Войти в систему
Войти с помощью соц. сетей:
Прогуливаясь по сельским холмам Кальдары ди Манциана в Центральной Италии, в окружении лесов, цветов и поющих птиц, вы явно не ожидаете наткнуться на предупредительные знаки, украшенные черепом со скрещенными костями и извещающие вас о смертельной опасности. Что это может быть? Забор под напряжением? Стрельбище? Бродячие медведи?
А затем вы вступаете в небольшую долину — безжизненную низину, полосу оголенной почвы, ярко контрастирующую с зеленой возвышенностью. Что здесь происходит?
Источник этой опасности — углекислый газ. Он течет из земли, невидимый, бесцветный… Будучи тяжелее воздуха, CO2 прижимается к земле, заполняя низины. Когда дует ветер, он не страшен. Поток подземного газа быстро и без неприятных последствий рассеивается. Но в спокойный безветренный день этот более плотный углекислый газ в высокой концентрации вытесняет воздух, которым можно дышать, запуская смертельный сценарий. Жертвами становятся охотники. Их собаки, поскольку они ближе к земле, падают замертво первыми. Если охотник мчится на помощь своему верному спутнику и наклоняется к пораженному животному, его тоже может подстеречь смертельная опасность, о которой он и не ведает.
Углерод перемещается. Как компонент мигрирующей океанической земной коры, он погружается с освещенной солнцем поверхности в глубокие недра в процессе субдукции. А как важный компонент глубинных мантийных флюидов, он высачивается из породы или почвы и выбрасывается из извергающихся вулканов. Атомы углерода сначала осаждаются в виде твердых горных пород из океанов и воздуха, а потом выветриваются из этих твердых пород, чтобы вернуться в океаны и воздух. Однажды высвободившись, атомы углерода омывают Землю в неторопливых океанических течениях и дрейфуют по земному шару в составе изменчивой атмосферы. В то же время живые клетки — от микробов до растений и людей — снова и снова используют атомы углерода, причем со скоростью, которая намного превосходит циркулирование шестого элемента в любом известном неживом мире. Редко найдешь атом углерода, который хоть на недолгое время оставался бы выключенным из этого глобального круговорота длительностью 4,5 млрд лет.
Описанные выше итальянские насыщенные углекислым газом вулканические эманации — убивающие время от времени собак и их хозяев — выходят, когда из глубин поднимается раскаленная углеродсодержащая магма. Какие-то порции этой магмы взаимодействуют с погребенными толщами карбонатных минералов, которые распадаются под действием высокой температуры, при этом происходит смешение углекислого газа мантии и коры. И это тоже часть большого углеродного цикла Земли — цикла, который создал атмосферу и продолжает ее пополнять.
У всех химических элементов Земли есть циклы, и углерод не исключение. Цикл углерода — главная тема ознакомительных курсов и научно-популярных веб-сайтов — это совокупность различных резервуаров атомов углерода, а также перемещений этих атомов между резервуарами. Поищите словосочетание «изображения углеродного цикла» на YouTube, и поиск выдаст вам океаны и атмосферу, известняк и ископаемое топливо, животных и растения — все с маленькими стрелочками, показывающими, как углерод движется от одного резервуара к другому. К некоторым из этих изображений также добавлен дымящийся вулкан, намекающий на более глубокие процессы, но глубинный углерод Земли — основной источник атмосферного — редко рассматривается подробно.
Причины такого пренебрежения легко понять. По сравнению с быстрым оборотом углерода возле поверхности Земли глубинный цикл этого элемента медленный. Пройдет много миллионов лет, прежде чем атом углерода погрузится глубоко в недра планеты и снова вернется на поверхность, а подробности этих процессов остаются во многом скрытыми и непонятными. Никто не знает, сколько углерода там, внизу, нет у нас и никакой определенности по поводу разнообразных форм, которые он принимает.
