Как глобальное потепление может вызвать ледниковый период? Обнаружен неочевидный механизм в климате Земли

Климат Земли работает как единый механизм. Долгое время считалось, что его главное свойство — стабильность. На больших отрезках времени у планеты есть способ поддерживать равновесие, который не дает ей стать слишком горячей или слишком холодной.

Этот способ — выветривание силикатных пород. Действует он условно просто: когда в воздухе много CO₂, планета греется, погода становится более влажной. Тепло и вода ускоряют химические реакции, разрушающие скалы. Эти реакции забирают углекислый газ из воздуха. В итоге он оказывается на дне океана в виде осадков. Меньше CO₂ — и планета остывает. Это пример саморегуляции: система сама противодействует сильным изменениям.

Но если климат всегда стремится к балансу, почему в прошлом были периоды «Земли-снежка»? В те эпохи планета почти вся была покрыта льдом. Новая работа Доминика Хюльсе и Энди Риджуэлла дает этому объяснение.

Что, если в механизме есть второй участник?

Старая модель с выветриванием пород смотрит в основном на геологию и неорганическую химию. Но она не учитывает другого сильного участника — жизнь. Биосфера, особенно жизнь в океане, тоже активно перемещает углерод.

Когда морские организмы, например фитопланктон, умирают, они тонут, а часть их органического вещества, которое содержит углерод, не разлагается и остается в донных осадках. Этот процесс тоже убирает углерод из атмосферы, но делает это намного быстрее, чем геологическое выветривание.

Скорость этого биологического процесса зависит от наличия питательных веществ. Главный элемент здесь — фосфор. В сегодняшнем океане его нехватка часто сдерживает рост фитопланктона. А фосфор поступает в океан с суши. Он появляется от выветривания других, фосфорсодержащих минералов.

А что случится, если оба способа — медленный геологический и быстрый биологический — заработают на полную мощность одновременно?

От жары ко льду: как действует перегрузка механизма

Ученые создали модель ситуации, которая могла запускать климатические сдвиги в прошлом: большой и долгий выброс CO₂ в атмосферу, например, от сильных вулканических извержений.

Проследим по шагам за реакцией, которую показала модель.

1. Первый толчок: сильный нагрев. Большое количество CO₂ поступает в атмосферу. Планета греется, льды тают, дождей становится больше.
2. Двойной отклик. Нагрев ускоряет выветривание и силикатных, и фосфорных пород. В океан попадают потоки веществ. Они, с одной стороны, медленно связывают CO₂, а с другой — приносят очень много фосфора.
3. Биологический скачок. Океан, получив много «удобрений», начинает бурно цвести. Количество фитопланктона сильно растет.
4. Массовое погребение углерода. Огромное количество органики в конце жизни планктона опускается на дно. Процесс начинает работать с максимальной скоростью, выкачивая углерод из атмосферы очень быстро.

И вот главный момент. Этот биологический процесс оказывается таким сильным, что он не просто убирает начальный излишек CO₂. Он проходит точку баланса и продолжает забирать углекислый газ, снижая его количество ниже начального уровня.

Планета начинает сильно остывать. Получается необычный эффект: событие, которое началось с сильного потепления, через десятки тысяч лет запускает ледниковый период.

Почему это не случается постоянно?

Если этот процесс такой мощный, почему Земля не переключается все время от тепла к холоду? Моделирование показывает, что для такого эффекта требуются специальные условия. А именно — определенное количество кислорода в воздухе.

• При низком количестве кислорода, как было в древности, фосфорный цикл работает слабее, и процесс недостаточно силен, чтобы вызвать резкое остывание.
• При высоком, как сегодня, количестве кислорода океан лучше им насыщен. Это делает погребение органики более медленным, а всю систему — более устойчивой. Она быстрее приходит в норму без глубокого падения в холод.

А вот опасная зона — это средние уровни кислорода. Именно при таких условиях обратные связи в фосфорном и углеродном циклах становятся достаточно сильными. Тогда система теряет устойчивость и на потепление отвечает оледенением.

И что мы видим анализируя историю Земли? Два самых больших периода оледенений, которые ещё называют «Земля-снежок» — гуронское (примерно 2,4 млрд лет назад) и неопротерозойское (примерно 700 млн лет назад) — по времени точно совпадают с двумя периодами роста кислорода в атмосфере. Эта работа впервые дает единое физическое объяснение такой связи.

Новый взгляд на прошлое и будущее

Эта работа дает возможность объяснить резкие изменения в, казалось бы, довольно медленном и устойчивом климатическом механизме Земли.

А что можно сказать о нашем будущем? Сегодня мы живем при высоком уровне кислорода, и это должно делать климат более устойчивым. Это не отменяет текущего потепления, но говорит, что восстановление после остановки промышленных выбросов может пойти по более быстрому пути.