Ученые из шести стран объявили о завершении проекта CENOGRID по созданию новой эталонной кривой климата за последние 66 миллионов лет — с начала кайнозоя и до наших дней. Впервые построен детальный и непрерывный график изменения средних глобальных температур для этого промежутка времени. Данные базируются на измерениях вариаций изотопов кислорода и углерода в глубоководных бентосных фораминиферах и сопоставлении их с астрономическими циклами.
Мельчайшие окаменелости бентосных фораминифер — одноклеточных организмов, обитающих на морском дне, — встречаются в отложениях всего фанерозойского эона, то есть с конца эдиакария (примерно 541 млн лет назад) до наших дней. Для ученых это чрезвычайно удобный инструмент восстановления палеоклиматических условий, так как по соотношениям изотопов кислорода углерода в известковых раковинах можно определить не только главные климатические параметры, к которым в первую очередь относятся глобальная температура и содержание в атмосфере углекислого газа, но и состав морской воды, указывающий на распространенность ледников в тот или иной геологический период. К тому же практически повсеместная распространенность фораминифер в глубоководных отложениях позволяет получать непрерывные по времени климатические кривые — графики, отражающие изменениеклимата с течением времени.
Изучение бентосных фораминифер в отложениях кайнозоя продолжается уже более 50 лет в рамках Международной программы исследовательского бурения в океане (International Ocean Discovery Program, IODP — с 2013 года по настоящее время) и предшествующих ей программ: Integrated Ocean Drilling Program (2003–2013 годы),Ocean Drilling Program (1985–2003 годы) и Deep Sea Drilling Project (1968–1983 годы).
Первая климатическая кривая на основе анализа изотопных отношений в раковинах бентосных фораминифер была построена в 1975 году. Данных на тот момент было еще очень мало, но уже тогда стало ясно, что 60–40 млн лет назад в истории Земли был самый теплый период, а 10–5 млн лет назад — самый холодный.
В 2001 году была составлена эталонная кривая для периода, охватывающего последние 34 миллиона лет, — для более древних периодов данных тогда было недостаточно. Теперь же ученые сообщили о том, что им удалось построить непрерывный график климатических изменений для всего кайнозоя. Результатыопубликованы в журнале Science.
Проект, в рамках которого велась работа, получил название CENOGRID (CENOzoic Global Reference benthic foraminifera carbon and oxygen Isotope Dataset). Построенная климатическая кривая не только самая полная, охватывающая без перерывов все 66 млн лет с конца мелового периода до наших дней, но и значительно более детальная, чем предыдущие версии климатических кривых: для интервала от 0 до 34 млн лет назад в ней учитывался один образец на каждые 2 тысячи лет, а для интервала 34–67 млн лет назад — один образец на каждые 4,4 тысячи лет.
Чтобы свести к минимуму межвидовые вариации изотопных отношений, исследователи старались по возможности анализировать раковины фораминифер только двух родов — Cibicidoides и Nuttallides. Новшеством также было то, что все результаты были сопоставлены с астрохронологическими параметрами — вариациями орбиты Земли, известными как циклы Миланковича.
Причем оказалось, что циклические изменения орбитальных параметров, которые раньше считали главными драйверами климатических изменений, коррелируют с мелкомасштабными колебаниями внутри крупных климатических периодов, а долгосрочные состояния, выделенные исследователями, связаны с другими факторами — объемами ледниковых щитов и содержанием углекислого газа в атмосфере.
Результаты обработки данных показали, что глобальный климат в течение кайнозоя резко менялся несколько раз (рис. 1). В начале эпохи он был сравнительно теплым (warmhouse), на рубеже палеоцена и эоцена стал совсем жарким (hothouse), в конце эоцена — опять теплым, в олигоцене и миоцене — холодным (coolhouse), и, наконец, в плиоцене и плейстоцене — ледниковым (icehouse). Сейчас мы живем в умеренно теплую фазу этого ледникового мегапериода, называемую голоценом.
Для определения этих состояний авторы приняли следующие границы колебания средних глобальных температур: теплое — на 5–10 градусов выше; жаркое — более, чем на 10 градусов выше; холодное — на 0–5 градусов выше; ледниковое — ниже 0. В качестве условного нуля во всех климатических построениях принимается средняя температура за период 1961–1990 годов.
Самый жаркий климат имел место на Земле 55,6–55,5 млн лет назад во время так называемого палеоцен-эоценового термического максимума (ПЭТМ) — короткого периода, продолжавшегося всего 150–200 тыс. лет. Тогда температура была на 14–16 градусов Цельсия выше современной (рис. 2). Причину повышения температуры авторы видят в массовых выбросах углерода в атмосферу в результате активных вулканических извержений в Североатлантической магматической провинции (North Atlantic Igneous Province).
