газы, уже выброшенные в атмосферу в результате использования ископаемого топлива, будут согревать планету многие века, и повышение температуры ускорится, если мы в ближайшее время не сократим количество этих выбросов. Цель многих климатологов — установить, в какой момент такие изменения могут перевести Землю в другое климатическое состояние, которое положит конец относительной стабильности климата, которой наш мир благополучно пользовался многие тысячи лет, и вызовет резкие скачки климата, характерные для более отдаленных эпох. Пока эта цель ускользает. Но всем нам надо надеяться, что климатологи добьются успеха.
Глава 9Великое потепление
В 1991 году одна из статей журнала Nature рассказывала о том, что ее авторы называли «примечательным отклонением в изотопах кислорода и углерода… в конце палеоцена». Для тех, кто не разбирается в тонкостях палеоклиматологии, это может показаться бессмысленным набором слов. Однако описанное в статье отклонение в изотопах (измерения проводили для глубоководных отложений, датируемых возрастом примерно 55 миллионов лет назад) сигнализировало, что в этот момент общемировая температура внезапно и очень резко выросла, и что океаническая циркуляция претерпела радикальные перемены. Мало того, эти изменения совпали с исчезновением многих видов фораминифер — распространенной разновидности планктона. Ясно, что на поверхности Земли произошло нечто необычное. Но что?
Авторы статьи в Nature, Джеймс Кеннетт из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре и Ловелл Стотт из университета Южной Калифорнии, изучали отложения возрастом 55 миллионов лет, поскольку хотели выяснить, что вызвало внезапную кончину такого множества видов планктона. Они и представить не могли, какой интерес вызовет их работа. Даже сейчас, спустя два десятка лет после публикации, зафиксированное ими быстрое изменение климата — частая тема разговоров на научных конференциях и статей в научных журналах, а темпы исследований в этой области растут и растут. Интервал, установленный Кеннеттом и Стоттом, часто именуют «великим потеплением». Официально его называют палеоцен-эоценовым термическим максимумом (ПЭТМ).
ПЭТМ наступил тогда, когда Земля в целом была намного теплее, чем сейчас: даже полярные регионы в основном были свободны от льдов. Сведения о климате тех времен получают в основном при изотопных исследованиях кернов глубоководных отложений, особенно соотношений изотопов кислорода в раковинах ископаемого планктона. Соотношения отражают температуру воды во время жизни этих организмов — хороший показатель общего климата. Данные изотопов показывают, что даже во времена относительно мягкого и стабильного по мнению большинства ученых климата, имелись короткие отрезки, когда глобальные температуры быстро росли, оставались на некоторое время высокими, а затем возвращались к первоначальным значениям. ПЭТМ среди этих подъемов был одним из самых резких.
Но к чему все это беспокойство по поводу какого-то короткого интервала высоких температур, зафиксированного десятки миллионов лет назад? Отчасти это связано с необычной природой ПЭТМ: аномальные события в геологической летописи всегда привлекают внимание, поскольку могут оказаться особенно полезными для понимания того, как работает система нашей планеты. Но дело также в том, что описанное Кеннеттом и Стоттом отклонение в изотопах было вызвано появлением в системе океан-атмосфера огромного количества углерода (в виде двух содержащих углерод соединений — углекислого газа и метана) за очень короткое время. Все имеющиеся данные говорят, что этот объем сопоставим (или, возможно, превышает) с тем, который будет высвобожден в результате человеческой деятельности в течение нескольких следующих столетий. Это может сделать ПЭТМ хорошим примером при прогнозировании будущего изменения климата планеты.
Несмотря на то, что ПЭТМ активно изучают, его по-прежнему часто именуют загадкой. Откуда взялся весь этот углекислый газ, и что вызвало его появление? И куда он в конце концов делся? В каком-то смысле геологи и геохимики, изучающие эти и другие проблемы, похожи на детективов, собирающих доказательства и выдвигающих гипотезы, что могло произойти. Иногда ту или иную гипотезу приходится отвергнуть, поскольку она не соответствует новым фактам; иногда при обнаружении новых данных появляется новое предположение. Однако до сих пор нет единой гипотезы, которую все сочли бы правильной: эта загадка, хотя и менее таинственная, чем раньше, все еще полностью не решена.
Давайте посмотрим на некоторые факты и подумаем о возможных причинах. Одним из самых впечатляющих признаков ПЭТМ является серьезное и очень стремительное изменение соотношения двух изотопов углерода — углерода-13 и углерода-12; это то самое отклонение в изотопах, обнаруженное Кеннеттом и Стоттом. Последующие исследования показали, что сдвиг изотопов произошел не только в раковинах планктона, но и касался углерода во всех его разнообразных формах на суше, в океане и атмосфере. Это крайне заинтересовало ученых, поскольку такие масштабные и повсеместные перемены указывают на серьезные нарушения в геохимическом цикле углерода на Земле.
