Оледенения и потепления

Аватар пользователя Сергей Капустин

Предлагаю вниманию уважаемого сообщества популярную статью Галимова Э.М. (академик РАН, доктор геолого-минералогических наук ), описывающию глобальные оледенения/потепления на нашей планете, анализ основных факторов их запускающих и гипотезу, поясняющую их не периодичность, через связность геохимических и биосферных циклов.

в условиях низкой светимости Солнца оледенения могут быть связаны с конфликтом между ролью СО2 в качестве парникового газа и его ролью в качестве источника углерода биосферы

Основная ценность подобных статей в том, что они показывают всю сложность климатическиой машины и не сводимость её к паре факторов, как любят делать зеленые.


Время от времени в геологической истории Земли случались периоды оледенений. Иногда они носили катастрофический характер, приводя к массовым вымираниям отдельных видов. На рис. 1 показаны периоды оледенений на шкале геологического времени от 4,5 млрд лет назад до современности.

Рис. 1. Периоды оледенений на шкале геологического времени («Природа» №6, 2019)

Рис. 1. Периоды оледенений на шкале геологического времени

История оледенений выглядит замысловато. Первое относительно локальное Понгольское оледенение было отмечено в отложениях, возраст которых 2,7 млрд лет. До этого, в архее, климат оставался теплым. Понгольское оледенение длилось недолго. Но 2,4 млрд лет назад, в раннем протерозое, случилось грандиозное по масштабам и длительности Гуронское оледенение. Оно продолжалось почти 200 млн лет. Затем почти 1,5 млрд лет никаких следов оледенений не обнаруживается. Следующее проявилось только в конце протерозоя (730 млн лет назад). И дальше они стали происходить одно за другим.

Никакой видимой закономерности во времени наступления периодов оледенения не видно. Это осложняет понимание причин оледенений. Высказывались разные предположения: например, что они связаны с изменением орбиты и флуктуациями в наклонении земной оси [1], с миграцией континентов, интенсификацией вулканизма и магматизма и др. [2, 3]. Некоторые геологи считают, что существует общая направленность климатических изменений, обусловленная остыванием Земли [4, 5]. Высказывалась гипотеза, что охлаждение в неопротерозое обусловлено продукцией органического аэрозоля, производимого эукариотными водорослями, которые получили развитие именно в то время [6]. Каждое из этих событий могло иметь значение. Но, к сожалению, процессы, выдвигавшиеся в качестве причин оледенений, проявляясь в одно время, никак не проявляли себя в другое. А длительная, почти в 1,5 млрд лет, пауза между мощным Гуронским оледенением и каскадом оледенений в неопротерозое считается одной из плохо объяснимых загадок палеоклиматологии.

Недавно я опубликовал статью, в которой высказал идею, что в условиях низкой светимости Солнца оледенения могут быть связаны с конфликтом между ролью СО2 в качестве парникового газа и его ролью в качестве источника углерода биосферы [7].

Низкая светимость Солнца

Понятие низкой светимости обычно относят к молодому, только что возникшему 4,5 млрд лет назад, Солнцу. Этот эффект (faint young sun) обычно обсуждают астрофизики в контексте эволюции светимости звезд. Солнце в начале своей звездной эволюции имело светимость на 30% меньше его современной величины. Но дело в том, что, несмотря на огромный (1367 Вт/м2) поток энергии, идущий от Солнца (тепловой поток из недр Земли составляет всего 0,08 Вт/м2) [8], солнечная радиация на том расстоянии от Солнца, на котором находится Земля, никогда не обеспечивала температуру на ее поверхности выше точки замерзания воды. Средняя глобальная температура Земли сегодня 15°С, в то время как в отсутствие атмосферы температура на поверхности Земли была бы −18°С (255 К). Раннее, только что возникшее Солнце обеспечивало температуру на поверхности не более −40°С (234 К). Но в архейское время существовал теплый океан. Более того, хотя мы не имеем сохранившихся геологических пород старше 3,8 млрд лет, найдены отдельные зерна циркона возрастом 4,2–4,4 млрд лет [9]. Изотопный анализ входящего в их состав кислорода показал, что и тогда уже на Земле существовала жидкая вода.

Температура выше точки замерзания воды и приемлемый для жизни климат обусловлен содержанием в составе атмосферы Земли парниковых газов, к числу которых относятся CO2, CH4 и некоторые другие. В отсутствие атмосферы и парниковых газов нормальное состояние Земли — замерзший шар.

История оледенений — это не история событий, вызывающих охлаждение, а история событий, влияющих на судьбу парниковых газов, которые защищают Землю от космического холода.

