Как океанский фосфат десятки миллионов лет управлял климатом

Больше ста миллионов лет температура на Земле держится в диапазоне, пригодном для жизни, — будто где-то в недрах планеты работает термостат. Геологи из Оксфорда и Сиракузского университета нашли звено, которое связывает уровень моря, содержание кислорода в океане и количество фосфата, — и объясняет, почему углекислый газ то накапливался в атмосфере, то исчезал из неё на миллионы лет.

Фосфат как скрытая деталь климатической машины

Профессор наук о Земле Занли Лу из Сиракузского университета вместе с коллегами изучил, как менялись уровень моря и содержание растворённого кислорода в океане за последние 60 миллионов лет. В центре их работы оказался фосфат — форма фосфора, без которой не может расти морской планктон.

Авторы исследования называют фосфат «невидимой» частью климатической головоломки. Его количество в толще воды определяло, сколько органики образуется в океане, сколько её опускается на дно и сколько углерода в итоге навсегда остаётся погребённым в донных отложениях — а не возвращается в атмосферу в виде CO₂.

Что происходило при высоком уровне моря

Когда уровень моря поднимался, широкие шельфы затапливались, и фосфат оседал в мелководных осадках, не успевая попасть в открытый океан. Продуктивность морских организмов падала, органики тонуло меньше, воды оставались насыщены кислородом.

Углекислый газ в такие периоды копился в атмосфере. Именно так, по данным исследования, происходило в эоцене — эпохе, длившейся примерно с 56 до 34 миллионов лет назад: шельфы были затоплены, фосфат оставался запертым в мелководье, а планета оставалась тёплой.

Обратный процесс при отступлении моря

Падение уровня моря запускало противоположную цепочку. Шельфы сокращались, фосфат высвобождался и поступал в открытую воду, стимулируя рост морских организмов. Разложение осевшей на дно органики забирало кислород из придонных вод — так возникали и расширялись зоны с низким содержанием кислорода.

Добравшись до богатых органикой шельфовых осадков, эти зоны запускали самоподдерживающийся цикл: нехватка кислорода высвобождала из донных отложений ещё больше фосфата, тот поддерживал рост планктона, а захоронение углерода усиливалось. Чем больше углерода оседало на дне, тем меньше его оставалось в атмосфере.

Узкое окно в 10–40 метров

Сильнее всего захоронение углерода шло не при любом низком уровне моря, а в довольно узком диапазоне — от 10 до 40 метров выше нынешней отметки. Именно в этом «окне» зоны с дефицитом кислорода совпадали с органически богатыми шельфовыми отложениями, и цикл мог работать без сбоев на протяжении миллионов лет.

Для проверки гипотезы команда собрала геологические данные за 60 миллионов лет: изотопы углерода, накопление фосфора в глубоководных осадках и новый показатель — соотношение йода и кальция, по которому можно судить о содержании кислорода в древних океанах.

Измерения по остаткам фораминифер

Метод йод-кальциевого соотношения разрабатывался в лаборатории Лу. Он основан на анализе химического состава раковин фораминифер — микроскопических морских организмов, чьи остатки накапливаются в донных отложениях. Образцы измеряли на масс-спектрометре в Сиракузском университете при поддержке Национального научного фонда США.

Идею о связи уровня моря, кислорода и фосфата ещё двадцать лет назад проверял на компьютерной модели соавтор работы Кристиан Бьеррум. Тогда не хватало геологических данных, чтобы подтвердить гипотезу — теперь эти данные собраны.

Почему колебания климата со временем сглаживались

По мере того как зоны кислородного дефицита смещались в более глубокие слои воды, диапазон условий, благоприятных для захоронения углерода, сужался. Это постепенно стабилизировало содержание кислорода и углекислого газа в атмосфере, а перепады между накоплением CO₂ и его захоронением в океане становились менее резкими.

Ранее лаборатория Лу тем же йод-кальциевым методом показала, что в протерозое тропические океаны, в отличие от современных, были богаты кислородом, а не бедны им. Та работа, опубликованная в январе в Nature Geoscience, указала на переломный момент в истории планеты, случившийся сотни миллионов лет назад и изменивший распределение кислорода в океанах на противоположное.