Карбонатно-силикатный цикл

Предполагаемая обратная связь обеспечивается карбонатно-силикатным геохимическим циклом, который отвечает за 80 % обмена углекислым газом между планетой и ее атмосферой в масштабах времени свыше 500 тыс. лет. Цикл начинается, когда содержащийся в атмосфере углекислый газ растворяется в капельках воды, образуя угольную кислоту (Н₂СО₃). Дождевые осадки разрушают породы, состоящие из кальциево-силикатных минералов (соединений кальция, кремния и кислорода). При этом угольная кислота вступает в реакцию с породами, находящимися на поверхности, и высвобождает ионы кальция и бикарбоната (Са²⁺ и НСО₃^―), поступающие в грунтовые воды. Вода переносит ионы в ручьи, реки и в конечном счете в океан.

В море эти ионы задерживаются в скелетах и раковинах планктона и других организмов, состоящих из карбоната кальция (СаСО₃). Когда эти организмы умирают, их остатки падают на дно океана, формируя карбонатные осадочные породы. Дно моря медленно расширяется, так что через много тысяч лет осадочные породы приближаются к краям континентов. Здесь морское дно поддвигается под массы суши и попадает в недра планеты. По мере того как осадочные породы подвергаются действию все бóльших температуры и давления, карбонат кальция соединяется с кремнием (кварцем), образуя силикатные породы (этот процесс известен как карбонатный метаморфизм) и выделяя газообразный СО₂. В конце концов, углекислый газ снова попадает в атмосферу через срединно-океанические хребты и через вулканы, расположенные по краям литосферных плит. Купить быстро и легко авиабилеты во Французскую Полинезию вы сможете на сайте alltrips.ru

Уолкер и его коллеги поняли, что изменения температуры поверхности планеты влияют на количество СО₂ в атмосфере и тем самым на величину парникового эффекта. Предположим, что по какой-либо причине, например в результате ослабления приходящего солнечного излучения, на Земле похолодало. При более низкой температуре меньше воды из океана испаряется в атмосферу, соответственно меньше выпадает дождей и уменьшается эрозия, обусловленная осадками. При таких условиях скорость, с которой СО₂ покидает атмосферу, уменьшается, в то время как скорость регенерации СО₂ в процессе карбонатного метаморфизма и скорость его поступления в окружающую среду не меняется. В результате происходит накопление углекислого газа в атмосфере, усиливается парниковый эффект и восстанавливается более теплый климат.

Рис. 3.4. КАРБОНАТНО-СИЛИКАТНЫЙ геохимический цикл имеет продолжительность около 500 тыс. лет. В ходе этого цикла СО₂ вымывается из атмосферы, накапливается в карбонатных породах, а затем вновь возвращается в воздух. Образование карбонатов связано с тем, что СО₂ растворяется в дождевой воде и вступает в реакцию с породами, состоящими из кальциево-силикатных минералов (соединений кальция, кремния и кислорода). В результате таких реакций образуются ионы кальция и бикарбоната (Са²⁺ и НСО₃^―); они смываются в ручьи и реки и в конце концов попадают в океаны. В океанах планктон и другие организмы поглощают эти ионы, идущие на постройку раковин, состоящих из карбоната кальция (СаСО₃); остатки организмов падают на дно океана и формируют осадочные породы. Дно океана медленно расширяется и поддвигается под континенты (этот процесс называется субдукцией). Осадочные породы опускаются в недра планеты, где под воздействием высоких температур и давления выделяют углекислый газ, который возвращается в атмосферу преимущественно в ходе вулканической деятельности.

Напротив, если по какой-либо причине на Земле произошло потепление, должны возрасти испарение с поверхности океана и количество осадков, а следовательно, усилиться вымывание СО₂ из атмосферы. Парниковый эффект при этом должен ослабнуть.

