Дуг МакДугалл – Зачем нужна геология (страница 41)
В пересчете на объем метан примерно в восемь раз эффективнее углекислого газа задерживает тепло в атмосфере, поэтому добавление большого количества этого газа вызовет быстрое повышение общемировой температуры. Однако среднее время жизни молекулы метана в атмосфере до ее разрушения вследствие окисления не превосходит десяти лет. Этого слишком мало, чтобы нести ответственность за весь период потепления ПЭТМ: как бы резко он ни начался, но все же потребовались тысячи лет, чтобы достичь пиковых температур. Впрочем, первоначальный быстрый выброс реально огромных количеств метана временно превзошел бы окислительные возможности атмосферы, и время существования метана увеличилось бы во много раз. При таких обстоятельствах усиленный парниковый эффект и повышение температуры могли поддерживаться веками, это способствовало бы дальнейшему таянию гидратов и новым выбросам метана в атмосферу. Из-за потепления климата увеличились бы площади болот, а вместе с тем — производство метана болотными бактериями.
Кроме того, при окислении метана образуется углекислый газ. Он сохраняется в атмосфере гораздо дольше метана, и по мере окисления метана его концентрация бы росла, поддерживая первоначальное потепление. Этот вывод поддерживается данными, полученными от кернов из глубоководных отложений: они говорят, что в атмосфере ПЭТМ уровень двуокиси углерода был сильно повышен. Место в кернах, соответствующее началу палеоцен-эоценового термического максимума — точка, где изотопные значения для углерода быстро падают — отмечено слоем глины. Причина не в том, что на дно стало попадать больше частиц глины; причина в том, что снизилось появление других видов частиц — в частности, раковин планктонных организмов из карбоната кальция, прежде всего фораминифер, которые обычно являются преобладающим компонентом океанических отложений. Изменение содержания карбоната кальция заметно в океанических отложениях по всему миру и является одним из самых ярких признаков ПЭТМ (рисунок 26).
Но как это связано с углекислым газом в атмосфере? Резкое падение содержания карбоната кальция — от почти 100 % всех частиц в отложениях до почти нуля — произошло оттого, что океан стал более кислым, и в результате тонущие раковины планктона растворялись, не достигая дна. Любому геологу прекрасно известно, что карбонат кальция вступает в реакцию с кислотами. Простой тест на известняк (эта горная порода состоит в основном из карбоната кальция) — капнуть на образец одну-две капли слабой кислоты и посмотреть на результат. Если будет шипеть и растворяться, то это известняк. Увеличение количества углекислого газа в атмосфере повысит и его содержание в водах океана; показатель кислотности pH понизится, вода станет более кислой. (Это явление зафиксировано в современных океанах в результате неуклонного увеличения содержания углекислого газа в атмосфере за последние полсотни лет; морская вода стала заметно кислее, хотя пока такие изменения намного меньше того сдвига, что произошел во время ПЭТМ.)
Таким образом, степень растворения карбоната кальция в осадочных отложениях ПЭТМ — это косвенный показатель содержания двуокиси углерода в атмосфере того времени, и вместе с информацией о сдвиге изотопов углерода они являются основой для вычисления того объема углерода, который добавился к геохимическому циклу перед началом ПЭТМ. Вопрос, какая именно часть из необходимых нескольких тысяч миллиардов тонн изначально была метаном, пока остается открытым, однако в конечном итоге он превратился в углекислый газ, практически удвоив концентрацию в атмосфере по сравнению с ее значением до ПЭТМ (которое само по себе было высоким по современным стандартам). Температура морской воды постепенно повышалась, а глобальная средняя температура на поверхности упала минимум на пять, а возможно, и на девять градусов Цельсия.
Климатические модели, включающие все доступные данные для ПЭТМ, четко показывают, что, хотя инициация этого теплого периода произошла из-за быстрого выделения колоссального количества углерода, его существование поддерживалось далее новыми выбросами — либо постоянными, либо спорадическими. Модели также предполагают, что существовали процессы обратной связи, еще не полностью изученные, которые усилили парниковое потепление. Недавно появилось любопытное предположение, которое могло бы объяснить эти и другие озадачивающие аспекты ПЭТМ. Оно основано на двух совершенно разных видах данных: поведении озер в вулканических регионах и работе тектоники плит в Северной Атлантике во времена ПЭТМ.
