По мнению многих специалистов, протяженные вулканические цепи выполняли роль древних и значимых регуляторов климата Земли, высвобождая углекислый газ из глубины планеты. Однако, новое исследование ставит эту точку зрения под вопрос. Выяснилось, что влияние вулканов как основного природного фактора, повышающего температуру планеты, является сравнительно недавним. Ученые обнаружили подсказку к решению этой загадки не в горячей магме, а в микроскопических организмах.
Климат нашей планеты претерпевал значительные изменения на протяжении сотен миллионов лет, с чередованием периодов оледенения и потепления. Эти колебания были тесно связаны с содержанием парниковых газов в атмосфере, главным образом углекислого газа (CO2).
В течение длительного времени вулканы рассматривались как одни из старейших и непрерывных источников данного газа. Это утверждение особенно актуально в отношении вулканических дуг — протяженных цепей вулканов, возникающих в местах соприкосновения тектонических плит, когда одна плита погружается под другую. К типичным примерам относятся Японские острова и Анды.
Анализ углеродного цикла древней Земли выявил другую закономерность. Оказалось, что вулканические дуги стали играть ключевую роль в выбросах углекислого газа лишь относительно недавно.
Международная группа геологов во главе с Беном Матером ( Ben Mather) из Мельбурнского университета в Австралии создала компьютерную модель тектонического движения плит и сопутствующих ему процессов, охватывающую последние 500 миллионов лет. Это позволило ей изучить влияние этих явлений на углеродный цикл. Полученные данные исследования, опубликованные в журнале Nature Communications Earth and Environment, подчеркнули важную точку перелома, наступившую приблизительно 100 миллионов лет назад.
Согласно проведенному моделированию, в течение значительной части истории нашей планеты основной способ выброса углекислого газа осуществлялся не посредством вулканических дуг, а через рифты — значительные тектонические разломы в земной коре, имеющие протяженность от сотен до тысячи километров. Данный процесс затрагивал как сушу, так и океан, например, вдоль срединно-океанических хребтов или в районе Восточно-Африканской рифтовой долины.
Отец объяснил, что тектонические плиты находятся в непрерывном движении. В определенных областях они не соприкасаются, а раздвигаются в противоположные стороны. В результате такого процесса верхний, твердый слой Земли раскалывается и становится тоньше. Под ним находится горячая расплавленная масса, которая практически не защищена.
В этот момент магма выходит на поверхность и затвердевает, формируя новую океаническую кору. В то же время углерод высвобождается наружу ( C), этот элемент, ранее находившийся в недрах планеты, высвобождается и попадает в океан и атмосферу.
Объем углерода, высвобождаемый в ходе этого процесса, определяется двумя факторами. Во-первых, это длина разлома – чем он длиннее, тем больше потенциальных точек для выхода углерода. Во-вторых, это скорость движения плит: более высокая скорость расхождения способствует интенсификации выбросов.
Этот механизм практически не претерпевал изменений на протяжении колоссальных периодов времени. Рифтовые зоны постоянно выделяли углекислый газ в течение миллионов и даже сотен миллионов лет, причем без существенных колебаний, в отличие от вулканических дуг, которые значительно позже стали играть ключевую роль в поддержании температуры планеты. Изменения в обстановке начались лишь около 100 миллионов лет назад, что связано с развитием жизни в океане.
По словам исследователя, около 150 миллионов лет назад значительной и широко распространенной частью морских экосистем стало нанопланктон — организмы с пластинами из карбоната кальция (CaCO₃), в состав этих организмов входил и углерод. После гибели они опускались на дно, где со временем сформировали обширные отложения карбоната кальция.
По мере смещения тектонических плит океаническая кора опускается в мантию Земли, и этот процесс носит название субдукцией. Вместе с тектонической плитой вглубь планеты погружались и отложения карбоната кальция, образованные нанопланктоном. Большая часть углерода, содержащегося в карбонате кальция, смешивалась с расплавленной мантией, но значительная его доля возвращалась на поверхность посредством извержений вулканических дуг.
В результате, вулканические дуги сформировали обширные «трубопроводы», по которым древний морской углерод из зон субдукции возвращался в океан и атмосферу. Согласно моделям, этот процесс достиг пика эффективности лишь в течение последних ста миллионов лет.
До появления нанопланктона обстановка была иной. Вулканические дуги выделяли значительно меньше углекислого газа, так как в океанической коре не было такого масштабного запаса углерода. По мнению ученых, современные вулканические дуги выбрасывают на 2/3 больше углекислого газа, чем 150 миллионов лет назад.
Геолог Алан Коллинз (Alan Collins) из Аделаидского университета в Австралии отметил, по мнению эксперта, подобные модели имеют решающее значение для изучения изменений климата. Он отмечает, что состав осадков в океане трансформировался в связи с возникновением новых видов живых организмов, применяющих различные химические вещества. Значительное влияние оказалось постепенное преобладание зоопланктона с карбонатными оболочками, что привело к существенной перестройке углеродного цикла Земли.
Согласно результатам исследования, проведенного командой Матера, влияние вулканов на климат не является постоянным и определяется взаимодействием с океанической средой и процессами, связанными с движением тектонических плит. Те представления о природных процессах, которые мы считаем основополагающими, оказались относительно новыми явлениями.