В исследовании, опубликованном 22 мая в журнале с открытым доступом Nature Communications, рассматривается ключевой аспект круговорота углерода — процесса, посредством которого атомы углерода перемещаются между воздухом, скалами и океанами. Результаты ставят под сомнение роль горных пород в определении температуры нашей планеты в долгосрочной перспективе.«Понимание того, как Земля перешла от тепличного климата в эпоху динозавров к сегодняшнему дню, может помочь нам лучше понять долгосрочные последствия будущего изменения климата», — сказал автор-корреспондент Джошуа Криссансен-Тоттон, докторант UW в области наук о Земле и космосе. .В настоящее время считается, что климат Земли контролируется в течение миллионов лет естественным термостатом, связанным с выветриванием горных пород. Двуокись углерода выбрасывается в воздух вулканами, и этот газ может затем растворяться в дождевой воде и вступать в реакцию с богатыми кремнием континентальными породами, вызывая химическое выветривание пород.
Затем растворенный углерод стекает по рекам в океан, где в конечном итоге запирается в углеродсодержащем известняке на морском дне.Углекислый газ, являющийся мощным парниковым газом, также улавливает солнечное тепло.
А более теплая Земля увеличивает скорость химического выветривания как за счет увеличения количества осадков, так и за счет ускорения химических реакций между дождевой водой и камнями. Со временем уменьшение количества углекислого газа в воздухе этим методом охлаждает планету, в конечном итоге возвращая климат к более умеренным температурам — по крайней мере, так говорится в учебнике.
«Общая идея заключалась в том, что, если выделяется больше углекислого газа, скорость выветривания увеличивается, а уровни и температура углекислого газа уменьшаются», — соавтор Дэвид Кэтлинг, профессор Земли и космических наук из Университета штата Вашингтон. «Это своего рода долговременный термостат, который защищает Землю от перегрева или холода».Новое исследование началось, когда исследователи намеревались определить условия во время самой ранней жизни на Земле, примерно от 3,5 до 4 миллиардов лет назад. Сначала они проверили свои идеи на том, что, по их мнению, было достаточно хорошо понятным периодом времени: последние 100 миллионов лет, когда существуют данные о температурах, уровнях углекислого газа и других переменных окружающей среды в горных породах и окаменелостях.Климат Земли 100 миллионов лет назад сильно отличался от сегодняшнего.
В середине мелового периода полюса были на 20-40 градусов Цельсия теплее, чем сейчас. Сегодняшняя концентрация углекислого газа в воздухе увеличилась более чем в два раза.
Море было на 100 метров выше, а динозавры бродили возле свободных ото льда полюсов.Исследователи создали компьютерное моделирование потоков углерода, необходимых для соответствия всем геологическим данным, таким образом воспроизводя драматический переход от теплого среднего мелового периода к сегодняшнему дню.
«Мы обнаружили, что для объяснения всех данных — температуры, CO2, химического состава океана — всего — зависимость химического выветривания от температуры должна быть намного слабее, чем обычно предполагалось», — сказал Криссансен-Тоттон. «Вам также нужно иметь что-то еще, изменяющее скорость выветривания, которое не имеет ничего общего с температурой».Геологи ранее подсчитали, что повышение температуры на 7 C удвоит скорость химического выветривания.
Но новые результаты показывают, что для удвоения скорости вымывания породы требуется более чем трехкратный скачок температуры, или 24 ° C.«Это просто гораздо менее эффективный термостат», — сказал Криссансен-Тоттон.Авторы предполагают, что другим механизмом, контролирующим скорость выветривания, может быть степень воздействия суши над уровнем моря и крутизна поверхности Земли.
Когда около 50 миллионов лет назад образовалось Тибетское нагорье, более крутые поверхности, возможно, увеличили глобальную скорость.химического выветривания, поглощающего больше CO2 и понижая климат до сегодняшних более умеренных температур.
«Оглядываясь назад, можно сказать, что наши результаты имеют большой смысл», — сказал Кэтлинг. «Скалы говорят нам, что на Земле были большие колебания температуры на протяжении геологической истории, поэтому естественный термостат Земли не может быть очень жестким».Их расчеты также указывают на более сильную связь между атмосферным CO2 и температурой, известную как чувствительность климата. Удвоение содержания CO2 в атмосфере в конечном итоге вызвало повышение глобальной температуры на 5-6 градусов по Цельсию, что примерно вдвое превышает типичные прогнозы изменения температуры за столетия для аналогичного удвоения CO2 из-за антропогенных выбросов.
По словам исследователей, эти цифры, хотя и не последнее слово, являются плохой новостью для сегодняшних климатических изменений.«Все это означает, что в очень долгосрочной перспективе наши далекие потомки могут ожидать большего потепления в течение гораздо более длительного времени, если уровни углекислого газа и температуры будут продолжать расти», — сказал Кэтлинг.
Теперь исследователи применит свои расчеты к другим периодам геологического прошлого.«Это будет иметь последствия для углеродных циклов в другие периоды истории Земли и в ее будущем, а также потенциально для других каменистых планет за пределами Солнечной системы», — сказал Криссансен-Тоттон.