В 1986 году около озера Ньос в Камеруне внезапно и загадочно погибло около двух тысяч человек и множество домашнего скота. Не было ни эпидемии, ни крупного землетрясения, ни извержения вулкана, ни серьезного шторма. Вскоре стало понятно, что смерть наступила в результате удушья. Произошел выброс углекислого газа; поскольку этот газ тяжелее воздуха, то смертоносное облако накрыло окрестности озера и распространилось по низменным территориям вокруг, удушая все живое на своем пути. Как и многие другие глубокие озера, озеро Ньос имеет стратифицированную структуру: теплые поверхностные воды имеют низкую плотность, а на глубине находится более холодная и тяжелая вода, и в результате это мешает перемешиванию. Однако Ньос находится в старом вулканическом кратере, и в его нижние слои постоянно просачиваются вулканические газы. В 1986 году какое-то событие — возможно, оползень или небольшое землетрясение — нарушило стратификацию озера, вызвав подъем глубоких вод, насыщенных углекислым газом. Попав в области с пониженным давлением, углекислый газ вырвался из раствора, буквально взорвавшись на поверхности водоема фонтаном из воды и газа высотой не меньше ста метров. Точные оценки показывают, что в этом одиночном эпизоде высвободилось более полутора миллионов тонн двуокиси углерода.
Мог ли аналогичный процесс, но в гораздо большем масштабе, спровоцировать наступление ПЭТМ? Пролив, разделяющий Норвегию и Гренландию, 55 миллионов лет назад был гораздо уже, чем сейчас (с тех пор спрединг дна океана раздвинул материки). Когда вулканическая деятельность подняла морское дно в южной части пролива, образовался глубокий изолированный бассейн, отрезанный от сообщения с Атлантическим океаном. В те времена сильного потепления и Гренландия, и Норвегия обладали густой растительностью, а уровень осадков был высоким. Поэтому в этот бассейн смывалось большое количество органического материала. Бактерии в отложениях производили много метана, а в нижние слои воды просачивался диоксид углерода из подстилающих вулканических очагов. В случае стратификации бассейна оба эти газа накапливались бы в придонных водах до высокого уровня.
Аргумент о стратификации носит умозрительный характер — в геологической летописи нет данных, которые бы подтверждали или опровергали такую возможность. Однако можно опираться на правдоподобность. Во времена ПЭТМ глубина бассейна превышала километр, и в силу изолированности от Атлантического океана циркуляция воды в нем отсутствовала или была ограничена. Решающее значение для возникновения стратификации имеет разница в плотности между поверхностной и глубокой водой, и в доминирующем теплом климате (даже на широте Гренландии температура поверхности составляла 20 градусов Цельсия или больше) поверхностные воды должны быть теплыми и потому обладать низкой плотностью. Приток пресной воды на мелководьях и добавление плотной соленой воды на глубине от вулканических источников еще больше должны усиливать контраст плотностей. В таких условиях концентрация метана и углекислого газа в придонных водах бассейна повышалась бы до насыщения, пока некое событие, как в случае с озером Ньос, не нарушило бы стратификацию со взрывным высвобождением растворенных газов. Этот бассейн, по оценкам, имел площадь с современное Красное море, и, хотя оценить объем метана и диоксида углерода в придонных водах непросто (оценка зависит от деталей топографии бассейна, о которых мало известно), там должно было содержаться не менее 100 миллиардов тонн метана. Выделения такого количества более чем достаточно, чтобы вызвать зафиксированное повышение температуры в период ПЭТМ. После такого взрыва стратификация бы восстановилась, и газы в глубоких водах бассейна стали бы накапливаться заново. Цикл мог повторяться — возможно, всего за несколько десятилетий.
Такой сценарий запуска глобального потепления в случае ПЭТМ предложила международная группа исследователей из Великобритании, Ирландии и Франции в статье 2009 года в журнале