Преобладающий парниковый газ в первичной атмосфере — метан

Первые работы, рассматривавшие на количественном уровне палеоклиматическую роль парниковых газов, появились в 1970-е годы. Т. Оуэн с соавторами рассчитали, что при давлении СО2 свыше 0,3 бар дефицит светимости раннего Солнца будет компенсирован и средняя температура на поверхности Земли приблизится к современной [10]. Более поздние работы подтвердили эти расчеты [11].

Правда, американский ученый Дж. Кастинг указал на то, что в первых расчетах не учитывалась конденсации СО2 при низких температурах [12]. В условиях Марса, например, СО2 не может компенсировать дефицит солнечной светимости, хотя следы присутствия жидкой воды на Марсе установлены. Такую роль мог бы выполнять метан, который не конденсируется. Но в то время считалось, что метан быстро разрушается при фотолизе, и потому не может длительно существовать в планетной атмосфере [13]. В научной литературе укрепилось представление об углекислой, нейтральной первичной атмосфере Земли.

Поворот произошел с момента публикации статьи К. Сагана и К. Чайбы, показавших, что при фотолизе метана и аммиака в атмосфере возникает аэрозоль органических соединений, поглощающих солнечную радиацию на частотах распада метана и таким образом защищающих его от дальнейшего фотолиза [14]. Поэтому возможно длительное пребывание метана в атмосфере.

Вскоре в журнале Icarus я опубликовал статью, в которой, опираясь на изотопные данные, показал, что преобладающим компонентом углеродной системы СО2—СН4 на Марсе 4,5 млрд лет назад действительно был метан [15]. На Земле нет образцов с возрастом 4,5 млрд лет, но есть образец с Марса такого возраста. Это SNC-метеорит (АLH840011) — осколок марсианской породы, выбитый с поверхности раннего Марса при столкновении с астероидом. Карбонатные включения в нем имеют необычный изотопный состав углерода: δ13С варьирует от 38 до 42‰ [16], [17]. Таким изотопным составом карбонат может обладать, только когда не менее 90% в системе СО2—СН4 занимает метан. Если метан доминировал в первичной атмосфере Марса, то он мог играть роль преобладающего соединения углерода и в атмосфере Земли.

Здесь нужно упомянуть еще одну сторону проблемы состава первичной атмосферы. Аргументом против восстановленного, метанового, характера атмосферы ранней Земли, помимо фотолитической неустойчивости метана, служил тот факт, что земная мантия окислена. Окисленное состояние земной мантии не поддерживает присутствия метана в продуктах ее дегазации, причем это состояние существует по крайней мере с времени 4,0–3,9 млрд лет назад [18, 19]. Из недр Земли мог поступать только СО2. Однако, как было показано, в частности, в наших работах [20, 21], первичное состояние Земли вполне могло быть восстановленным, т.е. находящимся в равновесии с метаном. Окисленным же оно стало благодаря процессу наращивания ядра в первые сотни миллионов лет жизни планеты. Таким образом одновременно объяснялась избыточность теплового потока Земли, что тоже было серьезной геохимической проблемой. Предлагались и другие механизмы эволюции мантии от восстановленного состояния к окисленному. Но важно, что в целом возник консенсус в отношении первично восстановленной мантии, а отсюда — и метансодержащей первичной атмосферы Земли.

Мой интерес к составу первичной атмосферы в то время был связан с работой над проблемой происхождения жизни. Свои представления я изложил в книге «Феномен жизни. Между равновесием и нелинейностью» [22]. Одним из положений предложенной гипотезы было представление об АТФ (аденозинтрифосфате) как о наиболее предпочтительной молекулярной форме, которая находится у самого истока возникновения жизни. Но абиогенный синтез аденозинтрифосфата предполагает глубоко восстановительные условия, допускающие присутствие НСN (брутто-формула аденина Н5С5N5 — объединение пяти молекул цианистого водорода), а цианистый водород образуется в среде, где доминирующая форма углерода — СН4 [23].

Рис. 2. Зависимость K/Na-отношений (изолинии) в океане от соотношения CH4 и CO2 в данной среде. Отношение K/Na > 1, которое отвечает солевому составу среды, благоприятному для биосинтеза, наступает при условии CH4/CO2 > 1

В связи с этим упомяну еще одну работу, которую мы выполнили недавно вместе с Б. Н. Рыженко и Ю. В. Наточиным [24]. В воде океана, как известно, натрий преобладает над калием. Доминирование натрия сохранялось в течение всей регистрируемой геологической истории [25]. Однако синтез пептидов в живой клетке осуществляется в условиях преобладания калия над натрием. Эволюция выработала осмотический насос в клеточной мембране, обеспечивающий преобладание калия над натрием во внутриклеточной жидкости современных организмов. Но как осуществлялся первоначальный синтез пептидов на самой ранней молекулярной стадии организации жизни — до возникновения сложной клеточной стенки? Термодинамический анализ показал, что соотношение K/Na > 1 достигается при преобладании в среде метана (рис. 2). Это еще одно свидетельство возникновения жизни в восстановительной среде [26].

