Появление нанопланктона при динозаврах сделало вулканы королями земного климата

Климат Земли за сотни миллионов лет неоднократно менялся: то наступали «ледниковые эпохи», то «парниковые эффекты». Эти сдвиги напрямую зависели от концентрации парниковых газов в атмосфере, прежде всего углекислого газа (CO2).

Долгое время вулканы считались одним из древнейших и постоянных источников такого газа. Особенно это касалось вулканических дуг — протяженных цепей вулканов, которые формируются там, где тектонические плиты сходятся и одна плита уходит под другую. Яркий пример — Японские острова и Анды.

Однако модель углеродного цикла древней Земли показала иную картину. Выяснилось, что доминирующую роль в выбросах углекислого газа вулканические дуги получили относительно недавно.

Международная группа геологов под руководством Бена Матера (Ben Mather) из Мельбурнского университета в Австралии смоделировала тектоническое движение плит и связанные с ним процессы за последние 500 миллионов лет, чтобы понять их роль в углеродном цикле. Результаты исследования, опубликованные в журнале Nature Communications Earth and Environment, указали на ключевой переломный момент, который произошел почти 100 миллионов лет назад.

Древние вулканы, вероятно, положили начало богатой кислородом атмосфере В атмосфере содержится примерно 21 процент кислорода, без которого жизнь на нашей планете невозможна. Однако миллиарды лет назад кислород там практически отсутствовал — основным компонентом был угл… naked-science.ru

Моделирование показало, что на протяжении большей части истории Земли основной выход углекислого газа проходил не через вулканические дуги, а через рифты — крупные тектонические разломы в земной коре протяженностью от сотен до тысячи километров. Этот процесс происходил как на суше, так и в океане, например вдоль срединно-океанического хребта или в районе Восточно-Африканской рифтовой долины.

Матер объяснил, что тектонические плиты постоянно движутся. В некоторых местах они не сталкиваются, а расходятся в разные стороны. Когда это происходит, верхний твердый слой планеты трескается и истончается. Под ним лежит горячее расплавленное вещество, которое больше почти ничего не прикрывает.

В этот момент магма поднимается и застывает, образуя новую океаническую кору. Одновременно наружу выходит углерод (C), который раньше был заперт внутри Земли. Он попадает в океан и атмосферу.

Цианобактерии трижды переизобрели кислородное дыхание Международная группа ученых пришла к выводу, что общий предок современных цианобактерий (Cyanobacteria) не имел способности к фотосинтезу и его потомки научились этому самостоятельно. naked-science.ru

Сколько именно углерода выходит при таком процессе, зависит от двух вещей. Первая — длина разлома: чем протяженнее, тем больше мест, откуда он может выходить. Вторая — скорость расхождения плит: чем быстрее они расходятся, тем активнее идет выброс.

При этом сам механизм почти не менялся на протяжении огромных отрезков времени. Рифты стабильно выпускали углекислый газ миллионы и сотни миллионов лет, без резких скачков, в отличие от вулканических дуг, роль которых как главного «отопителя» планеты сильно выросла гораздо позже. Ситуация начала меняться лишь 100 миллионов лет назад. Причина связана с жизнью в океане.

Ученый объяснил, что приблизительно 150 миллионов лет назад важным и распространенным компонентом океанских экосистем стал нанопланктон — организмы с пластинами из карбоната кальция (CaCO₃), в состав которого входит и углерод. После смерти эти микроскопические существа оседали на дно и со временем образовали там гигантские залежи карбоната кальция.

a) Потоки углерода в зонах субдукции и вулканических дуг. Зелено–синим цветом обозначен объем углерода, поступающего и перерабатываемого в глубоководных желобах. Оранжевым цветом обозначен выброс в атмосферу. Объем углерода, высвобождаемого на срединно-океанических хребтах (СОХ), континентальных рифтах и вулканических дугах; b) Карбонатные платформы. Распространение карбонатных платформ (зеленый), активные платформы (светло-зеленый), древние, неактивные платформы (темно-зеленый). В этой модели активные и неактивные платформы учитываются одинаково. Общая площадь карбонатных платформ показана в современном, кумулятивном состоянии и включает только сохранившиеся и картированные структуры. Первоначально их площади были больше, так как часть пород подверглась эрозии и погребению; c) Взаимодействие зон субдукции и карбонатных платформ. Участки, где зоны субдукции пересекаются с карбонатными платформами. В этих районах вулканические дуги характеризуются повышенными выбросами углерода (фиолетовый). Расплавы, формирующиеся в зоне субдукции, взаимодействуют с карбонатными платформами континентальных дуг на малой глубине. Это приводит к растворению CO₂ в магме и ее последующему активному дегазированию, что создает дополнительный выброс углерода; d) Ключевые климатические эпохи / © Ben Mather

По мере движения тектонических плит океаническая кора погружалась в мантию Земли — этот процесс называется субдукцией. Вместе с тектонической плитой в недра планеты уходили и залежи карбоната кальция, оставленные нанопланктоном. Основная часть углерода в составе карбоната кальция смешивалась с расплавленным веществом мантии, однако заметная доля возвращалась на поверхность через извержения вулканических дуг.

Таким образом, вулканические дуги превратились в гигантские «трубы», перекачивающие древний морской углерод из зон субдукции обратно в океан и атмосферу. Модели показали, что этот механизм заработал на полную мощность лишь в последние 100 миллионов лет.

До распространения нанопланктона ситуация выглядела иначе. Вулканические дуги выбрасывали сравнительно мало углекислого газа, поскольку в океанической коре просто не существовало столь мощного углеродного резервуара. По оценкам исследователей, по сравнению с тем, что было 150 миллионов лет назад сегодня вулканические дуги выбрасывают на 2/3 больше углекислого газа. 

Древний океан окрасил Землю в зеленый на 2,5 миллиарда лет Три миллиарда лет назад наша планета могла выглядеть не бледно-голубой, какой ее видят сегодня из космоса аппараты, а иметь совсем другие оттенки. Ученые нашли связь между железом в океане, эволюци… naked-science.ru

Геолог Алан Коллинз (Alan Collins) из Аделаидского университета в Австралии отметил, что подобные модели критически важны для понимания эволюции климата. По его словам, состав океанических осадков менялся по мере появления новых форм жизни, использующих разные химические элементы. Особую роль сыграло постепенное доминирование зоопланктона с карбонатными оболочками, которое радикально перестроило углеродный цикл планеты.

Выводы исследования команды Матера показали, что климатическая роль вулканов непостоянна: она напрямую зависит от жизни в океане и движения тектонических плит. То, что сегодня кажется фундаментальным природным механизмом, на самом деле сформировалось сравнительно недавно.