Результаты другого недавнего исследования американских ученых подтвердили эту точку зрения. Геохимики из Колумбийского университета проанализировали изотопные отношения углерода и отношение бария к кальцию в планктонных фораминиферах. Эти параметры указывают на источник углерода, который пошел на постройку раковинок фораминифер. Они выяснили, что весь добавившийся в глобальный цикл углерод во время ПЭТМ имел вулканогенное происхождение. Работа опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
На графиках изотопных данных углерода на 55,6 млн лет приходится резкая аномалия, получившая название «изотопное отклонение углерода» (carbon-isotope excursion, CIE). Значение δ13C (отношение 13C/12C по сравнению со стандартным образцом) в известковых раковинах в это время очень быстро уменьшилось на 2–2,5‰, а затем примерно за 150–200 тыс. лет вернулось в норму (рис. 2 и 3). Это событие совпадает с резким увеличением содержания CО2 в атмосфере — до рекордных 2–3‰, что в 5–8 раз больше, чем современное значение 400 ppm.
По оценкам авторов исследования, за короткий период 4–5 тыс. лет океан поглотил из атмосферы 14,9 квадриллионов метрических тонн углерода, что на 60–70% больше, чем содержалось в нем до этого. Причем в составе этого углерода преобладал легкий изотоп 12C, характерный только для органики и вулканических выбросов.
«Органическую» гипотезу его происхождения авторы сразу отвергли. Во-первых, для объяснения огромного отклонения изотопного состава углерода от нормального во время CIE требуется одномоментно перевести в атмосферу и океаны количество углерода, эквивалентное содержанию во всей современной биосфере, включая почвы. А во-вторых, среднее значение δ13C в образцах составляет −10‰, что характерно именно для вулканогенного углерода. Углерод органического, глубинного и кометного происхождения, а также образующийся при разложенииметаногидратов, имеет другие изотопные параметры.
Помимо изотопных отношений кислорода и углерода, авторы впервые использовали при анализе состава раковин фораминифер отношение бора к кальцию. Ранее было показано в лабораторных экспериментах, что значение в кальците раковин полностью определяется активностью иона B(OH)4−, которая контролируется кислотностью морской воды. Полученные результаты полностью подтверждают предположение о том, что большая часть углерода, выделившегося во время ПЭТМ, растворилась в океанической воде, что повысило ее кислотность.
Это, в свою очередь, привело к глобальной экологический катастрофе — произошло значительное вымирание видов. В частности, в море вымерло от 30 до 40% глубоководных фораминифер, а в глубоководных осадочных отложениях по всему миру в это время исчезли белые карбонатные илы — вместо них откладывались красные глины.
Известно, что отложение белых карбонатных илов прекращается, когда из-за роста кислотности океана граница глубиной компенсации кальцита (calcite compensation depth, CCD), ниже которой кальцит в донных отложениях отсутствует, начинает перемещаться все выше, и в конце концов, достигает поверхности.
Нынешнее потепление, по мнению ученых, также обусловлено ростом содержания парниковых газов в атмосфере. Но теперь причина другая — деятельность человека, которая по силе своего воздействия на климат сопоставима с самыми мощными природными процессами. К тому же это воздействие гораздо быстрее. Содержание углекислого газа в атмосфере выросло с 280 ppm в 1700-х годах до примерно 415 ppm сегодня, и продолжает быстро расти.
Авторы отмечают, что уровень СО2 был бы еще намного выше, если бы океаны не поглощали большую часть прироста. Но запас прочности океанов не безграничен, и в отдельных его частях уровень закисления уже достиг критических отметок (подробнее см. статью Океаны с трудом справляются с поглощением антропогенного углекислого газа из атмосферы, «Элементы», 18.11.2018).
По прогнозам Межправительственной группы экспертов по изменению климата(МГЭИК), если ничего не менять, то концентрация парниковых газов в атмосфере будет нарастать по сценарию RCP8.5 (Representative Concentration Pathway 8.5, где числом обозначено увеличение количества солнечной радиации в ваттах на квадратный метр в год) и к 2100 году средняя глобальная температура вырастет на 2,6–4,8 градуса по сравнению с периодом 1961–1990 годов. Более благоприятно выглядят сценарии RCP4.5 и RCP2.6, в соответствии с которыми это повышение составит соответственно 1,1–2,6 и 0,3–1,7 градуса. Но чтобы климат менялся по этим сценариям, человечеству нужно приложить массу усилий, считают ученые. Прогнозные кривые для всех трех сценариев приведены на рисунке.