Надо сказать, что до начала 70-х годов господствовала точка зрения о первичной метановой атмосфере Земли. Так, первичную атмосферу рассматривал как метановую Г. Юри. Он исходил из результатов своих экспериментов по абиогенному синтезу аминокислот. В 1959 г. вместе с С. Миллером он опубликовал получившую большую популярность работу об абиогенном синтезе аминокислот из смеси метана и аммиака [27]. Но, как я уже говорил, вскоре была показана фотолитическая неустойчивость и метана, и аммиака. К тому же установили, что аминокислоты можно получить и в присутствии СО2. Сделав круг, наука вернулась к представлению о преобладании метана в первичной атмосфере, т.е. к тому ее типу, который предполагал Юри.

Сегодня в качестве одного из базовых представлений при рассмотрении проблемы зарождения биосферы можно принять восстановленный метансодержащий состав первичной атмосферы Земли.

В архее снова метан

К началу архея (4,0 млрд лет назад) мантия становится достаточно окисленной. Метан уже не может быть устойчивым в равновесии с ней. Основной формой углерода, поступающей из мантии, становится СО2. В архее (от 4,0 млрд до 2,5 млрд лет назад) океан теплый. Казалось бы, теперь роль основного парникового газа должен играть СО2.

Но здесь возникает новый интересный поворот. Специалисты по почвам обратили внимание на то, что высокое содержание СО2 в архейской атмосфере неизбежно привело бы к присутствию железа в почвах в форме сидеритов, а этого нет [28]. Допустимый порог 0,003 бар меньше, чем давление, необходимое, чтобы компенсировать низкую светимость Солнца и предотвратить оледенения в архее.

Тогда Кастинг, которого я уже упоминал, с сотрудниками высказывают смелую мысль, что и в архее роль парникового газа мог играть метан, но уже не первичный, а биогенный [29, 30]. Атмосфера в то время была бескислородной. Расчет показывает, что содержание метана в атмосфере могло быть на уровне 10−3 бар, что в дополнение к СО2 должно обеспечить условие компенсации низкой светимости Солнца.

Если жизнь возникла в восстановительной среде, то логично ожидать присутствие метаногенов среди наиболее ранних организмов. Это следует из их молекулярной филогении [31]. Дополнительным указанием на возможное присутствие метана в архейской атмосфере служат изотопные данные. В породах возрастом 2,7 млрд лет описываются пласты аномально изотопно-легкого органического углерода δ13С ≈ −38 — −45‰ [32]. Источником его, вероятнее всего, был СО2, образованный путем окисления метана.

Таким образом, есть основания заключить, что метан, но теперь уже биогенный, и в архее продолжает играть роль активного парникового газа.

Условно (не в количественных характеристиках) это показано на рис. 3, пользуясь которым мы и дальше будем комментировать взаимоотношения биосферы и парниковых газов.

Рис. 3. Схема, иллюстрирующая предполагаемые изменения концентрации парниковых газов CO2 и CH4, а также изменения ресурса углерода биосферы в ходе геологического времени («Природа» №6, 2019)

Рис. 3. Схема, иллюстрирующая предполагаемые изменения концентрации парниковых газов CO2 и CH4, а также изменения ресурса углерода биосферы в ходе геологического времени. Показаны линии содержания (качественно) CO2 и CH4, достаточные для компенсации дефицита солнечной радиации в соответствующее время: CO2- и CH4-компенсация соответственно

Появление кислорода в океане

Факт присутствия легкого по изотопному составу органического углерода в отложениях возрастом 2,7 млрд лет служит свидетельством одновременно и наличия изотопно-легкого метана, и появления в среде окислителя, т.е. кислорода. Возраст 2,7 млрд лет — тот рубеж, когда отмечены первые признаки присутствия молекулярного кислорода в океане. В океане, но не в атмосфере.

Архейский океан заселялся простейшими организмами — прокариотами. Первый материально зримый феномен жизни представляют строматолиты — стратифицированные биосферные карбонатные постройки, которые образованы сообществами микроорганизмов. В их числе фотосинтезирующие синезеленые водоросли. Производимый ими кислород потреблялся в аэробно-анаэробном цикле в пределах строматолитового мата. Но аппарат фотосинтеза позволял автотрофам вести независимый образ жизни и распространяться на новые пространства, за пределы строматолитовых сообществ. Появление в позднем архее фотосинтезирующих эукариот интенсифицировало производство молекулярного кислорода. В результате приблизительно 2,7 млрд лет назад в океане появился свободный кислород.

