Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

В то время как первичная атмосфера удалялась с планеты, извергающиеся вулканы и непрестанные столкновения с астероидами приносили к нам молекулы Азота (N₂), оксида Углерода (CO), углекислого газа (CO₂), воды (H₂O) и других молекул в меньших количествах. В океанах с жидкой водой CO₂ может вступать в реакцию с Магнием и Кальцием с образованием карбонатных пород – так забирается большая часть атмосферного CO₂ и запускается углеродный цикл, который остается активным и по сей день (атмосферный CO₂ – > карбонаты в океане -> известняк на дне океана -> известняк на суше из-за тектоники плит -> выветривание горных пород, вулканы -> CO₂ в атмосфере и океанах).

Как мы установили в главе 13, жизнь на Земле процветала еще до того, как нашей планете исполнился миллиард лет и цианобактерии начали свою работу по новому преображению атмосферы, накачивая ее Кислородом. На протяжении миллиарда с лишним лет этот высокореактивный элемент сочетался с другими элементами на поверхности Земли и в океанах (особенно с Железом в виде Fe₃O₄ и Fe₂O₃), что привело к образованию полосчатых железистых кварцитов, источника большей части сегодняшней железной руды³. В конечном итоге окисление железа и других элементов начало снижаться, а O₂, производимый фотосинтезирующими бактериями, стал накапливаться в атмосфере в ходе так называемой «Кислородной катастрофы», случившейся 2,5–2,4 миллиарда лет назад, когда атмосферный O₂ повысился от нуля до примерно 4 %. Это было фатальным для многих одноклеточных организмов, которые могли жить только в бескислородной среде, хотя некоторые из них, например археи, производящие метан, и анаэробная бактерия ботулизма (clostridium botulinum), выживают и по сей день.

Уровень атмосферного Кислорода оставался неизменным на протяжении еще более чем миллиарда лет, пока примерно 650 миллионов лет назад не начал повышаться после насыщения всеми металлами, с которыми он мог соединяться как на суше, так и в море. За следующие 100 миллионов лет он быстро возрос до 12 %, а потом произошел кембрийский взрыв – внезапный расцвет многоклеточных растений и животных в океане и появление первых растений на суше. Поскольку наземные растения теперь выделяли O₂ (и лишь немногие наземные животные вдыхали его), уровень продолжал расти, и примерно 280 миллионов лет назад достиг своего пика, – в те дни, когда огромная часть флоры на протяжении тысячелетий сгнивала и уходила под землю, чтобы превратиться в современные угольные пласты, он составлял 35 % атмосферы. Насекомые, которые поглощают Кислород непосредственно через панцирь и ограничены в размерах его концентрацией, достигли своего наивысшего расцвета: размах крыльев у стрекозоподобных видов превышал 60 см.

К этому времени Землю заселили земноводные и рептилии. Массивные извержения вулканов, которые произошли примерно 241 млн лет назад, вызвали резкое снижение содержания O₂ примерно до 15 % (и привели к крупнейшему массовому вымиранию за последние полмиллиарда лет). Затем содержание Кислорода медленно восстановилось, снова поднявшись примерно до 30 %, когда на Земле властвовали самые крупные динозавры, а затем, после удара астероида и мел-палеогенового вымирания, снова снизилось и примерно 25 миллионов лет назад оказалось на уровне в 21 %, который мы наблюдаем сегодня. Таким образом, на протяжении нескольких последних миллиардов лет действовала петля обратной связи, в которой состав атмосферы влиял на структуру жизни, а присутствие развивающейся жизни вело к изменению состава атмосферы.

Атмосферные изменения: термический максимум после катастрофы

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.