Источники и стоки: что определяет долгосрочные климатические тенденции?

Теперь группа ученых во главе с Фрэнсисом Макдональдом из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре опубликовала исследование, в котором предполагается, что причиной может быть тектоническая активность. Они обнаружили, что долгосрочные тенденции в климате Земли определяются наличием или отсутствием столкновений между вулканическими дугами и континентами в тропиках. Результаты опубликованы в журнале Science.
«Было несколько гипотез, но нет согласия относительно того, почему у нас более теплый или холодный климат в этих очень долгих временных масштабах», – сказал Макдональд, профессор кафедры наук о Земле.

И когда Макдональд говорит о «долгих временных масштабах», он имеет в виду как минимум периоды в 10 миллионов лет. Это широкие климатические тенденции, фон, на котором разыгрываются естественные и антропогенные колебания. По словам Макдональда, ученые относительно хорошо понимают, какие факторы влияют на климат в тысячелетнем масштабе.

Однако в любом масштабе основным фактором изменения климата является углекислый газ (CO2). Вопрос в том, какие факторы влияют на количество СО2 в атмосфере. Некоторые процессы производят CO2, а другие поглощают его.

Ученые называют эти источники и стоки.
Геологи спорят о том, влияют ли источники или поглотители на климат в большей степени. «Некоторые утверждали, что источники CO2, такие как вулканизм, привели к изменению климата в долгосрочной перспективе, в то время как другие утверждали, что нет, именно поглотители стали причиной изменения климата в этих временных масштабах», – сказал Макдональд.

Он считает, что в основном это раковины, особенно огромные отложения горных пород, которые поглощают CO2 в результате химических реакций. Но эти поглотители углерода неравномерно распределены по поверхности.

Например, большая Индонезия составляет всего 1-2 процента открытой площади суши Земли, но на нее приходится примерно 10 процентов текущего геологического стока углерода.
Активность этих стоков зависит от ряда факторов. Вода важна для химических реакций, а также смывает конечные результаты в океаны, где они потребляют CO2.

Горное строительство увеличивает реакцию, поднимая и обнажая новый камень. На равнине почва защищает подстилающую породу.
Рок-тип также играет ключевую роль. Камень, богатый железом и магнием, имеет более простые химические связи, которые легче разрушаются.

Это делает эти основные породы, такие как базальт, лучше поглощают углерод, чем такие породы, как гранит, которые имеют более сложные связи.
Тектоника плит – вот что движет этим геологическим углеродным циклом. Когда одна тектоническая плита скользит под другую – обычно плотная океаническая плита под континентом – тающая порода питает ряд вулканов на верхней плите, называемых вулканической дугой.

Каскадный хребет на северо-западе Тихого океана является одним из примеров этого.
Макдональд и его коллеги посчитали, что когда эти вулканические дуги сталкиваются с другим континентом, столкновение поднимает основные породы. Эти породы легко разрушаются, особенно в теплых влажных тропических широтах, а осадки отправляются в океаны, где они потребляют CO2.

Итак, рассуждал он, когда эти столкновения происходят в тропиках, они приводят к похолоданию климата.

«Тропики – это место, где скалы лучше всего подходят для погоды, потому что они самые теплые и влажные», – объяснила соавтор Лоррейн Лисецки, доцент кафедры наук о Земле Калифорнийского университета в Санта-Барбаре.
Чтобы проверить свою гипотезу, команда использовала реконструкции континентов и событий горообразования, которые ученые построили за последние десятилетия. Это дало им представление о том, где и когда произошло столкновение дуги с континентом.

Они ограничились последними 500 миллионами лет, так как геологическая летопись гораздо менее полна, а реконструкции менее достоверны до этого времени.
Температуру сложнее узнать, чем географию, поэтому команда использовала простую метрику: был ли лед на полюсах в данный момент или нет?

Они восстановили эту информацию из литературы, изучив данные о скалах, которые образуются только в присутствии льда. Они обнаружили, что Земля имела значительный ледяной покров только в течение четырех периодов в их временном окне.
Объединив географические и температурные данные, команда обнаружила, что за последние 500 миллионов лет ледниковый климат происходил в периоды обширных столкновений между континентами и вулканическими дугами в тропиках.

Вероятность того, что совпадение было случайным, составляла менее 1%.
«Учитывая, как много вещей меняется на Земле одновременно, удивительно, что все получилось действительно чисто и так хорошо согласовано», – сказал Лисецки.

Столкновения имеют дополнительный эффект отключения активности вулканической дуги, что отключает этот источник CO2. «Но если бы это был вулканический эффект, не имело бы значения, где находится вулкан», – сказал Лисецкий. Это только эффект выветривания, где широта имеет значение.

И команда обнаружила гораздо более сильную взаимосвязь между климатом и столкновениями, которые произошли в тропиках, а не те, которые произошли за пределами тропиков.
«Эти гипотезы не обязательно полностью независимы, – сказал Макдональд, – но наш анализ показывает, что самая сильная связь связана с элементом выветривания."

Макдональд приступил к этому большому проекту компиляции после того, как несколько его коллег отказались от результатов исследований с меньшим объемом. "Я подумал:" Ты абсолютно прав. Нам нужно взглянуть на это шире », – напомнил он. Теперь команда надеется, что в этой статье их коллеги смогут более строго обосновать свои собственные гипотезы.
Макдональд и Лисецки также знают, что эта статья – не последнее слово. «База данных открыта, – сказал Макдональд, – поэтому я надеюсь, что это итеративный проект.

По мере появления новых ограничений их можно вводить и уточнять модель."С этой целью он в настоящее время изучает, насколько сильно влияет тип породы на эту гипотезу.
Люди жили сотни тысяч лет, не подозревая о драматических изменениях, которые планета наблюдала за эоны.

Хотя предметы, которые она изучает, являются древними, современная геология развивалась относительно недавно. Например, теория тектоники плит не получила широкого распространения до 1960-х годов. «Мы часто думаем, что Земля всегда была такой, какой мы ее видим сейчас», – сказал Макдональд. "Но на протяжении всей своей истории это была совершенно другая планета."