Эту обратную связь проще всего представить, рассмотрев крайний случай. Если все океаны замерзнут, дожди практически прекратятся и содержание углекислого газа в атмосфере начнет расти. При современной скорости выделения газа давление атмосферного СО₂ в 1 бар создается за 20 млн лет — геологически небольшой отрезок времени. Такого количества углекислого газа в атмосфере хватит на то, чтобы поднять температуру поверхности Земли примерно до + 50 °С, а это более чем достаточно, для того чтобы растаяли льды и восстановились нормальные  климатические условия.

Роль биоты. Поскольку живые организмы играют важную роль в круговороте углекислого газа, некоторые исследователи предполагают, что биота несет главную ответственность за изменения климата Земли. Дж. Лавлок из Экспериментальной станции Кумб-Милл в Корнуэлле и Л. Маргулис из Бостонского университета — главные сторонники этой концепции, которую они в честь древнегреческой богини Земли называют гипотезой Геи. Эти авторы утверждают, что уменьшение содержания СО₂ в атмосфере в течение всей геологической истории Земли было прямым следствием биологического «вмешательства» и что без живых организмов развитие земного климата пошло бы по пути Марса или Венеры.

Биота действительно играет важную роль. Углекислый газ, который не участвует в карбонатно-силикатном цикле (около 20 %), поглощается (и, стало быть, выводится из атмосферы) фотосинтезируюшими растениями. Когда растения умирают, входящий в их состав углерод откладывается в осадочных породах. В процессе горообразования осадочные породы поднимаются и углерод, содержащийся в них, получает возможность вступать в реакцию с атмосферным кислородом в дождевой воде с образованием углекислого газа.

Живые организмы влияют также и на карбонатно-силикатный цикл. Мы уже указывали на роль океанского планктона в формировании карбонатных осадочных пород, но еще более важными в этом смысле могут быть наземные растения. При гниении растений (окислении) в почве накапливается СО₂. В результате в наше время концентрация СО₂ в типичных почвах, возможно, больше, чем она была до появления сосудистых растений около 400 млн. лет назад. Такое повышение концентрации СО₂ ускоряет превращение силикатных минералов в карбонатные осадочные породы.

Несмотря на все сказанное, мы полагаем, что на уровень содержания СО₂ в атмосфере большее влияние оказывают физические, а не биологические процессы. Можно утверждать, например, что, если бы раковинные организмы, переносящие в конечном счете карбонат кальция на дно моря, не существовали, концентрация ионов кальция и бикарбоната в морской воде возрастала бы. По достижении концентрацией ионов определенного уровня карбонат кальция мог бы формироваться без участия живых организмов. Именно так должно было обстоять дело ранее 600 млн. лет назад, когда появились первые раковинные организмы.

Расчеты показывают также, что уменьшение вымывания силикатов, вызванное полным исчезновением наземной растительности, может быть полностью компенсировано повышением температуры среды на 10 °С, обеспечиваемым отрицательной обратной связью силикатно-карбонатного цикла. Усилившийся парниковый эффект создал бы климат, подобный существовавшему 100 млн лет назад в середине мелового периода: теплый, но тем не менее подходящий для многих форм жизни, включая динозавров. Итак, можно думать, что Земля оставалась бы пригодной для жизни, даже если бы никогда не была обитаемой. Необходимый буферный механизм мог бы работать благодаря одному только карбонатно-силикатному циклу.

Возникает и такой вопрос: а не мог ли водяной пар, который дает сегодня наибольший вклад в парниковый эффект, измеряемый величиной 35 °С, обеспечивать сохранение умеренного климата планеты на протяжении ее истории? Ответ оказывается отрицательным. Изменение количества влаги в атмосфере не компенсирует изменение поверхностной температуры, а скорее усиливает его: содержание влаги в атмосфере увеличивается, когда температура поверхности растет, и уменьшается, когда температура поверхности падает. Следовательно, если мы хотим объяснить тот факт, что, несмотря на увеличение светимости Солнца, температура земной поверхности в прошлом не росла неуклонно, а оставалась в допустимых для существования жизни пределах, мы должны опираться на предположение, что основную роль в этом играло изменение содержания углекислого газа в атмосфере.