Дуг МакДугалл – Зачем нужна геология (страница 40)
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.
При химическом выветривании поверхностных пород образуются растворенные углеродсодержащие соединения; реки переносят их в океан, где они в конечном итоге и оседают на морском дне в виде карбонатных пород — таких как известняк. Если известняк попадает в зону субдукции, перемещается внутрь Земли и нагревается, то часть углекислого газа может вернуться в атмосферу в виде вулканических газов, завершая круговорот углерода. Известняк, который избежал этой участи, может сохранять некогда находившийся в атмосфере углерод в течение многих сотен миллионов лет.
Когда вулканическое поступление двуокиси углерода невелико, уравновешивающие силы действуют в обратном направлении: выветривание замедляется, а газ остается в атмосфере. Таким образом концентрация углекислого газа остается в тех пределах, которые делают поверхность нашей планеты пригодной для жизни: она не превращается ни в ледяную пустыню (как было бы при отсутствии парниковых газов), ни в пылающий ад (как происходит на Венере, атмосфера которой состоит в основном как раз из двуокиси углерода). Конечно, эта картина весьма упрощена — действуют и другие факторы. Однако общая концепция равновесия между вулканическим предложением с одной стороны и потреблением при выветривании с другой полезна при рассмотрении проблемы долгосрочного регулирования атмосферного углекислого газа.
Однако геологические данные в отношении ПЭТМ показывают, что какие-то кратковременные процессы полностью разрушили сбалансированную работу углеродного цикла. Изменение соотношения изотопов углерода, зафиксированное в начале этого интервала времени, произошло очень быстро, всего за несколько тысяч лет (рисунок 26). Такое быстрое начало подразумевает, что в систему океан-атмосфера внезапно попало большое количество углерода, а необычайно большое изменение в соотношении изотопов указывает, что соотношение изотопов в добавленном углероде сильно отличалось от того, что наблюдается в «нормальном» углероде. Поэтому подозрение быстро пало на метан.
Рисунок 26. Данные для палеоцен-эоценового термического максимума (ПЭТМ), полученные из керна осадочных пород, взятого в Южной Атлантике. В этом керне ПЭТМ начинается на глубине сразу после 140,1 м, где концентрация карбонатов быстро падает до нуля; спустя примерно 110 000 лет концентрация возвращается к уровню до ПЭТМ. Обратите внимание, что данные изотопов углерода для первой части ПЭТМ отсутствуют — в этом интервале просто недостаточно карбонатных раковин для анализа. Часть керна, где карбонаты не осаждались, соответствует периоду примерно в 60 000 лет. (Данные взяты из Zachos et al. 2005).
Почему метан? В тех единицах, что используются для соотношений изотопов углерода-13 и углерода-12, отложения тех времен, что непосредственно предшествовали ПЭТМ, имеют значения около +2,5. Вскоре после начала теплого периода значение упало практически до нуля, то есть почти на три единицы. Аналогичные изменения происходили с органическим углеродом на суше. Для мира изотопов углерода это очень большой сдвиг. Общее количество этого элемента, проходящего через различные резервуары в океанах, в атмосфере и на суше, настолько велико, что для изменения отношения изотопов хотя бы на одну единицу, не говоря уже о трех, требуется колоссальное добавление. Чем ближе отношение изотопов в добавляемом углероде к тому, которое уже имеется в системе, тем больше углерода придется добавить, чтобы добиться существенного сдвига в этом параметре. Биологически производимый метан имеет экстремальное соотношение изотопов углерода — оно примерно равно -60. Но даже при таком экстремальном значении, чтобы добиться наблюдаемого изменения в соотношении изотопов, нужно добавить от 2000 до 4000
Обычно метан, который образуется при бактериальном разложении органики, медленно выделяется в атмосферу или (если бактерии живут в океанических отложениях) в морскую воду. Такие процессы происходят на болотах, на дне океана, на мусорных свалках и на очистных сооружениях. Однако для инициации ПЭТМ должно было произойти что-то совсем не похожее на такое медленное стабильное выделение. Сначала заподозрили участие метангидрата (или гидрата метана) — того самого соединения, которое, по мнению некоторых ученых, могло вносить вклад в отрезки суперпарникового климата, следовавших за состоянием Земли-снежка в протерозойском эоне. Гидрат метана — это похожее на лед твердое вещество, которое образуется только при низких температурах в особых условиях — таких как арктическая тундра или некоторые типы океанических отложений. Изучение континентальных шельфов — относительно мелководных частей океана, окружающих материки — показало, что сейчас в них весьма распространены слои этого вещества. Метангидрат содержит так много метана (примерно в 170 раз больше, чем в таком же количестве метанового газа), что эти месторождения рассматривают в качестве альтернативного источника природного газа (по оценкам, запасы гидратов содержат больше метана, чем традиционные источники природного газа). Это странное вещество: когда его извлекают с морского дна, оно выглядит куском льда, но поднесите к нему спичку, и оно загорится.
Метангидрат устойчив только в ограниченном диапазоне температуры и давления, и поэтому может существовать только в определенных средах. Его отложения в континентальных шельфах образуются, когда метан, произведенный бактериями донных отложений, оказывается запертым в ледяных слоях из-за низкой температуры на дне и высокого давления, создаваемого находящимися выше водами и отложениями. Из-за биологического происхождения у него есть необходимое экстремальное соотношение изотопов углерода, однако пока еще непонятно, достаточно ли запасов гидрата метана на континентальном шельфе 55 миллионов лет назад, чтобы объяснить сдвиг изотопного отношения при ПЭТМ. Имеется и еще одна проблема. Для резкой смены изотопного отношения этот метан должен был высвободиться быстро, причем в количестве, эквивалентном всем сегодняшним запасам метангидрата. Что могло запустить такое необычное событие?
Возможно, вы начинаете понимать, почему я сравнивал геохимиков, изучающих ПЭТМ, с детективами. Кажется, что новый факт указывает на какого-нибудь подозреваемого, но последующая проверка вызывает множество вопросов. К тому же иногда трудно расшифровать данные, которым 55 миллионов лет. В каком-то смысле замечательно уже то, что мы знаем так много.
Есть несколько механизмов, которые могли вызвать резкое выделение метана. Один из них — повышение температуры вод океана, которое привело бы к разложению отложений метангидрата на континентальном шельфе. Но почему эти воды должны нагреваться? Если причиной является какое-то изменение климата, то что вызвало это изменение? Также возможен вариант, что изменилась циркуляция воды: тогда повысилась не общая температура морской воды, а только температура в некоторых регионах; это привело к выделению метана, что, в свою очередь, вызвало общее потепление климата и новое выделение метана — своеобразный эффект снежного кома. Но тут тоже возникает вопрос, что могло вызвать такое исходное изменение циркуляции. Еще одна возможность — оползни по краям континентальных шельфов, которые дестабилизируют слои гидрата, высвобождая метан. Тут свои трудности: такой процесс должен происходить в больших масштабах за короткое время, что кажется маловероятным. Возможно, причиной стало сочетание различных механизмов, действующих более или менее одновременно. Но вне зависимости от механизма высвобождения неопровержимым фактом, похоже, является то, что основное количество добавленного углерода имело форму метана биологического происхождения.