Природный «термостат» Земли при Пангее мог работать слабее

Подробно

Что такое «термостат» Земли и при чём тут горные породы?

Углекислый газ - главный парниковый газ земной атмосферы. Его уровень на огромных временных масштабах поддерживается балансом: вулканы выбрасывают CO₂, а химическое выветривание силикатных пород его удаляет. Эту идею в 1981 году предложили James C. G. Walker, P. B. Hays и J. F. Kasting: потепление ускоряет выветривание, из воздуха уходит больше CO₂, и климат частично возвращается к прежнему состоянию.

Первый автор нового исследования R. J. Graham, постдок Department of Geophysical Sciences Чикагского университета, описывает это так:

Похоже, существует некий баланс, который поддерживает главный парниковый газ земной атмосферы и сохраняет климат пригодным для жизни на очень больших временных масштабах.

Новая работа проверяет, всегда ли главным звеном этой связи была именно температура.

Что учёные выяснили про эпоху Пангеи?

Авторы сопоставили реконструкцию средней температуры Земли за 485 млн лет с реконструкциями древней географии: долей суши в тропиках и степенью раздробленности континентов. В моделях эти два показателя указывают на разные механизмы. Если выветривание контролируется температурой, важна доля тропической суши: там тепло и влажно. Если его ограничивает вода, важна раздробленность континентов, от которой зависит глобальный сток.

Итог по эпохам выглядит так:

• 480-295 ± 15 млн лет назад температура была сильно связана с долей тропической суши (r < −0,5; p < 0,025). Авторы считают это признаком температурного режима.
• 295 ± 15-200 ± 10 млн лет назад температура была связана с раздробленностью континентов, но не с долей тропической суши. Это возможный признак режима, ограниченного водой.
• После 200 ± 10 млн лет назад снова проявилась связь с тропической сушей и исчезла связь с раздробленностью.

Этот промежуток перекрывается со временем существования Пангеи, которое авторы оценивают примерно в 325-200 млн лет назад, но полностью с ним не совпадает.

По гипотезе авторов, из-за засушливости Пангеи малый сток позволял растворённым веществам достигать насыщения, и дальнейшее выветривание упиралось в поступление новой воды. Такой механизм считается менее эффективным «термостатом», потому что глобальный сток слабее зависит от температуры, чем скорость растворения силикатов. Graham говорит:

Гидрологический механизм может быть менее эффективным термостатом и допускать более крупные изменения климата при сохранении баланса притока и оттока углерода.

Единого числа, показывающего, во сколько раз «термостат» Пангеи был слабее, авторы не приводят. Это качественный вывод.

Как проводилось исследование?

Новых раскопок и экспериментов не было. Авторы обработали 120 климатических симуляций Community Earth System Model: 40 случайных наборов континентов, для каждого по три степени раздробленности. В основных расчётах CO₂ был фиксирован на уровне 1000 ppm, суша занимала 30% поверхности, растительности не было.

В модельном ансамбле при контроле водой раздробленность континентов объясняла более 50% разброса рассчитанного выветривания, а доля тропической суши почти ничего. При температурном контроле картина обратная: доля тропической суши объясняла более 75%, раздробленность почти 0%. Затем эти «отпечатки» искали в геологических данных: использовали температурную реконструкцию PhanDA (Science, 2024) и карты суши с шагом 10 млн лет.

Проверка на другой реконструкции, Скотезе, дала сходные связи: для 480-300 млн лет назад r = −0,70, для 300-200 млн лет назад r = −0,62.

Почему вывод пока нельзя считать доказанным?

Работа выявляет корреляции, а не причинно-следственную связь. Сами авторы допускают, что зависимости могли возникнуть из-за других одновременно менявшихся факторов. Переход к режиму, ограниченному водой, не измерен напрямую в породах или палеопочвах Пангеи. Это интерпретация идеализированных моделей и реконструированных рядов. Формулировки статьи осторожны: механизм «мог эволюционировать», результаты согласуются с гипотезой.

Ограничения моделей:

• максимальная высота суши всего 100 м, реалистичных гор нет;
• не учтены различия пород, наземные растения, ледниковое и донное выветривание;
• вулканический выброс CO₂ принят неизменным, хотя при сборке и распаде суперконтинента он мог меняться.

Древняя география тоже неточна и зависит от выбранной тектонической модели. При альтернативной реконструкции связь с тропической сушей после 200 млн лет назад оказалась лишь погранично значимой (p = 0,054). Независимых экспертных комментариев к работе пока не найдено. Авторы предлагают проверить гипотезу по палеопочвам Пангеи, сопоставив данные об осадках и температуре с индексами химического выветривания.

Какое это имеет значение для поиска жизни на других планетах?

Исследование выполнено при финансировании NASA по программе Habitable Worlds. Graham связывает результат с вопросом об обитаемости других миров:

Если ваш термостат не настолько эффективен, насколько мог бы быть, возможно, его окажется недостаточно, чтобы планеты оставались обитаемыми по всей зоне обитаемости.

Авторы статьи: R. J. Graham, B. B. Cael и Dorian S. Abbot (Чикагский университет), Minmin Fu (Саутгемптонский университет). Код и данные опубликованы на платформе Zenodo.