Но кислород не мог сразу выйти в атмосферу. В предшествующие геологические эпохи, которые характеризовались восстановленным режимом, сформировался восстановленный минеральный буфер (рис. 4).

Рис. 4. Геохимические индикаторы событий, связанных с оледенениями («Природа» №6, 2019)

Рис. 4. Геохимические индикаторы событий, связанных с оледенениями: I — периоды оледенений, II — изотопное фракционирование серы, появившееся из-за включения механизма сульфатредукции ≈2,7 млрд лет назад, III — немасс-зависимый изотопный эффект серы, исчезновение которого 2,4 млрд лет назад послужило индикатором возникновения кислородной атмосферы [34], IV — период массового отложения железо-полосчатых (джеспилитовых) формаций, V — вариации изотопного состава углерода карбонатов (δ13Скарб, ‰). Пояснения в тексте

В океанской воде в огромных количествах накопился продукт выветривания магматических пород — закисное железо FeO. В этой форме железо хорошо растворимо, и оно образовало значительную часть солевого состава океана. Появившийся в воде свободный кислород потреблялся на окисление растворимой формы железа и его осаждение в нерастворимой форме Fe2O3. Этот отрезок геологической истории отмечен накоплением огромных масс железных руд в виде железополосчатых формаций джеспилитов. В период 2,6–2,1 млрд лет назад сформировалось до 90% известных запасов железных руд в докембрии, включая гигантские месторождения Хамерсли в Австралии, Лабрадора и оз. Верхнего в Северной Америке, Криворожской серии и Курской магнитной аномалии в Восточной Европе [33]. Этот буфер удерживал производимый в ходе фотосинтеза кислород в воде, сохраняя восстановленное состояние атмосферы.

Тем не менее появление кислорода не могло не сказаться на судьбе метана. Приблизительно 2,7 млрд лет назад возник первый сбой в установившемся тепловом балансе, который обеспечивался присутствием метана в атмосфере. В то время фиксируются первые следы оледенения в архее. Это относительно кратковременное и локальное Понгольское оледенение.

Нарастание окислительного потенциала в океане привело к увеличению содержания в нем окисленных форм серы и азота: ионов SO2−4 и NO−3

. Как следствие, распространились организмы, использующие в своей жизнедеятельности процессы восстановления данных окисленных форм, — сульфатредуцирующие бактерии и денитрификаторы. На рис. 4 показано, что 2,7–2,6 млрд лет назад в породах возрастает диапазон вариаций изотопного состава серы (δ34S) — показателя изотопного фракционирования серы в процессе бактериальной сульфатредукции.

Выход кислорода в атмосферу. Гуронское оледенение

По мере исчерпания FeO-буфера кислород начинает поступать в атмосферу. Возникновение кислородной атмосферы в изотопной летописи отмечено исчезновением на рубеже 2,4 млрд лет назад так называемого немасс-зависимого изотопного эффекта серы Δ32–34S [34]. Иллюстрирующая это диаграмма приведена на рис. 4. Такой тип изотопного эффекта в геохимии серы проявляется лишь в среде, лишенной кислорода. Наличие его в породах старше 2,4 млрд лет и практическое отсутствие в более молодых отмечает рубеж становления кислородной атмосферы на Земле.

Появление молекулярного кислорода в атмосфере привело к выведению из атмосферы метана. В результате 2,4 млрд лет назад метан перестал играть роль основного парникового газа, которую он выполнял в течение почти 2 млрд лет. Удаление из атмосферы метана, удерживавшего на Земле благоприятный для жизни климат, привело к резкому охлаждению. Наступило глобальное Гуронское оледенение, продолжавшееся почти 200 млн лет. Жизнь замерла.

Тем временем концентрация СО2 в атмосфере нарастала за счет СО2, поступавшего из недр. Происходило также окисление ранее накопленных масс органического углерода. Кроме того, в условиях оледенения потребление углекислоты в процессах биосинтеза и осадконакопления было минимальным.

Таким образом, содержание СО2 в атмосфере достигло уровня 0,015–0,020 бар, достаточного для компенсации дефицита солнечной радиации в тот период (см. рис. 3). Гуронское оледенение завершилось. После этого в течение 1,5 млрд лет никаких следов оледенений в геологической истории протерозоя не отмечалось.