Геохимики давно осознали, что для многих химических элементов существуют прочные взаимосвязи между событиями в различных частях Земли: процессы в коре могут влиять на океан, процессы в океане затрагивают атмосферу, и так далее. Такие взаимосвязи удобнее рассматривать в терминах геохимических циклов: многие химические элементы проходят через разные части планеты и возвращаются в исходную точку. На поверхности Земли часто действуют процессы обратной связи, которые поддерживают баланс концентрации этих элементов или как минимум удерживают их в определенных пределах, предотвращая скапливание их в одной части планеты за счет других частей.
Особенно интересный (и сложный) геохимический цикл имеет углерод. Это важнейший компонент всего живого: все клетки растений, животных и бактерий содержат этот элемент, поэтому на цикл углерода действуют и биологические, и неорганические процессы. Кроме того, существенными участниками геохимического цикла углерода являются два важнейших парниковых газа — углекислый газ и метан, поскольку углерод входит в их состав. Между различными «резервуарами» — океанами, атмосферой, биосферой (любой жизнью), почвой, отложениями и озерами — перемещается огромное количество углерода. Важной частью цикла является фотосинтез: растения забирают углекислый газ из атмосферы, используют его для получения органического углерода в своих клетках, а обратно в атмосферу выделяется кислород. Когда растения умирают, органический углерод может окисляться и быстро возвращаться в атмосферу в виде углекислого газа, а может сохраняться в почве или отложениях в течение тысяч и миллионов лет. В болотах и других средах с малым доступом кислорода бактерии превращают углерод умерших растений в метан, который создает пузыри «болотного газа» и уходит в атмосферу. Иногда органический углерод ускользает от атак бактерий и образует слои торфа или угля, если торф залегает глубоко и нагревается. Углерод, сохраняющийся в виде торфа или угля, устраняется из активного углеродного цикла на очень долгие промежутки времени.
Фотосинтезирующий планктон, живущий в освещенных солнцем приповерхностных водах океана, использует углекислый газ для создания органического углерода, как это делают наземные растения; однако часть этих организмов извлекает растворенный углерод из морской воды и создает раковины из карбоната кальция. Когда эти организмы умирают, и раковины, и органические остатки опускаются на большие глубины, тем самым удаляя углерод из поверхностных слоев океана. Часть этого углерода снова растворяется в морской воде, а часть оседает на дно и сохраняется в виде донных отложений. Геохимики называют этот процесс «биологическим насосом», потому что он лишает поверхностные воды двуокиси углерода, отправляя ее вниз, зато в эти теперь уже обедненные углекислым газом поверхностные воды попадает атмосферный углекислый газ и растворяется там. Поэтому концентрация парниковых газов в атмосфере находится в равновесии, на которое влияют различные процессы, участвующие в природном круговороте углерода. Это равновесие — по крайней мере, на короткое время — может нарушаться различными переменами в среде, включая независимые изменения температуры и климата. Например, поскольку холодная вода содержит больше диоксида углерода, чем теплая, повышение температуры морской воды вызывает частичное выделение этого соединения из океана в атмосферу, и его концентрация в воздухе повышается; наоборот, снижение температуры морской воды приведет к растворению в ней дополнительного количества диоксида углерода. На рисунке 25 показаны пути разного временного масштаба, входящие в геохимический цикл углерода.
В углеродном цикле есть еще один важный фрагмент. Как кратко описывалось в главе 7, в течение очень длительных периодов — миллионы лет и дольше — содержание углекислого газа в атмосфере регулируется за счет вулканической деятельности с одной стороны и химического выветривания поверхностных пород с другой. Лава, извергающаяся на поверхность Земли, приносит с собой растворенные в ней газы, включая двуокись углерода. При высоком уровне вулканизма углекислый газ в атмосфере накапливается, и температура повышается за счет парникового эффекта. Однако при повышении концентрации он сильнее растворяется в дождевой воде, вода становится кислотной и усиливает интенсивность химического выветривания. Более высокая температура тоже ускоряет выветривание. В результате получается отрицательная обратная связь: при повышении содержания углекислого газа в атмосфере стимулируются процессы, которые снижают его концентрацию.
Рисунок 25. Некоторые пути в углеродном цикле. Различные части цикла действуют в существенно разных временных масштабах. За миллионы лет углерод (в форме двуокиси) убирается из атмосферы посредством выветривания пород и фотосинтеза, откладывается в виде углеродсодержащих отложений в океанах или в виде органического материала в болотах на материках, долгое время сохраняется в виде карбонатных пород или ископаемого топлива. Это уравновешивается добавлением углекислого газа в атмосферу посредством вулканической деятельности. Кроме того, углерод путешествует через атмосферу, растения, почвы и океаны и в более коротких временных масштабах.