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

Как мы видели в главах 12 и 13, изменения в микроэлементном составе атмосферы могут оказывать большое влияние на условия на поверхности Земли. Во многих исследованиях при помощи изотопной записи фиксировались серьезные изменения климата Земли, вызванные геологической и биологической активностью. Я уделю внимание только двум примерам: это период выраженного потепления, наставший примерно через 10 миллионов лет после столкновения с астероидом, уничтожившим динозавров, и конец последнего ледникового периода, наступивший 12 000 лет назад.

Палеоцен-эоценовый термический максимум – это одно из самых резких изменений климата Земли со времен образования Чикшулуба. О нем свидетельствует внезапное повышение температуры, совпадающее с резким изменением соотношения 13C/12C, указывающим на быстрый выброс большого количества Углерода в окружающую среду. Время этого события уточнили с помощью уран-свинцового датирования цирконов с острова Шпицберген в Северном Ледовитом океане – они появились на свет от 55,73 до 55,96 млн лет назад; примерно такая же цифра, 56,09 ± 0,13 млн лет назад, получена при помощи того же метода для цирконов из Венесуэлы4.

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