Ученые из Мельбурнского университета реконструировали климатическую историю планеты за последние 540 миллионов лет. Исследование показало, что глобальное потепление и похолодание зависят от баланса углерода в зонах расхождения и столкновения тектонических плит, а не только от вулканической активности.

Две тектонические плиты встречаются в национальном парке Тингвеллир, Исландия.
Две тектонические плиты встречаются в национальном парке Тингвеллир, Исландия.

Понятие субдукции является ключевым для понимания того, как планета «избавляется» от излишков углекислого газа. Когда тяжелая океаническая плита сталкивается с легкой континентальной, она ныряет под нее, унося в мантию скопившиеся на дне известняки и остатки органики. Этот процесс работает как гигантский конвейер. Если бы этот механизм остановился, углерод не возвращался бы в недра, и атмосфера могла бы стать непригодной для жизни из-за перегрева. Но часть этого углерода возвращается обратно через извержения вулканов, замыкая цикл. Сложность в том, что тектоника работает крайне медленно, и природный баланс, который она поддерживает, не успевает компенсировать стремительные выбросы углерода, вызванные деятельностью человека в последние столетия.

На протяжении сотен миллионов лет климат Земли претерпевал колоссальные изменения, переходя от состояния «ледяного дома» к режиму «парника». Традиционно считалось, что главным рычагом этих процессов была активность вулканических дуг в зонах столкновения плит, которые выбрасывали углекислый газ в атмосферу.

Но новое исследование, опубликованное в журнале Communications Earth & Environment, доказывает, что механизм глубокого углеродного цикла гораздо сложнее. Используя компьютерное моделирование, авторы проследили путь углерода от океанического дна до раскаленных недр планеты.

Исландия находится на границе плит, что способствует частой вулканической активности.
Исландия находится на границе плит, что способствует частой вулканической активности.

Оказалось, что ключевую роль играют не только зоны субдукции, где плиты уходят в мантию, но и срединно-океанические хребты и континентальные рифты, где кора расходится. Океан поглощает огромные объемы углекислого газа, депонируя его в богатых углеродом породах и осадках на морском дне. Эти отложения перемещаются тектоническими плитами и со временем попадают в зоны переработки, создавая глобальный круговорот, определяющий температурный режим планеты на геологических масштабах времени.

Эволюция планктона и новый баланс

Исследование подчеркивает, что доминирование определенных тектонических процессов менялось с течением времени. Ученые обнаружили, что до появления определенных форм жизни именно рифтовые зоны были основными поставщиками углерода.

Сколько углерода перерабатывается в мантии Земли в зонах субдукции (синий цвет) по сравнению с тем, сколько выделяется через вулканические дуги и срединные океанические хребты (оранжевый цвет) за последние 540 миллионов лет. Карбонатные платформы — большие скопления карбонатных пород — обозначены зелеными многоугольниками, где светло-зеленый цвет обозначает активные платформы, а темно-зеленый — более старые, неактивные платформы. 
Сколько углерода перерабатывается в мантии Земли в зонах субдукции (синий цвет) по сравнению с тем, сколько выделяется через вулканические дуги и срединные океанические хребты (оранжевый цвет) за последние 540 миллионов лет. Карбонатные платформы — большие скопления карбонатных пород — обозначены зелеными многоугольниками, где светло-зеленый цвет обозначает активные платформы, а темно-зеленый — более старые, неактивные платформы. 

Ситуация изменилась около 200 миллионов лет назад с появлением планктонных кальцификаторов — крошечных организмов, которые превращают растворенный углерод в кальцит. Как отмечают авторы работы: «Высокая доля углерода, выбрасываемого в атмосферу вдоль вулканических дуг за последние 120 миллионов лет, в основном обусловлена богатыми углеродом осадками, которые создали эти организмы».

Таким образом, биологическая эволюция изменила химический состав тектонического «сырья». До этого момента выбросы из срединно-океанических хребтов вносили более весомый вклад в парниковый эффект. Сегодняшнее понимание этих глубоких процессов критически важно для прогнозирования будущих климатических сценариев. Мы видим, что климат Земли — это результат тонкого баланса между выбросами из недр и захоронением углерода в океанических осадках, который поддерживается движением плит под нашими ногами.