Примерно 50 миллионов лет назад глобальная температура на Земле превышала современную более чем на 10 градусов Цельсия. Концентрация углекислого газа в атмосфере достигала около 1600 частей на миллион. Ученые из Института химии Макса Планка вместе с коллегами из других стран решили выяснить, что заставляло уровень CO₂ оставаться столь высоким на протяжении миллионов лет. Результаты научной работы опубликованы в издании Nature Geoscience.
Исследователи проанализировали химический состав крошечных раковин фораминифер — древних микроскопических морских организмов. Образцы подняли со дна в четырех точках Южного океана во время глубоководного бурения. Ученых интересовали изотопы азота, которые сохранились в этих панцирях.
Роль биологического углеродного насоса
Изотопы азота показывают, насколько полно фитопланктон в поверхностных водах потреблял доступные питательные вещества. Процесс напрямую связан с биологическим углеродным насосом. Микроскопические водоросли поглощают углекислый газ из атмосферы. Когда эти организмы погибают, часть углерода вместе с ними опускается на дно океана. Там он хранится сотнями и тысячами лет, изолированный от воздушной оболочки планеты.
Анализ показал резкие перемены. На пике эоценового потепления фитопланктон в Южном океане использовал примерно на 40 процентов меньше питательных веществ, чем в более прохладные периоды до и после этого отрезка времени. Биологический насос работал хуже обычного, поэтому углерод оставался в круговороте, а не уходил на глубину.
Чтобы оценить масштаб влияния этого процесса на атмосферу, исследователи применили компьютерную модель океана и атмосферы. Расчеты показали впечатляющие результаты. Одно только ослабление биологического насоса на 40 процентов поднимает уровень углекислого газа с 700 до 900 частей на миллион. С учетом обратных связей в химическом составе морской воды и климате показатель вырастает до 1100 частей на миллион. Это объясняет по меньшей мере половину общего прироста CO₂, зафиксированного в ту эпоху.
Как поясняет соавтор научной работы Франсуа Фрипиа, морская вода в эоцене обладала гораздо меньшей способностью сглаживать колебания углекислого газа, чем современный океан. Поэтому сбой в работе биологического насоса приводил к куда более тяжелым последствиям для атмосферы, чем сегодня. Полученные данные доказывают, что изменения биологической активности Южного океана усиливали и без того теплый климат за счет накопления углерода в атмосфере.
Причины долгого сохранения CO₂
Ведущий автор исследования Симоне Моретти отмечает, что механизм обратной связи работает одинаково в разные эпохи. Потепление заставляет богатые углеродом глубокие воды подниматься к антарктической поверхности, откуда газ устремляется в атмосферу и усиливает парниковый эффект. Похожие процессы фиксировались во время ледниковых периодов плейстоцена, но в эоцене этот механизм действовал на протяжении миллионов лет.
Возникал вопрос: почему избыток CO₂ не исчезал так долго? Ученые предполагают, что дело в ограниченной эффективности естественного климатического термостата планеты — постепенного поглощения углекислого газа горными породами при их выветривании. Около 50 миллионов лет назад Альпы и Гималаи еще не поднялись в полную силу. Континенты выглядели более плоскими, а глубоко выветрелые породы не могли предложить свежую минеральную массу для поглощения углекислоты.
Как объясняет соавтор исследования Матис Хайн, из-за медленной работы природного термостата выброшенный океаном углекислый газ оставался в воздухе невероятно долго. Это позволяло Южному океану влиять на климат не просто на протяжении тысяч лет, как во время ледниковых периодов, а миллионами лет.
По словам руководителя группы в MPIC и старшего автора работы Альфредо Мартинеса-Гарсии, согласованность данных между теплыми межледниковьями плейстоцена и периодом древнего потепления укрепляет понимание того, как Южный океан управляет биологическим насосом в разных временных масштабах. Сейчас исследователи планируют проверить, насколько сильно этот механизм влиял на другие периоды резкого и долгого потепления в истории Земли.
