Зачем нужна геология - Дуг МакДугалл

атмосферу, и так далее. Такие взаимосвязи удобнее рассматривать в терминах геохимических циклов: многие химические элементы проходят через разные части планеты и возвращаются в исходную точку. На поверхности Земли часто действуют процессы обратной связи, которые поддерживают баланс концентрации этих элементов или как минимум удерживают их в определенных пределах, предотвращая скапливание их в одной части планеты за счет других частей.

Особенно интересный (и сложный) геохимический цикл имеет углерод. Это важнейший компонент всего живого: все клетки растений, животных и бактерий содержат этот элемент, поэтому на цикл углерода действуют и биологические, и неорганические процессы. Кроме того, существенными участниками геохимического цикла углерода являются два важнейших парниковых газа — углекислый газ и метан, поскольку углерод входит в их состав. Между различными «резервуарами» — океанами, атмосферой, биосферой (любой жизнью), почвой, отложениями и озерами — перемещается огромное количество углерода. Важной частью цикла является фотосинтез: растения забирают углекислый газ из атмосферы, используют его для получения органического углерода в своих клетках, а обратно в атмосферу выделяется кислород. Когда растения умирают, органический углерод может окисляться и быстро возвращаться в атмосферу в виде углекислого газа, а может сохраняться в почве или отложениях в течение тысяч и миллионов лет. В болотах и других средах с малым доступом кислорода бактерии превращают углерод умерших растений в метан, который создает пузыри «болотного газа» и уходит в атмосферу. Иногда органический углерод ускользает от атак бактерий и образует слои торфа или угля, если торф залегает глубоко и нагревается. Углерод, сохраняющийся в виде торфа или угля, устраняется из активного углеродного цикла на очень долгие промежутки времени.

Фотосинтезирующий планктон, живущий в освещенных солнцем приповерхностных водах океана, использует углекислый газ для создания органического углерода, как это делают наземные растения; однако часть этих организмов извлекает растворенный углерод из морской воды и создает раковины из карбоната кальция. Когда эти организмы умирают, и раковины, и органические остатки опускаются на большие глубины, тем самым удаляя углерод из поверхностных слоев океана. Часть этого углерода снова растворяется в морской воде, а часть оседает на дно и сохраняется в виде донных отложений. Геохимики называют этот процесс «биологическим насосом», потому что он лишает поверхностные воды двуокиси углерода, отправляя ее вниз, зато в эти теперь уже обедненные углекислым газом поверхностные воды попадает атмосферный углекислый газ и растворяется там. Поэтому концентрация парниковых газов в атмосфере находится в равновесии, на которое влияют различные процессы, участвующие в природном круговороте углерода. Это равновесие — по крайней мере, на короткое время — может нарушаться различными переменами в среде, включая независимые изменения температуры и климата. Например, поскольку холодная вода содержит больше диоксида углерода, чем теплая, повышение температуры морской воды вызывает частичное выделение этого соединения из океана в атмосферу, и его концентрация в воздухе повышается; наоборот, снижение температуры морской воды приведет к растворению в ней дополнительного количества диоксида углерода. На рисунке 25 показаны пути разного временного масштаба, входящие в геохимический цикл углерода.

В углеродном цикле есть еще один важный фрагмент. Как кратко описывалось в главе 7, в течение очень длительных периодов — миллионы лет и дольше — содержание углекислого газа в атмосфере регулируется за счет вулканической деятельности с одной стороны и химического выветривания поверхностных пород с другой. Лава, извергающаяся на поверхность Земли, приносит с собой растворенные в ней газы, включая двуокись углерода. При высоком уровне вулканизма углекислый газ в атмосфере накапливается, и температура повышается за счет парникового эффекта. Однако при повышении концентрации он сильнее растворяется в дождевой воде, вода становится кислотной и усиливает интенсивность химического выветривания. Более высокая температура тоже ускоряет выветривание. В результате получается отрицательная обратная связь: при повышении содержания углекислого газа в атмосфере стимулируются процессы, которые снижают его концентрацию.

Рисунок 25. Некоторые пути в углеродном цикле. Различные части цикла действуют в существенно разных временных масштабах. За миллионы лет углерод (в форме двуокиси) убирается из атмосферы посредством выветривания пород и фотосинтеза, откладывается в виде углеродсодержащих отложений в океанах или в виде органического материала в болотах на материках, долгое время сохраняется в виде карбонатных пород или ископаемого топлива. Это уравновешивается добавлением углекислого газа в атмосферу посредством вулканической деятельности. Кроме того, углерод путешествует через атмосферу, растения, почвы и океаны и в более коротких временных масштабах.

При химическом выветривании поверхностных пород образуются растворенные углеродсодержащие соединения; реки переносят их в океан, где они в конечном итоге и оседают на морском дне в виде карбонатных пород — таких как известняк. Если известняк попадает в зону субдукции, перемещается внутрь Земли и нагревается, то часть углекислого газа может вернуться в атмосферу в виде вулканических газов, завершая круговорот углерода. Известняк, который избежал этой участи, может сохранять некогда находившийся в атмосфере углерод в течение многих сотен миллионов лет.

Когда вулканическое поступление двуокиси углерода невелико, уравновешивающие силы действуют в обратном направлении: выветривание замедляется, а газ остается в атмосфере. Таким образом концентрация углекислого газа остается в тех пределах, которые делают поверхность нашей планеты пригодной для жизни: она не превращается ни в ледяную пустыню (как было бы при отсутствии парниковых газов), ни в пылающий ад (как происходит на Венере, атмосфера которой состоит в основном как раз из двуокиси углерода). Конечно, эта картина весьма упрощена — действуют и другие факторы. Однако общая концепция равновесия между вулканическим предложением с одной стороны и потреблением при выветривании с другой полезна при рассмотрении проблемы долгосрочного регулирования атмосферного углекислого газа.

Однако геологические данные в отношении ПЭТМ показывают, что какие-то кратковременные процессы полностью разрушили сбалансированную работу углеродного цикла. Изменение соотношения изотопов углерода, зафиксированное в начале этого интервала времени, произошло очень быстро, всего за несколько тысяч лет (рисунок 26). Такое быстрое начало подразумевает, что в систему океан-атмосфера внезапно попало большое количество углерода, а необычайно большое изменение в соотношении изотопов указывает, что соотношение изотопов в добавленном углероде сильно отличалось от того, что наблюдается в «нормальном» углероде. Поэтому подозрение быстро пало на метан.

Рисунок 26. Данные для палеоцен-эоценового термического максимума (ПЭТМ), полученные из керна осадочных пород, взятого в Южной Атлантике. В этом керне ПЭТМ начинается на глубине сразу после 140,1 м, где концентрация карбонатов быстро падает до нуля; спустя примерно 110 000 лет концентрация возвращается к уровню до ПЭТМ. Обратите внимание, что данные изотопов углерода для первой части ПЭТМ отсутствуют — в этом интервале просто недостаточно карбонатных раковин для анализа. Часть керна,