Зачем нужна геология - Дуг МакДугалл

Почему метан? В тех единицах, что используются для соотношений изотопов углерода-13 и углерода-12, отложения тех времен, что непосредственно предшествовали ПЭТМ, имеют значения около +2,5. Вскоре после начала теплого периода значение упало практически до нуля, то есть почти на три единицы. Аналогичные изменения происходили с органическим углеродом на суше. Для мира изотопов углерода это очень большой сдвиг. Общее количество этого элемента, проходящего через различные резервуары в океанах, в атмосфере и на суше, настолько велико, что для изменения отношения изотопов хотя бы на одну единицу, не говоря уже о трех, требуется колоссальное добавление. Чем ближе отношение изотопов в добавляемом углероде к тому, которое уже имеется в системе, тем больше углерода придется добавить, чтобы добиться существенного сдвига в этом параметре. Биологически производимый метан имеет экстремальное соотношение изотопов углерода — оно примерно равно -60. Но даже при таком экстремальном значении, чтобы добиться наблюдаемого изменения в соотношении изотопов, нужно добавить от 2000 до 4000 миллиардов тонн метана. Если же брать углерод из других источников, то добавлять придется еще больше.

Обычно метан, который образуется при бактериальном разложении органики, медленно выделяется в атмосферу или (если бактерии живут в океанических отложениях) в морскую воду. Такие процессы происходят на болотах, на дне океана, на мусорных свалках и на очистных сооружениях. Однако для инициации ПЭТМ должно было произойти что-то совсем не похожее на такое медленное стабильное выделение. Сначала заподозрили участие метангидрата (или гидрата метана) — того самого соединения, которое, по мнению некоторых ученых, могло вносить вклад в отрезки суперпарникового климата, следовавших за состоянием Земли-снежка в протерозойском эоне. Гидрат метана — это похожее на лед твердое вещество, которое образуется только при низких температурах в особых условиях — таких как арктическая тундра или некоторые типы океанических отложений. Изучение континентальных шельфов — относительно мелководных частей океана, окружающих материки — показало, что сейчас в них весьма распространены слои этого вещества. Метангидрат содержит так много метана (примерно в 170 раз больше, чем в таком же количестве метанового газа), что эти месторождения рассматривают в качестве альтернативного источника природного газа (по оценкам, запасы гидратов содержат больше метана, чем традиционные источники природного газа). Это странное вещество: когда его извлекают с морского дна, оно выглядит куском льда, но поднесите к нему спичку, и оно загорится.

Метангидрат устойчив только в ограниченном диапазоне температуры и давления, и поэтому может существовать только в определенных средах. Его отложения в континентальных шельфах образуются, когда метан, произведенный бактериями донных отложений, оказывается запертым в ледяных слоях из-за низкой температуры на дне и высокого давления, создаваемого находящимися выше водами и отложениями. Из-за биологического происхождения у него есть необходимое экстремальное соотношение изотопов углерода, однако пока еще непонятно, достаточно ли запасов гидрата метана на континентальном шельфе 55 миллионов лет назад, чтобы объяснить сдвиг изотопного отношения при ПЭТМ. Имеется и еще одна проблема. Для резкой смены изотопного отношения этот метан должен был высвободиться быстро, причем в количестве, эквивалентном всем сегодняшним запасам метангидрата. Что могло запустить такое необычное событие?

Возможно, вы начинаете понимать, почему я сравнивал геохимиков, изучающих ПЭТМ, с детективами. Кажется, что новый факт указывает на какого-нибудь подозреваемого, но последующая проверка вызывает множество вопросов. К тому же иногда трудно расшифровать данные, которым 55 миллионов лет. В каком-то смысле замечательно уже то, что мы знаем так много.

Есть несколько механизмов, которые могли вызвать резкое выделение метана. Один из них — повышение температуры вод океана, которое привело бы к разложению отложений метангидрата на континентальном шельфе. Но почему эти воды должны нагреваться? Если причиной является какое-то изменение климата, то что вызвало это изменение? Также возможен вариант, что изменилась циркуляция воды: тогда повысилась не общая температура морской воды, а только температура в некоторых регионах; это привело к выделению метана, что, в свою очередь, вызвало общее потепление климата и новое выделение метана — своеобразный эффект снежного кома. Но тут тоже возникает вопрос, что могло вызвать такое исходное изменение циркуляции. Еще одна возможность — оползни по краям континентальных шельфов, которые дестабилизируют слои гидрата, высвобождая метан. Тут свои трудности: такой процесс должен происходить в больших масштабах за короткое время, что кажется маловероятным. Возможно, причиной стало сочетание различных механизмов, действующих более или менее одновременно. Но вне зависимости от механизма высвобождения неопровержимым фактом, похоже, является то, что основное количество добавленного углерода имело форму метана биологического происхождения.

В пересчете на объем метан примерно в восемь раз эффективнее углекислого газа задерживает тепло в атмосфере, поэтому добавление большого количества этого газа вызовет быстрое повышение общемировой температуры. Однако среднее время жизни молекулы метана в атмосфере до ее разрушения вследствие окисления не превосходит десяти лет. Этого слишком мало, чтобы нести ответственность за весь период потепления ПЭТМ: как бы резко он ни начался, но все же потребовались тысячи лет, чтобы достичь пиковых температур. Впрочем, первоначальный быстрый выброс реально огромных количеств метана временно превзошел бы окислительные возможности атмосферы, и время существования метана увеличилось бы во много раз. При таких обстоятельствах усиленный парниковый эффект и повышение температуры могли поддерживаться веками, это способствовало бы дальнейшему таянию гидратов и новым выбросам метана в атмосферу. Из-за потепления климата увеличились бы площади болот, а вместе с тем — производство метана болотными бактериями.

Кроме того, при окислении метана образуется углекислый газ. Он сохраняется в атмосфере гораздо дольше метана, и по мере окисления метана его концентрация бы росла, поддерживая первоначальное потепление. Этот вывод поддерживается данными, полученными от кернов из глубоководных отложений: они говорят, что в атмосфере ПЭТМ уровень двуокиси углерода был сильно повышен. Место в кернах, соответствующее началу палеоцен-эоценового термического максимума — точка, где изотопные значения для углерода быстро падают — отмечено слоем глины. Причина не в том, что на дно стало попадать больше частиц глины; причина в том, что снизилось появление других видов частиц — в частности, раковин планктонных организмов из карбоната кальция, прежде всего фораминифер, которые обычно являются преобладающим компонентом океанических отложений. Изменение содержания карбоната кальция заметно в океанических отложениях по всему миру и является одним из самых ярких признаков ПЭТМ (рисунок 26).

Но как это связано с углекислым газом в атмосфере? Резкое падение содержания карбоната кальция — от почти 100 % всех частиц в отложениях до почти нуля — произошло оттого, что океан стал более кислым, и в результате тонущие раковины планктона растворялись,