекислого газа из атмосферы в результате выветривания и эрозии свежих минералов и возвращение его обратно благодаря вулканизму – предположительно, оказывает значительную отрицательную обратную связь, которая очень важна для этой истории. (Гипотеза о существовании отрицательной обратной связи до сих пор вызывает активные споры. Ее иногда называют моделью Walker World в честь Джеймса Уокера и его коллег. Эта модель похожа на более продвинутую BLAG‑ модель Роберта Бернера.) Выветривание и эрозия минералов зависят от температуры поверхности во многих отношениях. Во‑первых, при высоких температурах испаряется больше воды и, как следствие, выпадает больше осадков в виде дождя или снега, которые, в свою очередь, управляют процессом эрозии. Выпадению осадков также способствует наличие гор, так как ветер несет влажный воздух вдоль их склонов на большую высоту, где конденсируется водяной пар. Во‑вторых, при высоких температурах быстрее происходят карбонизация и выветривание. Когда избыток углекислого газа выбрасывается в атмосферу в результате извержения вулкана, лесного пожара или неконтролируемого сжигания ископаемого топлива (хм, что бы это могло быть?), потепление и парниковый эффект усиливают осадки и эрозию и ускоряют процесс выветривания минералов, выводя углекислый газ из атмосферы. (Это занимает миллионы лет и потому не спасет человечество, если мы не сумеем намного ускорить этот процесс и продолжим наше безрассудное потребление.) Если же уровень углекислого газа резко упадет, как это, возможно, произошло в далеком прошлом, тогда отсутствие парникового эффекта приведет к тому, что температуры снизятся и это ограничит процесс испарения, выпадения осадков, эрозию и выветривание, а затем остановит и выведение углекислого газа. Его уровень не будет снижаться, а вулканизм будет медленно выпускать углекислый газ в атмосферу. Таким образом, тектоника плит не позволяет ни уровню содержания углекислого газа, ни температуре стать слишком высокими или слишком низкими. Тектонический цикл сохраняет климат относительно стабильным в течение сотен миллионов лет. Слово «стабильный» здесь означает, что тектонический цикл препятствует скачкам температуры в десятки градусов Цельсия, однако он не защищает Землю от наступления ледникового периода или установления жаркого климата и исчезновения льдов.
Жизнь, и в частности ее сложные формы, могут развиваться и выживать при умеренных колебаниях климата, но не при катастрофических: например, если из‑за резкого усиления парникового эффекта будет высвобождена бóльшая часть углекислого газа, испарится значительная часть воды океанов, а Земля превратится в настоящий ад, вроде венерианского. Тектоника плит эффективно сглаживает сильные колебания климата.
Помимо цикла тектоники плит океаны, атмосфера и ледяной покров имеют и сильную положительную обратную связь, что стимулирует изменения климата. Эти положительные обратные связи усиливают небольшие изменения получаемой солнечной энергии, вызванные слабыми колебаниями активности Солнца, орбиты Земли и ее оси вращения. Это явление называют циклами Миланковича.
Сербский астрофизик и геофизик начала XX в. Милутин Миланкович предположил, что изменения параметров орбиты Земли и ее вращения вокруг своей оси могут вызывать ледниковые циклы, которые длятся десятки тысяч лет. Есть три основных эффекта, описываемых этими циклами. Самый быстрый цикл происходит из‑за того, что ось вращения Земли движется, подобно оси теряющего скорость волчка, по расходящейся спирали (так называемое прецессионное движение), описывая полную петлю каждые 26 000 лет. Это меняет времена года таким образом, что через 13 000 лет в Северном полушарии в январе будет лето. Следующий цикл Миланковича описывает, как наклон оси вращения Земли колеблется между вертикальным положением (т. е. перпендикулярным к плоскости Солнечной системы) и наклонным, где наклон немного больше, чем сейчас (в настоящее время ось наклонена не критично), что происходит каждые 40 000 лет. Это влияет на сезонные различия в климате: чем больше угол наклона, тем холоднее будет зима и жарче лето. Наконец, изменяется орбита Земли вокруг Солнца – от круглой к чуть более эллиптической. Это происходит примерно каждые 100 000 лет и меняет приближение Земли к Солнцу. Вместе эти циклы (наряду с асимметрией между Северным и Южным полушариями, которые из‑за различного соотношения суши и океанов по‑разному поглощают солнечный свет) влияют на то, сколько солнечного света поглощает наша планета каждые 20 000, 40 000 и 100 000 лет. Следы циклов Миланковича были проверены по климатической записи глубоководных отложений.
