300 миллионов лет назад углекислого газа в атмосфере было гораздо больше, чем сейчас

Растительность раннего пермского периода (кунгурский век), как она представляется палеонтологу и художнику С.В.Наугольных. Рис. с сайта macroevolution.narod.ru
Растительность раннего пермского периода (кунгурский век), как она представляется палеонтологу и художнику С.В.Наугольных. Рис. с сайта macroevolution.narod.ru

Конец палеозойской эры (300-270 миллионов лет назад) отмечен переходом от долго длившегося и охватившего большую часть Земли оледенения к глобальному потеплению. За это время содержание СО2 в атмосфере, вначале примерно равное современному, возросло в 10 раз. По мере повышения температуры менялся характер наземной растительности в тропиках — она становилась более сухолюбивой. Анализ событий, имевших место в ту далекую эпоху, может пригодиться при прогнозировании ситуации в будущем: если человечество сожжет все имеющиеся запасы ископаемого топлива, содержание СО2 в атмосфере поднимется с нынешних 0,036% до 0,2% — то есть примерно до уровня конца палеозойской эры.

Наблюдающийся сейчас рост концентрации в атмосфере парниковых газов, прежде всего диоксида углерода (СО2), нередко называют беспрецедентным и объясняют исключительно хозяйственной деятельностью человека — сжиганием ископаемого топлива. На самом деле это не совсем так. Анализ пузырьков воздуха, запечатанных во льду Антарктиды (такие данные по материалам станции «Восток» имеются за последние 420 тыс. лет), показывает, что содержание СО2 в атмосфере демонстрировало циклические колебания, из которых наиболее значительные, с периодом в 110 тыс. лет (так называемые циклы Миланковича), определяются регулярными изменениями параметров земной орбиты. Современное содержание СО2 — 360 ppm (parts per million — частей на миллион, иначе говоря — 0,036%) — действительно самое высокое по крайней мере за последние полмиллиона лет, хотя надо заметить, что и в случае отсутствия человека на Земле сейчас было бы довольно тепло, а концентрация СО2 в воздухе составляла бы по крайней мере 280 ppm, как до начала широкомасштабного сжигания ископаемого топлива.

Однако в более далеком прошлом наша планета переживала и более серьезные повышения содержания углекислого газа в атмосфере. При этом жизнь на Земле продолжала существовать и развиваться. Так, в конце палеозойской эры, в самом начале пермского периода (примерно 300 миллионов лет назад) на смену очень долго (почти полмиллиарда лет) длившихся холодов пришло глобальное потепление, сопряженное с резким возрастанием содержания в атмосфере СО2 — от уровня, примерно равного современному (250 ppm), до 1000 ppm, а затем и до 3000 ppm (то есть почти в 12 раз).

Ископаемые растения пермского периода, распространявшиеся при потеплении климата. 1 — лист ельтаспермового птеридосперма Rhachiphyllum (al. Callipteris); 2 — лист другого птеридосперма — Psygmophyllum; 3 — кутикула листа кониферофита Entsovia; 4 — лист голосеменного растения рода Rufloria. Нижняя пермь Приуралья. Рис. с сайта macroevolution.narod.ru
Ископаемые растения пермского периода, распространявшиеся при потеплении климата. 1 — лист ельтаспермового птеридосперма Rhachiphyllum (al. Callipteris); 2 — лист другого птеридосперма — Psygmophyllum; 3 — кутикула листа кониферофита Entsovia; 4 — лист голосеменного растения рода Rufloria. Нижняя пермь Приуралья. Рис. с сайта macroevolution.narod.ru

Конечно определить концентрацию углекислого газа, которая была на Земле 300 миллионов лет назад, гораздо труднее, чем ту, что была 300 тысяч лет назад. Запечатанных пузырьков воздуха с тех пор не сохранилось, а исследователям приходится опираться на косвенные показатели, однако комбинирование разных методов и согласование полученных результатов может дать достаточно надежную оценку.

Авторы статьи, опубликованной в последнем номере Science, — Изабель Монтаньез (Isabel Patricia Montañez) с факультета геологии Калифорнийского университета (Дэвис, Калифорния, США) и ее коллеги из нескольких других университетов США — опирались как раз на такой комплексный подход. Результаты их работы — анализ изменений СО2 в атмосфере и сопряженных с ними изменений климата и наземной растительности, происходивших в начале пермского периода, на отрезке времени, охватывающем 40 миллионов лет (305–265 миллионов лет назад). Для определения концентрации СО2 авторы применяли несколько методов, в частности метод, основанный на оценке содержании стабильного изотопа углерода 13C в кальцитах, образовавшихся в древних почвах на поверхности континентов, в минерале гётите (названном в честь Гёте), а также в остатках ископаемых растений.

Известно, что при фотосинтезе растения (особенно С3-растения) в первую очередь используют молекулы СО2 с более легким изотопом 12С, а тяжелый 13С остается в воздухе. В образующемся абиогенным образом (без участия организмов) кальците изотопы углерода 12С и 13С встречаются в той же пропорции, что и в воздухе между частицами почвы, но поскольку там содержится много растительных остатков, то и воздух этот оказывается обеднен 13С. Однако при высокой концентрации СО2 (высоком парциальном давлении) этот тяжелый газ в большем количестве и в неизмененном растениями состоянии проникает в почву, где соответственно повышается доля 13С. На этом основан так называемый «метод палеобарометра», придуманный американским геофизиком Т. Серлингом (Thure E. Cerling).

