Зачем нужна геология - Дуг МакДугалл

Сегодня соленая вода течет из тропиков в Северную Атлантику, охлаждается, становится очень плотной, погружается и создает глубоководное течение, направленное на юг. Этот процесс, подобно конвейерной ленте, постоянно доставляет теплую воду на север, отводя при этом обратно холодную воду в глубине океана. Но когда в Северный Ледовитый океан и в Северную Атлантику хлынуло большое количество пресной воды с низкой плотностью, плотность поверхностных вод понизилась, и это мешало им опускаться. Лента конвейера остановилась или как минимум сильно замедлилась. Тепло, обычно шедшее на север, осталось в тропиках, североатлантический регион охладился, а Антарктика потеплела. Такой сценарий может объяснить резкое похолодание в Гренландии 8200 лет назад и во время позднего дриаса; однако причина появления теплых интервалов при осцилляциях Дансгора — Эшгера менее понятна. Они тоже не совпадают по фазе между Гренландией и Антарктидой и должны быть связаны с изменениями в циркуляции, переносящей тепло между полушариями. Однако пока неясно, что запускает такие изменения в циркуляции.

Изучение резких перемен климата — пока молодая область науки. Кажется, что почти в любом очередном номере серьезных научных журналов появляются новые данные о быстром изменении климата, полученные от ледниковых льдов, озерных отложений или пещерных сталактитов — любых объектов, которые медленно нарастают и тем самым дают ключи к климату прошлых эпох. Чтобы получить более глобальное представление о прошлых колебаниях температуры, ледяные керны добывают не только в полярных областях, но и на небольших ледниках Анд и Гималаев; кроме того, ученые разрабатывают новые методы анализа. В какой-то степени эти усилия вызваны чисто научным интересом, однако новый импульс им придала повсеместная озабоченность тем, как климат будет развиваться в будущем. Парниковые газы, уже выброшенные в атмосферу в результате использования ископаемого топлива, будут согревать планету многие века, и повышение температуры ускорится, если мы в ближайшее время не сократим количество этих выбросов. Цель многих климатологов — установить, в какой момент такие изменения могут перевести Землю в другое климатическое состояние, которое положит конец относительной стабильности климата, которой наш мир благополучно пользовался многие тысячи лет, и вызовет резкие скачки климата, характерные для более отдаленных эпох. Пока эта цель ускользает. Но всем нам надо надеяться, что климатологи добьются успеха.

Глава 9

Великое потепление

В 1991 году одна из статей журнала Nature рассказывала о том, что ее авторы называли «примечательным отклонением в изотопах кислорода и углерода… в конце палеоцена». Для тех, кто не разбирается в тонкостях палеоклиматологии, это может показаться бессмысленным набором слов. Однако описанное в статье отклонение в изотопах (измерения проводили для глубоководных отложений, датируемых возрастом примерно 55 миллионов лет назад) сигнализировало, что в этот момент общемировая температура внезапно и очень резко выросла, и что океаническая циркуляция претерпела радикальные перемены. Мало того, эти изменения совпали с исчезновением многих видов фораминифер — распространенной разновидности планктона. Ясно, что на поверхности Земли произошло нечто необычное. Но что?

Авторы статьи в Nature, Джеймс Кеннетт из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре и Ловелл Стотт из университета Южной Калифорнии, изучали отложения возрастом 55 миллионов лет, поскольку хотели выяснить, что вызвало внезапную кончину такого множества видов планктона. Они и представить не могли, какой интерес вызовет их работа. Даже сейчас, спустя два десятка лет после публикации, зафиксированное ими быстрое изменение климата — частая тема разговоров на научных конференциях и статей в научных журналах, а темпы исследований в этой области растут и растут. Интервал, установленный Кеннеттом и Стоттом, часто именуют «великим потеплением». Официально его называют палеоцен-эоценовым термическим максимумом (ПЭТМ).

ПЭТМ наступил тогда, когда Земля в целом была намного теплее, чем сейчас: даже полярные регионы в основном были свободны от льдов. Сведения о климате тех времен получают в основном при изотопных исследованиях кернов глубоководных отложений, особенно соотношений изотопов кислорода в раковинах ископаемого планктона. Соотношения отражают температуру воды во время жизни этих организмов — хороший показатель общего климата. Данные изотопов показывают, что даже во времена относительно мягкого и стабильного по мнению большинства ученых климата, имелись короткие отрезки, когда глобальные температуры быстро росли, оставались на некоторое время высокими, а затем возвращались к первоначальным значениям. ПЭТМ среди этих подъемов был одним из самых резких.

Но к чему все это беспокойство по поводу какого-то короткого интервала высоких температур, зафиксированного десятки миллионов лет назад? Отчасти это связано с необычной природой ПЭТМ: аномальные события в геологической летописи всегда привлекают внимание, поскольку могут оказаться особенно полезными для понимания того, как работает система нашей планеты. Но дело также в том, что описанное Кеннеттом и Стоттом отклонение в изотопах было вызвано появлением в системе океан-атмосфера огромного количества углерода (в виде двух содержащих углерод соединений — углекислого газа и метана) за очень короткое время. Все имеющиеся данные говорят, что этот объем сопоставим (или, возможно, превышает) с тем, который будет высвобожден в результате человеческой деятельности в течение нескольких следующих столетий. Это может сделать ПЭТМ хорошим примером при прогнозировании будущего изменения климата планеты.

Несмотря на то, что ПЭТМ активно изучают, его по-прежнему часто именуют загадкой. Откуда взялся весь этот углекислый газ, и что вызвало его появление? И куда он в конце концов делся? В каком-то смысле геологи и геохимики, изучающие эти и другие проблемы, похожи на детективов, собирающих доказательства и выдвигающих гипотезы, что могло произойти. Иногда ту или иную гипотезу приходится отвергнуть, поскольку она не соответствует новым фактам; иногда при обнаружении новых данных появляется новое предположение. Однако до сих пор нет единой гипотезы, которую все сочли бы правильной: эта загадка, хотя и менее таинственная, чем раньше, все еще полностью не решена.

Давайте посмотрим на некоторые факты и подумаем о возможных причинах. Одним из самых впечатляющих признаков ПЭТМ является серьезное и очень стремительное изменение соотношения двух изотопов углерода — углерода-13 и углерода-12; это то самое отклонение в изотопах, обнаруженное Кеннеттом и Стоттом. Последующие исследования показали, что сдвиг изотопов произошел не только в раковинах планктона, но и касался углерода во всех его разнообразных формах на суше, в океане и атмосфере. Это крайне заинтересовало ученых, поскольку такие масштабные и повсеместные перемены указывают на серьезные нарушения в геохимическом цикле углерода на Земле.

Геохимики давно осознали, что для многих химических элементов существуют прочные взаимосвязи между событиями в различных частях Земли: процессы в коре могут влиять на океан, процессы в океане затрагивают