Повышение концентрации углекислого газа в атмосфере не только вызывает глобальное потепление, но и приводит к закислению океана. Этот процесс имеет ряд последствий, некоторые из которых не сразу очевидны. Так, помимо опасности для морских организмов, закисление океана может уменьшить количество углекислоты в атмосфере. Однако, этот эффект будет временным и потребует определенных затрат.
Чтобы осознать потенциальные последствия глобального потепления, исследователи обращаются к прошлому Земли, поскольку в ее истории, богатой масштабными катаклизмами, можно найти множество иллюстративных случаев. Например, сеномано-туронское пограничное биотическое событие (OAE 2), в этот период произошло вымирание более чем четверти морских беспозвоночных, вызванное уменьшением содержания кислорода в водной среде. Одновременно с ними погибли и хищные животные, такие как плиозавры, а также почти все ихтиозавры.
Примерно 94 миллиона лет назад, во второй половине мелового периода, концентрация углекислого газа в атмосфере менялась в диапазоне от 320 до 900 частей на миллион на протяжении почти полумиллиона лет. Для сравнения, современные показатели находятся в пределах 410-420 частей на миллион. Значительные расхождения в оценках обусловлены недостатком прямых данных о составе древней атмосферы, а интерпретация косвенных свидетельств во многом зависит от используемых моделей.
Тем не менее, даже если мы не располагаем точными данными о концентрации углекислого газа в атмосфере в период до и во время OAE 2, кое-что нам все же известно. Например, этому событию предшествовали полмиллиона лет усиливающегося подводного вулканизма. В нескольких районах мантийные плюмы проплавили тонкую океаническую кору — в районе нынешнего Мадагаскара, в Арктике и в восточной части Тихого океана. В процессе OAE 2 на морское дно почти перестали оседать минеральные скелеты фораминифер (раковины из карбоната кальция), отложения этого периода черные — содержат в основном кремний и его оксиды (материал раковин радиолярий).
Две новые научные работы, дополняющие друг друга, раскрывают важные детали сеномано-туронского биотического события. Обе работы основаны на анализе химического состава древнего морского дна. Первая опубликована в рецензируемом журнале Nature Communications Earth & Environment, вторая — в Nature Geoscience.
Породы, образовавшиеся из донных осадков в период, представляющий интерес для исследователей, были собраны в районах их выхода на поверхность в коммуне Губбио (Италия) и в регионах, ранее занимавших территорию Западного внутреннего моря (Северная Америка). Кроме того, применялись образцы кернов, извлеченных глубоководным бурением в рамках миссии Международной программы исследования океана ( IODP).
Начало OAE 2 в образцах хорошо заметно даже без радиоизотопного датирования — породы резко темнеют. В них пропадают останки фораминифер. А перед исчезновением эти протисты, а точнее — их раковины из карбоната кальция, деформируются и мельчают. Это может быть связано как с закислением океана, так и с другими факторами, что требовало проверки. Для этого исследователи сравнили, как современные фораминиферы реагируют на условия, предположительно, предшествовавшие сеномано-туронскому пограничному биотическому событию.
Микроорганизмы, оказавшиеся в кислой среде, претерпевают не только изменения во внешнем виде, но и в химическом составе их раковин. В частности, наблюдается изменение соотношения между изотопами кальция-44 и -40, при этом содержание первого снижается. Этот показатель является более надежным индикатором, чем внешний вид раковин, который плохо сохраняется в донных отложениях. И он был зафиксирован для исследуемых ископаемых. Таким образом, ученые получили убедительные свидетельства того, что древние фораминиферы обитали в условиях, неблагоприятных для биокальцификации. Это, в свою очередь, подтверждает: океан в то время становился все более кислым.
Второе исследование было посвящено выяснению причин закисления. Химический состав кернов периода OAE 2 выделялся не только пропажей карбоната кальция. В нем еще и соотношение изотопов осмия-187 и -188 отличалось (тяжелого стало больше). Единственная причина, по которой могла сложиться подобная картина, — выход этого металла на поверхность Земли вместе с мантийными породами. Причем не в воздух, а напрямую в воду.
Ученые установили тесную связь между началом сеномано-туронского биотического события на границе и подводным вулканизмом, а также между последним и закислением океана. Кроме того, анализ новых данных позволил выявить наиболее вероятное объяснение аномалии, которая долгое время оставалась загадкой с момента её открытия OAE 2 оставалась загадкой. Прямо посреди почти полумиллиона лет высоких температур, вызванных парниковым эффектом, спрятались без малого 40 тысяч лет сравнительного похолодания.
В результате проведенных исследований установлено, что вулканическая деятельность привела к выбросу избыточного углекислого газа в атмосферу и водные ресурсы, что стало причиной глобального потепления и закисления океана. Увеличилась концентрация растворенного CO2, а кислорода — понизилась. Из-за уменьшения концентрации карбонатов (анионов CO₃) фораминиферам стало сложнее формировать кальцит, поскольку для этого требуется связывание ионов кальция 3-2).
В ответ на избыток углекислого газа в водной среде биосфера продемонстрировала реакцию, выразившуюся в увеличении численности водорослей. В результате повысилась щелочность верхнего слоя воды (хотя и наблюдалось увеличение щелочности на большей глубине, обусловленное растворением ранее осевшего кальцита в придонных отложениях). Это, в свою очередь, восстановило способность воды поглощать углекислый газ из атмосферы, что способствует замедлению глобального потепления или даже может привести к его обращению вспять.
Свежие данные свидетельствуют об эффективности стратегии повышения щелочности морской воды как способа противодействия глобальному потеплению, однако следует учитывать потенциальное воздействие на морскую флору и фауну.