Пауза в 1,5 млрд лет в истории оледенений и их каскад в конце протерозоя

Каковы же причины столь длительной паузы и затем возвращения к оледенениям в позднем протерозое? На мой взгляд, это следствие установившегося конфликта между ролью СО2 в качестве основного парникового газа и его ролью в качестве источника углерода биосферы.

Всмотримся подробнее в те процессы, которые сопровождают цикл углерода (рис. 5). Основной сток углекислоты из атмосферы происходит в процессе выветривания. Бикарбонат и катионы выносятся в океан, где происходит осаждение карбоната и биосинтез. Осуществление биосинтеза требует обязательного участия элементов-нутриентов, важнейший из которых фосфор. Именно доступность фосфора ограничивает размеры биопродукции. Большая его часть возвращается в зону биосинтеза при деструкции осаждаемого органического вещества. Обычно безвозвратно захоранивается менее 1% биогенного материала. Сток углерода и нутриентов возмещается их притоком в процессе выветривания.

Рис. 5. Цикл углерода («Природа» №6, 2019)

Рис. 5. Цикл углерода

В нормальном цикле углерода стоки и потоки уравновешены. Однако, если, например, вследствие усиления вулканизма и выветривания увеличивается поступление нутриентов, биопродукция начинает несбалансированно возрастать. Цикл кислорода не успевает обеспечивать деструкцию материала, поступающего в осадок, и в осадочном бассейне устанавливается аноксигенная обстановка. Возрастает масса захораниваемого углерода, и в конечном счете усиливается сток СО2 из атмосферы.

Если величина стока СО2 из атмосферы уменьшит его содержание в атмосфере настолько, что оно не сможет компенсировать дефицит светимости Солнца, то это приведет к оледенению. Значительность стока зависит от соотношения резервуаров углерода в атмосфере и биосфере.

После завершения Гуронского оледенения активность биоты в условиях благоприятного климата стала нарастать. Через 1,5 млрд лет резервуар мобильного углерода биосферы стал соизмерим с массой углерода, содержащегося в атмосфере (см. рис. 3). Теперь колебания интенсивности процессов, происходящих в биосфере, способны были существенно влиять на содержание СО2 в атмосфере. Усиление вулканизма в неопротерозое на рубеже 730 млн лет назад стало спусковым механизмом к охлаждению климата и наступлению Стертского оледенения.

С этого момента устанавливается колеблющееся равновесие между интенсивностью развития биоты и содержанием СО2 в атмосфере. В свою очередь, оледенение приводит к ослаблению биосинтеза и осадконакопления, что ведет к восстановлению доледниковых условий в цикле углерода.

В результате следует череда оледенений: Стертское, Марино, Гаскье. Они и большинство последующих отчетливо коррелируют с эпохами активизации вулканизма. Эта линия продолжается в фанерозое. В ордовике (445–443 млн лет назад) возникает оледенение, сопоставимое по масштабам с неопротерозойскими. Затем оледенение отмечается в позднем девоне.

Еще один важный и полезный для анализа процесс связан с фракционированием изотопов углерода. Дело в том, что биосинтез сопровождается концентрированием в живых организмах легкого изотопа углерода С12. При интенсивном биосинтезе среда, в которой он происходит, обедняется легким изотопом углерода, и карбонат, осаждающийся из этой среды, должен быть изотопно-тяжелым, т.е. характеризоваться более высокими значениями δ13С.

Следовательно, если периоды оледенений связаны с усиленным стоком углерода, им должны предшествовать периоды отложения карбонатов, обогащенных тяжелым изотопом углерода. Действительно, некоторые авторы отмечали связь оледенений с вулканизмом и отложением изотопно-тяжелых карбонатов. На рис. 6 приведен такой пример. Как видно из диаграммы, взятой из работы Дж. П. Хальверсона с соавторами, периодам оледенений в неопротерозое предшествуют периоды отложения карбонатов, аномально обогащенных тяжелым изотопом [35]. Нормальный изотопный состав карбонатов следует приблизительно нулевой линии. Значения δ13С, выходящие за пределы 4, указывают на аномально высокий сток. Однако подобные экскурсы изотопного состава карбонатов наблюдались и раньше (см. рис. 4). Но они не были связаны с оледенениями. Это как раз служит подтверждением нашего понимания причин их появления. Резервуар углерода, связанный с биотой, после Гуронского оледенения был меньше резервуара углерода СО2. Периоды усиления активности биопродукции отражались на изотопном составе углерода в зоне биосинтеза. Но при том объеме биоты, который был в раннем протерозое, усиление стока под действием разных факторов (например, вулканизма) не приводило к такому глобальному оттоку атмосферного СО2, который бы основательно сказывался на тепловом режиме. Отсюда длительная стабильность климата. Только в конце протерозоя, к рубежу 0,8 млрд лет назад, объем биоты в океане достиг величины, при которой колебания биопродукции (если они были значительными) стали сопоставимы с ресурсом СО2 в атмосфере.

