Исследование дает новые подсказки о том, как «термостат Земли» управляет климатом

Камни, дождь и углекислый газ помогают контролировать климат Земли на протяжении тысячелетий — подобно термостату — посредством процесса, называемого выветриванием. Новое исследование под руководством ученых штата Пенсильвания может улучшить наше понимание того, как этот термостат реагирует на изменение температуры.

«Жизнь существовала на этой планете миллиарды лет, поэтому мы знаем, что температура Земли оставалась достаточно постоянной, чтобы на ней существовала жидкая вода и поддерживалась жизнь», — сказала Сьюзан Брантли, профессор Университета Эвана Пью и профессор геолого-геофизических исследований Барнса в Пенсильвании. «Идея состоит в том, что выветривание силикатных пород является этим термостатом, но никто никогда не соглашался с его температурной чувствительностью».

По словам ученых, поскольку на выветривание влияет множество факторов, было сложно использовать только результаты лабораторных экспериментов для создания глобальных оценок того, как выветривание реагирует на изменения температуры.

Команда объединила лабораторные измерения и анализ почвы из 45 почвенных участков по всему миру и многих водоразделов, чтобы лучше понять выветривание основных типов горных пород на Земле, и использовала эти результаты для создания глобальной оценки того, как выветривание реагирует на температуру.

«Когда вы проводите эксперименты в лаборатории, а не берете образцы из почвы или реки, вы получаете разные значения», — сказал Брантли. «Итак, то, что мы пытались сделать в этом исследовании, — это взглянуть на эти различные пространственные масштабы и выяснить, как мы можем понять все эти данные, которые геохимики всего мира собирают о выветривании на планете. И это исследование является моделью того, как мы может сделать это».

Выветривание представляет собой часть уравновешивания углекислого газа в атмосфере Земли. Вулканы выбрасывали большое количество углекислого газа на протяжении всей истории Земли, но вместо того, чтобы превратить планету в теплицу, парниковый газ медленно удаляется в результате выветривания.

Дождь забирает углекислый газ из атмосферы и создает слабую кислоту, которая падает на Землю и стирает с поверхности силикатные породы. Побочные продукты переносятся ручьями и реками в океан, где углерод в конечном итоге оказывается запертым в осадочных породах, говорят ученые.

«Давно предполагалось, что баланс между углекислым газом, поступающим в атмосферу из вулканов, и вымываемым выветриванием в течение миллионов лет поддерживает относительно постоянную температуру планеты», — сказал Брантли. «Суть в том, что когда в атмосфере больше углекислого газа и планета становится более горячей, выветривание идет быстрее и вытягивает больше углекислого газа. А когда планета холоднее, выветривание замедляется».

Но многое остается неизвестным о том, насколько чувствительно выветривание к изменению температуры, отчасти из-за больших пространственных и временных масштабов.

«В почвенном профиле вы видите картину почвы, где затвор камеры был открыт иногда в течение миллиона лет — есть интегрированные процессы, происходящие в течение миллиона лет, и вы пытаетесь сравнить это с двухлетним экспериментом в колбе, — сказал Брантли.

Брантли сказал, что область науки о критических зонах, которая исследует ландшафты от самой высокой растительности до самых глубоких грунтовых вод, помогла ученым лучше понять сложные взаимодействия, влияющие на выветривание.

Например, камни должны расколоться, чтобы вода попала в трещины и начала разрушать материалы. Чтобы это произошло, скала должна иметь большие открытые участки поверхности, а это менее вероятно в регионах, где почва находится глубже.

«Только когда вы начинаете пересекать пространственные и временные масштабы, вы начинаете видеть то, что действительно важно», — сказал Брантли. «Площадь поверхности действительно важна. Вы можете измерить все необходимые константы скорости для этого раствора в лаборатории, но пока вы не расскажете мне, как образуется площадь поверхности в естественной системе, вы никогда не сможете предсказать настоящая система».

Об этом ученые сообщили в журнале Наука что измерения чувствительности к температуре в лаборатории были ниже, чем оценки для почв и рек в их исследовании. Используя наблюдения в лаборатории и на местах, они расширили свои выводы, чтобы оценить глобальную температурную зависимость выветривания.

Их модель может быть полезна для понимания того, как выветривание будет реагировать на будущее изменение климата, а также для оценки антропогенных попыток усилить выветривание для извлечения большего количества углекислого газа из атмосферы — например, секвестрация углерода.

«Одна из идей заключалась в том, чтобы усилить выветривание, выкопав много камня, измельчив его, транспортировав и разместив на полях, чтобы дать возможность выветриванию произойти», — сказал Брантли. «И это сработает — это уже работает. Проблема в том, что это очень медленный процесс».

По словам ученых, хотя потепление может ускорить выветривание, удаление из атмосферы всего углекислого газа, добавленного людьми, может занять тысячи или сотни тысяч лет.

Другими исследователями штата Пенсильвания, принимавшими участие в исследовании, были Эндрю Шонесси, докторант кафедры наук о Земле, и Марина Лебедева и Виктор Балашов, ведущие научные сотрудники Института систем Земли и окружающей среды.