Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом - Хелфанд Дэвид

В это время у фораминифер, обитающих на поверхности, наблюдается внезапное падение соотношения ¹³C/¹²C и в то же время возрастает соотношение ¹⁸O/¹⁶O, а соотношение ¹¹B/¹⁰B снижается на 0,2 %. Наверное, вы уже догадались, что в первом случае причиной стало добавление Углерода из источника с иным, отличным от обычного соотношением изотопов. Второе соотношение мы использовали как показатель температуры. Элемент номер 5, Бор, – новичок среди наших изотопных детективов. У него только два стабильных изотопа, ¹⁰В и ¹¹В, и их соотношение обычно составляет примерно 20 % к 80 %; официальный стандарт соотношения ¹¹B/¹⁰B составляет 4,0437. Бор присутствует в морской воде в концентрации 4,5 ppm и входит в карбонатные раковины фораминифер с уклоном от 1,0 до 2,6 в сторону более легкого изотопа. Главное новое открытие, совершенное с его помощью, заключается в том, что его способность участвовать в формировании карбонатов – это прекрасный показатель того, насколько кислой оказывается среда, и это дает еще один способ, позволяющий определить количество CO₂ в атмосфере.

CO₂ слегка кислый, и поскольку примерно треть всего CO₂, который мы выбросили в атмосферу за последние два с половиной столетия, растворилась в океане, океан тоже становится более кислым в результате следующей химической реакции:

CO₂ + H₂O → H₂CO₃ → HCO₃^— + H⁺ → CO₃^–2 + 2H⁺,

где два иона Водорода – это индикаторы кислого раствора. Кислотность измеряется по шкале pH, на которой чистая вода имеет нейтральное значение 7,00, а сильная кислота, скажем серная, – 2,75. Шкала pH логарифмическая (как и шкала Рихтера при землетрясении), поэтому каждое целочисленное изменение означает увеличение количества ионов Водорода в 10 раз. В середине XVIII века, до сжигания ископаемого топлива, значение pH морской воды составляло 8,179, тогда как сегодня – 8,069. Это на первый взгляд скромное изменение соответствует увеличению количества ионов H^— на 29 %, почти все из них происходят из недавно растворенного CO₂. Закисление океана уже влияет на рост кораллов и планктона.

В морской воде Бор пребывает в двух формах: B(OH)₃ и B(OH)4^—. Соотношение между ними во многом зависит от кислотности: при pH 7,5 соотношение нейтральной молекулы и иона составляет 12:1, а при pH 8,5–1:1. Отличается и изотопное соотношение двух молекул. При текущем pH, составляющем 8,069, B(OH)₃ выше стандартного значения на 4,5 %, а B(OH)^4– на 1,75 % (установлено для pH = 7,5).

Изучив керн океанских отложений из северо-восточной Атлантики, Маркус Гутъяр и его коллеги получили непрерывную хронику изотопных измерений, охватившую период, начавшийся за 300 000 лет до палеоцен-эоценового термического максимума и завершившийся спустя 500 000 лет после его окончания⁵. Они обнаружили, что соотношение ¹³C/¹²C резко падает на 0,34 % и одновременно с этим на 0,17 % уменьшается соотношение ¹¹B/¹⁰B, причем прежде на 0,12 % возрастает соотношение ¹⁸O/¹⁶O – предвестник повышения температуры примерно на 25 000 лет (опять же, вспомним о смысле слова «внезапный» в рамках геологического времени). Исследователи выяснили, что перемена в соотношении Бора подразумевает изменение pH примерно на 0,3, что соотносится с изменением количества ионов Водорода в два раза. Подобное происходило в кернах из Южной Атлантики и экваториальной части Тихого океана – значит, явление было глобальным. Закисление океана позволяет оценить, сколько нового Углерода в те времена должно было появиться в атмосфере. Его количество составляет 10 000 гигатонн – это примерно в десять раз больше, чем добавили мы, сжигая ископаемое топливо. Из-за этого концентрация CO₂ в атмосфере, по всей видимости, превысила 2000 миллионных долей, в пять раз превысив нынешние значения, и температура поверхности моря поднялась примерно на 5 °C. Ученые решили, что большая часть этих выбросов произошла в течение 50 000 лет после начала закисления.