Комбинируя данные по изотопному составу кальцитов, гётита и древнего органического вещества, авторы смогли построить модель обмена СО2 между почвой, растениями и атмосферой. Все величины (их довольно много — пробы взяты из нескольких районов США, а относятся они к слоям с временными интервалами в 1 миллион лет) определены с довольно большой статистической ошибкой, но авторы использовали метод Монте-Карло, чтобы просчитать множество возможных вариантов при разных значениях исходных величин. Для оценки температуры поверхностных вод океана использованы данные по составу изотопов кислорода в раковинах Brachiopoda (плеченогих).

Суть метода основана на том, что в известняк, из которого состоят раковины, включаются два изотопа кислорода — обычный «легкий» 16O и более редкий «тяжелый» 18O, причем в том соотношении, в котором они находятся в окружающей морской воде. Когда вода с поверхности океана испаряется, а затем конденсируется и снова выпадает в виде осадков, молекулы ее, содержащие тяжелый изотоп 18O, возвращаются в океан быстрее, чем содержащие легкий 16O. Последние в значительно большем количестве уносятся на континенты, и в результате снег, выпадающий на ледники, всегда обеднен 18O. Чем больше наращивается масса ледников, тем сильнее обогащаются оставшиеся в океане воды более тяжелым изотопом 18O. Прослеживая за относительным содержанием изотопов 16O и 18O в известковых раковинах, можно судить о том, как изменялось на Земле соотношение массы свободной воды и связанной во льдах.

Изучение ископаемых остатков растений, произраставших в это время в тропических областях Лавразии, показало смену доминирующих форм, причем по мере потепления всё больше распространялись растения с ксероморфными (засухоустойчивыми) признаками, указывающими на их произрастание в засушливых местах обитания.

Глобальные изменения климата Земли, происходившие в течение 40 миллионов лет после долго продолжавшегося оледенения. По горизонтали — шкала времени (млн лет назад): CARB. — карбон (= каменноугольный период); EARLY PERMIAN — ранний пермский период; MID PERM. — среднепермский период. A — чередование периодических наступлений ледников (голубая косая штриховка) и их оттаивания (незаштрихованные участки); сплошная синяя линия — относительное содержание стабильного изотопа кислорода <sup>18</sup>O в раковинах морских плеченогих; B — отклонения средней температуры поверхности океана от средней, равной 17,5°С (горизонтальная линия, обозначенная как 0), показанные розовым цветом, и среднее содержание СО<sub>2</sub> в атмосфере — толстая синяя кривая (тонкие синие линии — доверительные интервалы); C — колебания среднего уровня океана — уровень повышается в периоды потепления (показаны желтыми горизонтальными полосами). Рис. из обсуждаемой статьи в Science
Глобальные изменения климата Земли, происходившие в течение 40 миллионов лет после долго продолжавшегося оледенения. По горизонтали — шкала времени (млн лет назад): CARB. — карбон (= каменноугольный период); EARLY PERMIAN — ранний пермский период; MID PERM. — среднепермский период. A — чередование периодических наступлений ледников (голубая косая штриховка) и их оттаивания (незаштрихованные участки); сплошная синяя линия — относительное содержание стабильного изотопа кислорода 18O в раковинах морских плеченогих; B — отклонения средней температуры поверхности океана от средней, равной 17,5°С (горизонтальная линия, обозначенная как 0), показанные розовым цветом, и среднее содержание СО2 в атмосфере — толстая синяя кривая (тонкие синие линии — доверительные интервалы); C — колебания среднего уровня океана — уровень повышается в периоды потепления (показаны желтыми горизонтальными полосами). Рис. из обсуждаемой статьи в Science

Таким образом, данные, полученные Изабель Монтаньез и ее коллегами, выявили очень сложную картину сопряженных изменений содержания СО2 в атмосфере, климата и типа наземной растительности. Это были глобальные процессы, протекавшие в течение нескольких десятков миллионов лет в конце палеозоя, задолго до появления на Земле не только человека, но и млекопитающих. Однако возрастание концентрации СО2 в атмосфере, которое ожидается к тому моменту, когда человеком будет сожжено всё ископаемое топливо, соответствует наблюдавшемуся в конце палеозоя (2000 ppm), и поэтому проблема не лишена практического интереса.

Источник: Isabel P. Montañez, Neil J. Tabor, Deb Niemeier, William A. DiMichele, Tracy D. Frank, Christopher R. Fielding, John L. Isbell, Lauren P. Birgenheier, Michael C. Ryge. CO2-forced climate and vegetation instability during late Paleozoic deglaciation // Science. 2007. V. 315. P. 87–91.

См. также: Retallack, G.J. 2004. Soils and global change in the carbon cycle over geological time (полный текст, PDF, 3,8 Мб) // Executive editors: Heinrich D. Holland, Karl K. Turekian. Treatise on geochemistry, Pergamon Press, Oxford. V. 5. P. 581-605.

Алексей Гиляров


0
Написать комментарий



    Элементы

    © 2005-2017 «Элементы»