Побудована еталонна крива клімату від початку кайнозою до наших днів
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).
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.
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).
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.