Рис. 6. Вариации изотопного состава углерода карбонатов в неопротерозое при наступлении оледенений («Природа» №6, 2019)

Рис. 6. Вариации изотопного состава углерода карбонатов в неопротерозое при наступлении оледенений: 1 — Cтертское, 2 — Марино, 3 — Гаскье [35]

Новый режим, связанный с экспансией биоты на сушу

Установившаяся линия колебательного равновесия продолжается в палеозое. Но в девоне — карбоне открывается новая страница в истории биосферы. Происходит экспансия жизни на сушу. Это приводит к принципиально новому перераспределению резервуаров углерода.

Посмотрим это на примере современной биосферы. В ней содержится примерно 590 · 109т СО2. Масса биоты в современном океане составляет немногим более 4 · 109 т углерода, а годовая биопродукция — 71 · 109 т. Степень фоссилизации органического вещества в морских осадках составляет приблизительно 0,4%, а общий сток углерода — приблизительно 1,25 · 109 т/год. Если сток будет превосходить приток, то в относительно короткое геологическое время может произойти заметное изменение СО2-ресурса атмосферы. Так и было.

Но теперь на суше присутствует биота, масса которой составляет 746 · 109т. При почти замкнутом цикле она играет роль не столько потребителя СО2, сколько буфера. К тому же биомасса на суше связывает нутриенты (в том числе фосфор) и препятствует их движению в океан. Реакция биомассы океана на вулкано-тектонические события становится более консервативной. Оледенения более не возникают с той периодичностью и в том масштабе, как в неопротерозое и в начале палеозоя.

На этом фоне ярче проявляются другие факторы. На границе перми и триаса (252–250 млн лет назад) происходит небывалый по масштабам трапповый вулканизм. На границе мела и палеогена (65,4 млн лет назад) случилось массовое вымирание фауны, вызванное, как полагают, падением астероида. В позднем палеоцене (55,6 млн лет назад) возникает быстрое (за 104 лет) потепление донных вод океана — более чем на 4°С. Оно могло стать следствием внедрения в атмосферу больших масс высвободившегося газгидратного метана. Но в целом эти потрясения были лишь осложнениями на фоне основного тренда в истории биосферы. Последние 40 млн лет происходит медленное охлаждение климата. Мы должны иметь в виду, что в осадочной оболочке складируется все большее количество углерода. А внутренний углеродный ресурс Земли медленно исчерпывается. При все еще недостаточной светимости Солнца это приведет к глобальному охлаждению климата Земли в течение геологического времени.

Геохронология событий

Можно выделить несколько этапов, когда реализовывались разные сценарии взаимодействия биосферы с составом атмосферы:

  • 4,5–3,9 млрд лет назад. Первичная СН4-содержащая атмосфера;
  • 3,9–2,7 млрд лет назад. Биогенный метан в дополнение к СО2 исполняет роль парникового газа в бескислородной атмосфере архея;
  • 2,7 млрд лет назад. Появление O2 в океане;
  • 2,7–2,4 млрд лет назад. Переходный период. Буферирующая роль FeO;
  • 2,4 млрд лет назад. Появление кислородсодержащей атмосферы. Срыв механизма компенсации низкой светимости Солнца. Метан перестает играть роль компонента, обеспечивающего компенсацию дефицита солнечной радиации, а двуокись углерода не достигает нужного для этого содержания. Наступает глобальное оледенение;
  • 2,4–2,2 млрд лет назад. Гуронское оледенение, продолжающееся около 200 млн лет;
  • 2,2–0,8 млрд лет назад. Содержание СО2 в атмосфере достигает уровня, достаточного для компенсации низкой светимости Солнца. Период оледенения завершается. Устанавливается стабильный в течение 1,5 млрд лет климат;
  • 0,8–0,3 млрд лет назад. Ресурс подвижного углерода биосферы становится сопоставим с ресурсом СО2 в атмосфере. Возникает чередование оледенений и потеплений;
  • 0,3 млрд лет — ныне. С появлением массивного буфера органического углерода на суше изменяется картина взаимосвязи биосферы и климата.

