Решение 40-миллионолетней загадки

Силикатные минералы — основные компоненты большинства горных пород. Когда эти минералы на поверхности Земли контактируют с водой, они частично растворяются, реагируя с углекислым газом в воде. Этот растворенный материал затем переносится реками в океан, где в конечном итоге используется организмами для создания морских карбонатов, таких как известняк. Таким образом, углекислый газ удаляется из атмосферы и превращается в горную породу. Этот процесс называется силикатным выветриванием — естественным примером секвестрации углерода. В современном мире скорость этого процесса увеличивается вместе со скоростью эрозии — разрушения породы на все более мелкие части под действием таких процессов, как течение ручьев и рек, циклы замерзания-оттаивания или оползни.

Три десятилетия назад в обсерватории Земли Ламонт-Доэрти Колумбийского университета одна из авторов, Морин Раймо, вместе с коллегами Уильямом Ф. Раддиманом и Филипом Н. Фрёлихом, выдвинула гипотезу, что усиленная эрозия и выветривание пород, вызванные поднятием Гималаев и Анд, привели к снижению содержания углекислого газа в атмосфере. Это, в свою очередь, вызвало глобальное похолодание, наблюдаемое в последние 40 миллионов лет, и, в конечном итоге, повторяющиеся ледниковые периоды. Эта идея известна как Гипотеза поднятия-выветривания (Uplift-Weathering Hypothesis).

Множество геологических и геохимических данных, включая записи изменений углекислого газа, растворенного в океанах, время остывания и затвердевания определенных пород и скорость осадконакопления на дне океана, поддерживают эту идею. Изотопы нескольких элементов, включая стронций, осмий и литий, также согласуются с глобальным ускорением континентальной эрозии и выветривания в этот период, подтверждая гипотезу.

Однако изотопы элемента бериллия стали важным исключением. Горные породы содержат только бериллий-9 (4 протона и 5 нейтронов). В верхних слоях атмосферы Земли высокоэнергетические космические частицы от Солнца сталкиваются с кислородом и азотом, создавая бериллий-10 (4 протона и 6 нейтронов), который выпадает на поверхность Земли. Если эрозия и выветривание усиливаются, в реках должно увеличиться количество бериллия-9, в то время как скорость образования бериллия-10 остается постоянной. Можно было бы ожидать увеличения соотношения изотопов бериллий-9/бериллий-10 в океанах. Поскольку этого не произошло, некоторые ученые интерпретировали это как признак стабильности континентальных темпов эрозии-выветривания за последние 12 миллионов лет, что опровергало бы Гипотезу поднятия-выветривания.

В исследовании, только что опубликованном в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), был разработан новая модель цикла бериллия, которая пересматривает изотопную летопись прошлого. Модель показывает, что при усилении континентальной эрозии и выветривания увеличение потока бериллия-9 в океаны через реки компенсировалось бы процессами химического поглощения вдоль океанских побережий, которые удаляли бы лишний бериллий-9. Прогнозируемым результатом было бы постоянное соотношение изотопов бериллий-9/бериллий-10 в морской воде, что и наблюдается. Подобные процессы не происходят с другими изотопами, такими как стронций и литий. Это объясняет, почему записи изотопов бериллия согласуются с усилением эрозии и выветривания континентальной коры в позднем кайнозое, начиная примерно 34 миллиона лет назад, и разрешает противоречие между данными по бериллию и другими прокси-индикаторами выветривания.

Это исследование также дает важную информацию о том, как работает углеродный цикл нашей планеты. Учитывая множество доказательств усиления эрозии и выветривания за последние 12 миллионов лет, следует заключить, что другие геологические процессы, помимо силикатного выветривания, должны были предотвратить неконтролируемое охлаждение планеты. Для компенсации удаления углекислого газа эрозией и выветриванием и поддержания обитаемости нашей планеты было предложено несколько механизмов.