Колебания количества полученного солнечного света, вызванные циклами Миланковича, очень малы, однако положительные обратные связи в океане и атмосфере усиливают их до такой степени, чтобы вызвать циклы ледниковых периодов (называемых оледенением и межледниковьем) с периодами от десятков тысяч до сотен тысяч лет. Если тектонический цикл смягчает сильные колебания климата, то океаны и ледниковые шапки Земли, наоборот, их «преувеличивают», как плохой актер или журналист, пишущий о науке. (Шучу. Отчасти.)
Одной из важных положительных обратных связей служит способность океанов растворять огромное количество углекислого газа; в океанах его гораздо больше, чем в атмосфере, но гораздо меньше, чем содержится в земной коре в виде карбонатов. При этом теплая морская вода растворяет углекислый газ хуже, чем холодная, что вызывает ряд важных эффектов.
Представьте, что концентрации углекислого газа в океане и атмосфере находятся в равновесии, так что концентрация ни в одной из этих сред не может ни увеличиться, ни уменьшиться за счет другой. Если бы средняя температура поверхности поднялась во время одного из циклов Миланковича, то потепление океана снизило бы его способность растворять углекислый газ, который в результате стал бы поступать в атмосферу. Это привело бы к потеплению из‑за возросшего парникового эффекта, что еще сильнее нагревало бы океан, который испускал бы еще больше углекислого газа, и т. д. Точно так же, если температура поверхности во время ледникового периода становится ниже, охлаждающийся океан впитывает больше углекислого газа, который, в свою очередь, усиливает охлаждение. Реакция океана является положительной обратной связью, которая усиливает колебания климата. Океан реагирует медленно, ведь прежде, чем его поверхностные воды перемешаются с глубинными, пройдет нескольких сотен или тысяч лет (о чем упоминалось в предыдущей главе). Хотя этого достаточно, чтобы успевать реагировать на гораздо более медленные колебания циклов Миланковича.
Говоря об ответной реакции океана на потепление, отметим, как он реагирует на возрастающее количество углекислого газа, поступающего из других источников, например из вулканов или вследствие сжигания биомассы и/или ископаемого топлива. Если бы концентрация углекислого газа в океанах и атмосфере была одинакова, океан растворил бы дополнительный выброс в атмосферу и часть его ушла бы на глубину в основном за счет даунвеллинга в высоких широтах. Но из‑за долгой циркуляции океана этот процесс проходит очень медленно, и избыток углекислого газа задерживается в атмосфере на многие столетия. В конце концов он прогрел бы океан, которому стало бы труднее выводить углекислый газ, и тот, в свою очередь, еще дольше накапливался бы в атмосфере. (Биота, а именно растения и деревья, также поглощает углекислый газ в процессе фотосинтеза, но после их гибели и разложения углекислый газ высвобождается. Поглощение избытка углекислого газа организмами может оказать эффект только при условии, что общая биомасса Земли растет или если омертвевшая биомасса хоронится таким образом, что избегает гниения – как в случае с ископаемым топливом. Хотя вырубка лесов и сжигание ископаемого топлива сводит этот эффект на нет.)
Еще одна важная положительная обратная связь видна на примере ледников Арктики и Антарктики. Ледяной покров отражает солнечный свет обратно в космос, ограничивая поглощение солнечной энергии нашей планетой. Если температура повышается, льды тают и отражают меньше света, поверхность Земли нагревается сильнее, отчего тает еще больше льда, и т. д. Если же температура понижается, ледяной покров растет, отражает больше света, температура понижается еще сильнее, а ледники растут и т. д.