Хотя тотальные выбросы CO₂ и связанные с ними изменения в атмосфере и океане намного больше, чем в нашем современном геохимическом эксперименте, скорость закисления в наши дни намного выше. Модель, построенная исследователями, предполагает, что начальная скорость поступления CO₂ соответствовала 1 гигатонне Углерода в год, а по прошествии 50 000 лет этот показатель снизился до менее 0,1 гигатонны. Наш текущий объем производства – 10 гигатонн в год, что в 10–100 раз превышает показатели, достигнутые во время палеоцен-эоценового термического максимума.

О том, какими именно были источники столь массового поступления Углерода в атмосферу, высказывалось великое множество предположений. Назывались самые разные, в том числе CO₂ от вулканов; CO₂ и CH₄ из тающей вечной мерзлоты; и CH₄ из гидратов метана – кристаллов, состоящих из метана и воды, похожих на лед и преобладающих на дне океана. У этих источников очень разные соотношения ¹³C/¹²C (+0,24 %, – 1,8 % и –5,6 % соответственно), поэтому изменение, наблюдаемое в палеоцен-эоценовом термическом максимуме, позволяет сделать вывод о том, какой из них наиболее вероятен. По оценкам, соотношение ¹³C/¹²C в новом Углероде составляет –1,1 %, так что, по всей видимости, основной вклад внесла вулканическая деятельность, и, возможно, меньший – другие факторы. Например, первоначальный выброс вулканического CO₂ из Североатлантической магматической провинции⁶ – источника, на который предпочли сослаться исследователи, – мог нагреть Землю и вызвать эффект обратной связи, который привел к возрастанию выбросов CO₂ и метана из гниющих растений в тающую вечную мерзлоту. В нынешнюю эпоху, когда наблюдается быстрый рост содержания Углерода в атмосфере, такие усиливающиеся обратные связи тревожат все сильнее.

Атмосферные изменения: конец последнего ледникового периода

Над тем местом, где сегодня располагается мой офис, – это лаборатории Пупина в кампусе Колумбийского университета на Манхэттене, – двадцать тысяч лет назад была груда льда высотой свыше полутора километров. Это был кусок Лаврентийского ледникового щита, простиравшийся от канадской Арктики на юг до Нью-Йорка и Сент-Луиса и на запад до Скалистых гор (где он сливался с Кордильерским ледниковым щитом, занимавшим площадь 2,5 миллиона квадратных километров и накрывшим горы западной Канады до Сиэтла). Этот гигантский ледник начал формироваться 75 000 лет назад и наряду с крупными ледниками в Сибири и Северной Европе, а также меньшими в Патагонии и Гималаях содержал достаточно воды, чтобы понизить глобальный уровень моря более чем на 120 метров. В главе 11 мы уже говорили, что толчком и к этому событию, и к тем, которые ему предшествовали, стали изменения в нагреве Земли со стороны Солнца, вызванные сменой параметров земной орбиты. Впрочем, эти события не стали бы столь драматичными, если бы их не сопровождали сильные обратные эффекты на поверхности планеты.

Потом лед начал таять. Наклон оси Земли перемещался к максимальной величине, а цикл прецессии подходил к фазе, когда летом Северное полушарие оказывалось максимально близко к Солнцу, а эллиптичность орбиты приближалась к локальному максимуму. Все три эффекта вели к тому, что солнечный свет более интенсивно падал на крайний север. Оптимальные условия были достигнуты чуть менее чем 12 000 лет назад, когда ледниковые щиты разрушались окончательно, хотя началось это еще на 6000 лет раньше.

Легко подсчитать, насколько изменилась солнечная энергия, достигающая северных ледниковых щитов. Ее слишком мало, чтобы растопить весь лед. Но, как мы видели в главе 11, вместе с повышением температуры в атмосфере быстро растет и уровень CO₂. За следующие 5000 лет температура в Гренландии выросла почти на 9 °C, а концентрация CO₂ в воздухе – со 180 ppm до 280 ppm. Весь этот дополнительный CO₂ еще больше нагрел Землю из-за парникового эффекта (глава 11), в то время как земная поверхность, еще недавно скрытая льдами, поглотила больше солнечной энергии, чем отражающий лед, что создало петлю положительной обратной связи, которая, в свою очередь, привела к постоянному ускорению нагрева. Но было ли этих эффектов достаточно?