Земля настраивает температуру каждую тысячу лет

22.01.2023

Исследование учёных Массачусетского технологического института, опубликованное в журнале Science Advances, подтвердило, что на планете уже сотни тысяч лет действует механизм «стабилизирующей обратной связи», который возвращает климат от критических значений и удерживает глобальную температуру в устойчивом диапазоне, пригодном для жизни.

Климат Земли претерпел значительные изменения — от вулканической деятельности по всему миру до планетарных ледниковых периодов и резких изменений уровня солнечной радиации. И всё же, жизнь не прекращает своё существование последние 3,7 миллиарда лет.

Как это происходит? Вероятно, механизм заключается в «силикатном выветривании» — геологическом процессе, в ходе которого медленное и устойчивое выветривание силикатных пород сопровождается химическими реакциями, которые в конечном счёте выводят углекислый газ из атмосферы в океанические отложения, задерживая его в породах.

Учёные давно подозревали, что силикатное выветривание играет важную роль в регуляции углеродного цикла Земли. Механизм силикатного выветривания мог бы обеспечить геологически постоянную силу в поддержании под контролем [концентрации] углекислого газа и глобальных температур. Но прямых доказательств непрерывного действия такой обратной связи ранее не было.

В основе новых результатов лежит изучение данных о палеоклимате, которые позволяют зафиксировать изменения средней глобальной температуры за последние 66 миллионов лет. Группа из Массачусетского технологического института применила математический анализ, чтобы выяснить, выявлены ли в этих данных какие-то закономерности, характерные для стабилизирующих явлений, которые сдерживают глобальные температуры в геологическом масштабе времени.

Они выяснили, что есть устойчивая закономерность, в соответствии с которой флуктуации температуры Земли затухают на протяжении временных интервалов в сотни тысяч лет. Продолжительность этого эффекта сходна с временными рамками, в течение которых, согласно прогнозам, действует силикатное выветривание.

Полученные результаты впервые используют фактические данные для подтверждения существования стабилизирующей обратной связи, механизмом которой, вероятно, является силикатное выветривание. Эта стабилизирующая обратная связь объясняет, как Земля оставалась пригодной для жизни во время экстремальных климатических явлений в геологическом прошлом.

«С одной стороны, это хорошо, ведь мы знаем, что современное глобальное потепление в конечном счёте будет нивелировано этой стабилизирующей обратной связью», — говорит об этом Константин Арншайдт, аспирант кафедры наук о Земле, атмосфере и планетах (EAPS) Массачусетского технологического института. — С другой стороны, это произойдёт за сотни тысяч лет, то есть недостаточно быстро, чтобы решить наши сегодняшние проблемы».

Соавторами исследования являются Константин Арншайдт и профессор геофизики Массачусетского технологического института Дэниел Ротман.

Стабильность данных

Учёные и раньше замечали признаки климатической стабилизации углеродного цикла Земли: химические анализы ископаемых пород показали, что поток углерода в поверхностную среду Земли и из неё оставался относительно сбалансированным даже при резких флуктуациях глобальной температуры. Кроме того, модели силикатного выветривания позволяют предположить, что этот процесс должен определённым образом стабилизировать глобальный климат. Наконец, сам факт продолжительной обитаемости Земли указывает на некий неотъемлемый, геологический контроль над экстремальными флуктуациями температуры.

«У вас есть планета, климат которой претерпел столько глобальных изменений под влиянием внешних факторов. Почему жизнь сохранялась всё это время? Один из аргументов заключается в том, что необходим какой-то стабилизирующий механизм поддержания температуры, подходящей для жизни, — рассказывает Арншайдт, — Однако, это никогда не демонстрировалось с привлечением данных о последовательном контроле климата Земли таким механизмом».

Арншайдт и Ротман стремились подтвердить, что стабилизирующая обратная связь действительно работает, рассматривая данные о флуктуациях глобальной температуры на протяжении геологической истории. Они работали с целым рядом данных о рекордах глобальной температуре, полученных другими учёными по химическому составу ископаемых морских окаменелостей и раковин, а также по сохранившимся кернам антарктических льдов.

«Всё это исследование стало возможным лишь благодаря значительным успехам в разрешении столь глубоководных температурных рекордов», — отметил Арншайдт, — Теперь у нас есть данные за 66 миллионов лет с точками данных, имеющими шаг не более тысячи лет».

Разгон до остановки

К полученным данным группа применила математическую теорию стохастических дифференциальных уравнений, которая широко применяется для выявления закономерностей в сильно колеблющихся наборах данных.

«Мы осознали, что эта теория позволяет прогнозировать историю температуры Земли в случае существования обратной связи, действующей в определённых временных рамках», — объясняет Арншайдт.

При помощи этого подхода группа проанализировала историю средних глобальных температур за последние 66 миллионов лет, рассматривая весь период в разных временных масштабах, например, десятки тысяч лет в сравнении с сотнями тысяч, чтобы увидеть, возникали ли какие-либо закономерности стабилизирующей обратной связи в каждом временном масштабе.

«Это чем-то напоминает то, как ваша машина разгоняется на дороге, а при нажатии на тормоз скользит некоторое время до остановки, — сравнивает Ротман. — Есть временная шкала, в рамках которой срабатывает сопротивление трения или стабилизирующая обратная связь, когда система возвращается в устойчивое состояние».

Без стабилизирующей обратной связи флуктуации глобальной температуры должны расти с течением времени. Однако анализ этой группы исследователей выявил режим, в котором роста флуктуаций нет, что предполагает действие стабилизирующего климат механизма, вступающего в игру раньше максимизации этих флуктуаций. Временные рамки этого стабилизирующего эффекта — сотни тысяч лет — совпадают с прогнозируемыми учёными сроками силикатного выветривания.

Примечательно, что Арншайдт и Ротман обнаружили: на более длительных временных шкалах данные не выявили никаких стабилизирующих обратных связей. То есть, на временных шкалах, превышающих миллион лет, не наблюдается никакого повторяющегося ослабления изменений глобальной температуры. Что же тогда контролирует глобальную температуру на этих, более длительных временных интервалах?

«Есть идея, что в определении того, почему жизнь всё ещё существует на протяжении более 3 миллиардов лет, основную роль мог сыграть случай», — предполагает Ротман.

Иными словами, поскольку температура на Земле колеблется на протяжении длительных периодов, возможно, эти флуктуации только по случайности достаточно малы с геологической точки зрения, чтобы оставаться в пределах, где стабилизирующая обратная связь, такая как силикатное выветривание, способна периодически удерживать климат не только под контролем, но и в пригодном для жизни диапазоне.

«Есть два лагеря: одни утверждают, что случайность достаточно хорошо всё объясняет, а другие — что должна быть стабилизирующая обратная связь, — говорит Арншайдт. — На основании данных мы можем напрямую показать, что истина, вероятно, где-то посередине. Иными словами, некоторая стабилизация имела место, но в сохранении Земли пригодной для жизни сыграла роль и чистая удача».