Побудована еталонна крива клімату від початку кайнозою до наших днів

Побудована еталонна крива клімату від початку кайнозою до наших днів
Рис. 1. Графік середньої глобальної температури за останні 66 млн років. Чорна крива, яка починається в кінці крейдяного періоду і триває до наших днів, побудована на основі ізотопного аналізу кисню в черепашках бентосних форамініфер. Окремо показані більш детальні графіки температури за останні 25 тис. років (зелена крива, побудована на основі ізотопного аналізу кисню в крижаних кернах) і за останні 150 років (за даними прямих спостережень з бази HadCRUT).

Вчені з шести країн оголосили про завершення проекту CENOGRID по створенню нової еталонної кривої клімату за останні 66 мільйонів років — з початку кайнозою і до наших днів. Вперше побудований детальний і безперервний графік зміни середніх глобальних температур для цього проміжку часу. Дані базуються на вимірюваннях варіацій ізотопів кисню і вуглецю в глибоководних бентосних форамініферах і зіставленні їх з астрономічними циклами.

Дрібні скам'янілості бентосних форамініфер — одноклітинних організмів, що мешкають на морському дні, — зустрічаються у відкладах всього фанерозойського еону, тобто з кінця едіакарію (приблизно 541 млн років тому) до наших днів. Для вчених це надзвичайно зручний інструмент відновлення палеокліматичних умов, оскільки за співвідношеннями ізотопів кисню та вуглецю у вапнистих черепашках можна визначити не лише головні кліматичні параметри, до яких в першу чергу належать глобальна температура і вміст в атмосфері вуглекислого газу, але і склад морської води, який вказує на поширеність льодовиків в той чи інший геологічний період. До того ж практично повсюдна поширеність форамініфер у глибоководних відкладах дозволяє отримувати безперервні за часом кліматичні криві — графіки, що відображають зміну клімату з плином часу.

Вивчення бентосних форамініфер у відкладах кайнозою триває вже понад 50 років в рамках міжнародної програми International Ocean Discovery Program (з 2013 року по теперішній час) і попередніх програм: Integrated Ocean Drilling Program (2003—2013 роки), Ocean Drilling Program (1985—2003 роки) і Deep Sea Drilling Project (1968—1983 роки).

Перша кліматична крива на основі ізотопного аналізу черепашок бентосних форамініфер була побудована в 1975 році. Даних на той момент було ще дуже мало, але вже тоді стало ясно, що 60—40 млн років тому в історії Землі був найтепліший період, а 10—5 млн років тому — найхолодніший.

У 2001 році була складена еталонна крива для періоду, що охоплює останні 34 млн років, — для більш давніх періодів даних тоді було недостатньо. Тепер же вчені повідомили про те, що їм вдалось побудувати безперервний графік кліматичних змін для всього кайнозою. Результати опубліковані в журналі Science.

Проект, в рамках якого велась робота, отримав назву CENOGRID (CENOzoic Global Reference benthic foraminifera carbon and oxygen Isotope Dataset). Побудована кліматична крива не лише найповніша, оскільки безперервно охоплює всі 66 млн років з кінця крейдяного періоду до наших днів, але й значно детальніша, ніж попередні версії кліматичних кривих: для інтервалу від 0 до 34 млн років тому в ній враховувався один зразок на кожні 2 тисячі років, а для інтервалу 34—67 млн років тому — один зразок на кожні 4,4 тисячі років.

Щоб звести до мінімуму міжвидові варіації ізотопних співвідношень, дослідники намагались аналізувати черепашки форамініфер лише двох родів — Cibicidoides і Nuttallides. Крім того, всі результати були зіставлені з астрохронологічними параметрами — варіаціями орбіти Землі, відомими як цикли Міланковича.

Виявилось, що циклічні зміни орбітальних параметрів, які раніше вважали головними драйверами кліматичних змін, корелюють з дрібномасштабними коливаннями всередині великих кліматичних періодів, а довгострокові стани, виділені дослідниками, пов'язані з іншими факторами — розмірами льодовикових щитів і вмістом вуглекислого газу в атмосфері.

Результати обробки даних показали, що глобальний клімат впродовж кайнозою різко змінювався кілька разів (рис. 1). На початку епохи він був порівняно теплим (warmhouse), на межі палеоцену і еоцену став зовсім жарким (hothouse), в кінці еоцену — знову теплим, в олігоцені і міоцені — холодним (coolhouse), і, нарешті, в пліоцені і плейстоцені — льодовиковим (icehouse). Зараз ми живемо під час помірно теплої фази цього льодовикового мегаперіоду, яка називається голоценом.

Для визначення цих станів автори взяли такі межі коливання середніх глобальних температур: теплий — на 5—10 градусів вище; жаркий — більш, ніж на 10 градусів вище; холодний — на 0—5 градусів вище; льодовиковий — нижче 0. За умовний нуль у всіх кліматичних побудовах приймається середня температура за період 1961—1990 років.

Найбільш жаркий клімат був на Землі 55,6—55,5 млн років тому під час так званого палеоцен-еоценового термічного максимуму (ПЕТМ) — короткого періоду, що тривав всього 150—200 тис. років. Тоді температура була на 14—16 градусів Цельсія вищою за сучасну (рис. 2). Причину підвищення температури автори бачать в масових викидах в атмосферу вуглецю в результаті активних вулканічних вивержень в Північноатлантичній магматичній провінції (North Atlantic Igneous Province).