***

В заключение уместен вопрос: что происходило бы, если бы светимость Солнца с самого начала была достаточной для существования жидкой воды на поверхности планеты? Дегазация недр при том составе, который имело допланетное вещество, оставалась бы приблизительно такой же. Парниковые газы тогда привели бы к перегреву земной поверхности и, как следствие, — к утрате воды. И мы бы имели сценарий Венеры. А что было бы, если бы светимость была меньше? Анализ показывает, что тогда развитие могло бы идти по тому же пути, который и состоялся на Земле. Но с большой задержкой. Оледенение типа Гуронского длилось бы не 200 млн, а 2 млрд лет. И к сегодняшнему дню жизнь могла бы развиться до уровня простейших организмов, который она имела в протерозое.

Итак, нам — высшим организмам — очень повезло с нашей светимостью Солнца.

Литература

 

 

Авторство: 
Копия чужих материалов
Комментарий автора: 

итоги: миссия человечества по извлечению углерода из земной коры и выпуску его в атмосферу и биосферу почетна и священна.

 

Комментарии

Аватар пользователя Белек-оол
Белек-оол(8 месяцев 4 недели)

"миссия человечества по извлечению углерода из земной коры и выпуску его в атмосферу и биосферу почетна и священна."

А потому доверять её кому ни попадя преступление.

 

Аватар пользователя vit7
vit7(4 года 22 часа)

Предлагаю вниманию уважаемого сообщества популярную статью Галимова Э.М. (академик РАН, доктор геолого-минералогических наук ), описывающию глобальные оледенения/потепления на нашей планете, анализ основных факторов их запускающих и гипотезу, поясняющую их не периодичность,..

...Никакой видимой закономерности во времени наступления периодов оледенения не видно. Это осложняет понимание причин оледенений.

А мона мне тоже самое выдать, и получать хорошую зарплату как академика?smile60.gif

Аватар пользователя Ratatosk
Ratatosk(2 года 7 месяцев)

Я Вам немного расшифрую. 
По имеющимся палеоданным не удалось выделить простую и однозначную причину для событий возрастом 2млд. 
А про зарплату у академика ещё Райкин мечтал.

Аватар пользователя pppppppo_98
pppppppo_98(3 года 7 месяцев)

Высоцкий тоже

Аватар пользователя pppppppo_98
pppppppo_98(3 года 7 месяцев)

можно... если напишешь хотя бы 5 страниц признаваемого в научном сообществе связного текста...

Аватар пользователя Ratatosk
Ratatosk(2 года 7 месяцев)

Редкая адекватная статья про интересное. 
Новое для меня - наземная биота как буфер для океана с атмосферой. , очевидно, но в голову не приходило. 
ещё бы течений добавить и распределения температур по поверхности. и вот оно результирующее счастье. 
PS Выложившему большое спасибо.

Аватар пользователя Борис The Blade
Борис The Blade(3 года 9 месяцев)

Новое для меня - наземная биота как буфер для океана с атмосферой. , очевидно, но в голову не приходило.

Это не совсем новое, я еще в доинтернетной книжной эпохе читал о круговороте углерода. Уже и не помню где и когда, конечно. В детстве зачитывался подшивками журнала "Наука и жизнь".

Аватар пользователя Ratatosk
Ratatosk(2 года 7 месяцев)

Может быть новое хорошо забытое старое..
Для меня. Первично было в обороте углерода Океан-Атмосфера, раковины и скелеты морской биоты как привычный поглотитель углекислоты.   Понятно что суша что из атмосферы забирает то при первом пожаре/ переработке "грибами и ко" выдаёт , и как-то она у меня эта суша из общей картины отошла к краю. А оказалась очень даже работает . но чисто как демпфер. Вот этот демпфер и был для меня озарением.  

Аватар пользователя 9229
9229(5 лет 3 недели)

Мне кажется что никакой экстрасенс не сможет представить течения.

Ибо неизвестна конфигурация материков и океанов.

А за последние пару миллиардов лет материки, боюсь, сделали не один и не два оборота вокруг центра планеты, а много больше, и как они собирались, разрывались, и подныривали друг под друга - тоже загадка загадок.

Банальный вопрос - почему в Якутии вечная мерзлота уходит до 1.5 км вглубь Земли при том, что планета изнутри подогревается? Долгое время эти места находились в районе северного полюса? А ведь это было всего-то жалкие ~100 млн лет назад. А в статье речь про 2 млрд лет...

Аватар пользователя Ratatosk
Ratatosk(2 года 7 месяцев)

На последние 200млн , вполне достоверно всё прорисовано, положение континентов и температуры на них. 
Читал что именно течения формируют изменения распределения тепла. тепло везде с плавным градиентом - жаркий экватор холодные полюса с большим градиентом. 

Аватар пользователя cupol77
cupol77(1 год 2 месяца)

В период 2,6–2,1 млрд лет назад сформировалось до 90% известных запасов железных руд в докембрии, включая гигантские месторождения Хамерсли в Австралии, Лабрадора и оз. Верхнего в Северной Америке, Криворожской серии и Курской магнитной аномалии в Восточной Европе. 