Рис. 2. Детальні криві ізотопних співвідношень кисню і вуглецю. Подія палеоцен-еоценового термічного максимуму відзначена червоною стрілкою.

Результати іншого недавнього дослідження підтвердили цю точку зору. Геохіміки з Колумбійського університету проаналізували ізотопні співвідношення вуглецю і відношення барію до кальцію в планктонних форамініферах. Ці параметри вказують на джерело вуглецю, який пішов на будівництво черепашок форамініфер. Вони з'ясували, що весь доданий у глобальний цикл вуглець під час ПЕТМ мав вулканогенне походження. Робота опублікована в журналі Proceedings of the National Academy of Sciences.

На графіках ізотопних даних вуглецю на 55,6 млн років припадає різка аномалія, що отримала назву «ізотопне відхилення вуглецю» (carbon-isotope excursion, CIE). Значення δ13C (відношення 13C/12C порівняно зі стандартним зразком) у вапнистих черепашках в цей час дуже швидко зменшилось на 2—2,5‰, а потім приблизно за 150—200 тис. років повернулось до норми (рис. 2 і 3). Ця подія збігається з різким збільшенням вмісту CО2 в атмосфері — до рекордних 2—3‰, що в 5—8 разів більше, ніж сучасне значення 400 ppm.

Рис. 3. Значення δ13C в черепашках планктонних форамініфер періоду палеоцен-еоценового термічного максимуму. Чорна крива — середні розрахункові значення; сірий пунктир — довірчий інтервал 95%. Кольорові прямі — значення для вуглецю різного походження (зверху вниз): вулканічний, органічний, глибинний термогенний, кометний, метаногідратний. По горизонталі — час в тис. років після події ізотопного відхилення вуглецю (55,6 млн років тому).

За оцінками авторів дослідження, за короткий період 4—5 тис. років океан поглинув з атмосфери 14,9 квадрильйонів метричних тонн вуглецю, що на 60—70% більше, ніж містилось в ньому до цього. Причому в складі цього вуглецю переважав легкий ізотоп 12C, характерний лише для органіки і вулканічних викидів.

«Органічну» гіпотезу його походження автори одразу відкинули. По-перше, для пояснення величезного відхилення ізотопного складу вуглецю від нормального під час CIE потрібно одномоментно перевести в атмосферу і океани кількість вуглецю, еквівалентну вмісту у всій сучасній біосфері, включаючи ґрунти. А по-друге, середнє значення δ13C в зразках становить –10‰, що характерно саме для вулканогенного вуглецю. Вуглець органічного, глибинного та кометного походження, як і той, що утворюється при розкладанні метаногідратів, має інші ізотопні параметри (рис. 4).

Рис. 4. Внизу — збільшення обсягу вуглецю в Світовому океані, в петаграмах. Вгорі — відношення B/Ca. По горизонталі — час в тис. років після події ізотопного відхилення вуглецю (55,6 млн років тому).

Крім ізотопних співвідношень кисню і вуглецю, автори вперше використали при аналізі складу черепашок форамініфер відношення бору до кальцію. Раніше було показано в лабораторних експериментах, що значення в кальциті черепашок повністю визначається активністю іона B(OH)4, яка контролюється кислотністю морської води. Отримані результати повністю підтверджують припущення про те, що велика частина вуглецю, який виділився під час ПЕТМ, розчинилась в океанічній воді, що підвищило її кислотність (рис. 4).

Це, в свою чергу, призвело до глобальної екологічної катастрофи — відбулось значне вимирання видів. Зокрема, в морі вимерло від 30 до 40% глибоководних форамініфер, а в глибоководних осадових відкладах по всьому світу в цей час зникли білі карбонатні мули — замість них відкладались червоні глини.

Відомо, що відкладення білих карбонатних мулів припиняється, коли через ріст кислотності океану глибина компенсації кальциту (calcite compensation depth, CCD), нижче якої кальцит у донних відкладах відсутній, починає переміщуватись все вище, і зрештою, досягає поверхні.

Нинішнє потепління, на думку вчених, також зумовлене ростом вмісту парникових газів в атмосфері. Але тепер причина інша — діяльність людини, яка за силою свого впливу на клімат співставна з найпотужнішими природними процесами. До того ж цей вплив набагато швидший. Вміст вуглекислого газу в атмосфері зріс з 280 ppm в 1700-х роках до приблизно 415 ppm сьогодні, і продовжує швидко зростати.

Автори відзначають, що рівень СО2 був би набагато вищим, якби океани не поглинали більшу частину приросту. Але запас міцності океанів не безмежний, і в окремих його частинах рівень закислення вже досяг критичних позначок.

За прогнозами Міжурядової групи експертів зі зміни клімату (МГЕЗК), якщо нічого не змінювати, то концентрація парникових газів в атмосфері зростатиме за сценарієм RCP8.5 (Representative Concentration Pathway 8.5, де числом позначено збільшення кількості сонячної радіації у ватах на квадратний метр) і до 2100 року середня глобальна температура виросте на 2,6—4,8 градуса порівняно з періодом 1961—1990 років. Більш сприятливо виглядають сценарії RCP4.5 і RCP2.6, за якими це підвищення складе відповідно 1,1—2,6 і 0,3—1,7 градуса. Але щоб клімат змінювався за цими сценаріями, людству потрібно докласти масу зусиль, вважають вчені. Прогнозні криві для всіх трьох сценаріїв наведено на рис. 1.

X

Вхід

Завантажую...