 Эти слова противоречат кратоновой теории. Но не здравому смыслу. 

Кроме того, статья не противоречит клатратной теории Ларина. 

Спасибо за интересную статью. 

Аватар пользователя pppppppo_98
pppppppo_98(3 года 7 месяцев)

потому что геопток минимальный - 0.03 мВт/м2... а в приполярных областях исходящее излучение больше чем поступающще от солнца из за косинуса угла наклона и полярной ночи, дисбаланс покрывается атмосферным переносом..соотвественно и среднегодовая температура поверхности ниже 0...

Аватар пользователя tgz
tgz(5 лет 3 месяца)

Вот так вот ученые смотрят на миллиарды лет назад, а потоп, после которого прошло всего то12к годков в упор не замечают. Ибо знают, хер тебе после этого сосать, а не гранты.

Аватар пользователя Medved075
Medved075(3 года 1 месяц)

грета тумберг - анунак, которому жарковато у нас:))

Аватар пользователя plohmn
plohmn(6 лет 1 месяц)

а каким способом происходило измерение всех указанных цифр? кажется углеродный анализ не может показывать свыше 50000 лет назад, мне действительно искренне интересно как получали датировку

Аватар пользователя Ratatosk
Ratatosk(2 года 7 месяцев)

Возраст по другим методам, Тут использовали изотопное распределение углерода биогенный /небиогенный. 

Аватар пользователя выхухоль
выхухоль(6 лет 3 недели)

Там ещё и геология. На экваторе среди осадочных пород, бывших дном океана, образовавшихся при слабых течениях, лежат валуны, обкатаные ледниками, прям как у нас в моренах. Геологи уверены, что Земля 2 млрд лет назад представляла из себя сплошной ледяной шарик. Северный и южный ледяные щиты сомкнулись. Если бы не вулканизм, то это продолжалось бы до сих пор. Кстати, материки движутся со скоростью роста ногтей - 2-3 см. в год

Аватар пользователя просто пользователь

углеродный анализ не может показывать свыше 50000 лет назад

Не путайте изотопы углерода-13 с углеродом-14

Аватар пользователя vixis
vixis(1 год 4 месяца)

Среди парниковых газов часто забывают Н2О, уж очень опасен этот газ и как с его огромным количеством справиться непонятно.

Аватар пользователя Море
Море(4 года 9 месяцев)

Мотыльки мы в самом удачном варианте, когда включили на веранде лампочку и нам есть куда лететь...

(гипотетически, в размерах этих миллиардов лет эволюции)

Но скоро наступит утро и нам ппц.

Аватар пользователя просто пользователь

Мне кажется, что автор ещё не учитывает влияние плотности атмосферы на парниковый эффект.

Аватар пользователя ZIL.ok.130
ZIL.ok.130(3 года 8 месяцев)

Прецессирующая ось, орбита, парниковые -- всё это замечательно.

Но где по настоящему научный подход у уважаемого академика?

Почему рассмотрены только внутренние причины системы?

Он, что твёрдо уверен в изолированности системы?

Как скажется на тепловом балансе планеты пролёт солнечной системы по области пыли? Газа? Как на это отреагирует сама атмосфера?

Причём эти пыль и газ могут быть как внутригалактические так и внешние?

А ведь концентрации пыли и газа как внутри галактики, так и "ничейные" скопления таких пыли и газа могут быть достаточно плотными.

Ну и по поводу прецессии и орбиты -- тема сисег не раскрыта полностью.

Эрго(вывод/заключение) -- мы имеем рассмотрение только одного аспекта проблемы. А весь комплекс проблемы так до сих пор и не рассмотрен и не сведён.

smile114.gif

Аватар пользователя evm11
evm11(8 лет 5 месяцев)

Вот именно. Влияет это всё:

Никакой видимой закономерности во времени наступления периодов оледенения не видно. Это осложняет понимание причин оледенений. Высказывались разные предположения: например, что они связаны с изменением орбиты и флуктуациями в наклонении земной оси [1], с миграцией континентов, интенсификацией вулканизма и магматизма и др. [2, 3]. Некоторые геологи считают, что существует общая направленность климатических изменений, обусловленная остыванием Земли [4, 5]. Высказывалась гипотеза, что охлаждение в неопротерозое обусловлено продукцией органического аэрозоля, производимого эукариотными водорослями, которые получили развитие именно в то время [6]. Каждое из этих событий могло иметь значение.

Просто какой-то из этих факторов может сработать, а может нет, в зависимости от других факторов.