Что нам действительно известно — так это грандиозный глобальный механизм, посредством которого углерод циркулирует из воздуха глубоко в Землю и обратно. Черные базальты и другие породы, выстилающие дно земных океанов, — холодные и плотные, плотнее, чем горячая мягкая мантия под ними. Когда огромные плиты океанической земной коры опускаются в процессе субдукции на сотни километров, неся с собой слои осадочных отложений и базальта, насыщенные карбонатными минералами и разлагающимися органическими остатками, побеждает гравитация. Углерод неумолимо уносится с поверхности, погружаясь все глубже и глубже в недоступные недра Земли.
Если бы перемещение поверхностного углерода происходило только таким образом, без пополнения его резервуаров, земная кора могла бы полностью лишиться шестого элемента за несколько сотен миллионов лет. Понесшая такую утрату, зависимая от углерода биосфера разрушилась бы. К счастью для нее, то, что уходит вниз, потом поднимается наверх. Когда насыщенные углеродом субдуцирующие породы нагреваются, карбонатные минералы и органические вещества начинают распадаться на углекислый газ и другие небольшие молекулы. Некоторые из них освобождаются из своих каменных гробниц, образуя восходящие флюиды, которые меняют курс и поднимаются к поверхности Земли. Извергающиеся вулканы — самые очевидные места высвобождения этих глубинных газов, но еще больший их поток может быть связан с широко распространенным рассеянным просачиванием глубинного углерода из недр в воздух, пусть даже объем его сложно оценить — и поэтому он до сих пор не определен.
Понимание этого глобального углеродного цикла, который в основном сокрыт от глаз, было одной из основных целей Обсерватории глубинного углерода с самого ее основания. Это насыщенная и разнообразная работа, в которой участвуют сотни ученых, решающих разноплановые и бросающие нам вызов проблемы на полевых станциях и в лабораториях по всему миру. Целью их исследования активного глубинного углеродного цикла являются ответы на три вопроса: что уходит вниз? Что происходит с углеродом там, внизу? Что возвращается обратно наверх?
Подавляющее большинство атомов углерода на Земле — более 99,9% — погребено под поверхностью и заперто на миллионы лет в коре и мантии. Многие атомы углерода хранятся в огромных слоистых залежах известняка, иные — в похороненной биомассе угля, нефти или еще каких-то черных насыщенных углеродом отложениях. А подвижная доля этого скрытого углерода заключена в базальтах и осадочных отложениях дна океанов, погружающихся глубоко в мантию Земли в зонах субдукции.
Как же так получается, что атомы углерода с изменчивой, залитой солнцем поверхности Земли, некогда столь подвижные в воздухе, или в океанах, или в живых клетках, оказываются запертыми в твердом камне, неумолимо уходящем вглубь? Дело в химических реакциях — как абиотических, так и связанных с жизнью. Об абиотических идет речь, когда углекислый газ атмосферы и океанов с готовностью вступает в реакции с атомами кальция и магния в только что излившемся вулканическом базальте и других породах, образуя карбонатные минералы. Эти реакции обычно проходят невидимо для глаз глубоко в океане или под почвами, но там, где поверхностные воды богаты кальцием или магнием, время от времени можно наблюдать, как кристаллы карбонатов растут в реальном времени, по мере того как углекислый газ жадно забирается из воздуха.
Жизнь научилась этому приему — создавать карбонатные минералы — сотни миллионов лет назад. Какое-то время карбонатная биоминерализация происходила исключительно в мелких прибрежных водах, рядом с надежными источниками питательных веществ для минералов. Кишащие кораллами, моллюсками и другими несущими раковины животными массивные рифы, простиравшиеся на сотни километров, пленили огромное количество углерода. Когда клетки погибали и захоранивались на суше или в море, атомы углерода обосабливались в биомолекулах и продуктах их распада.
Жизнь за свою историю, хорошо задокументированную в окаменелостях и осадочных отложениях, где они упокоились, неоднократно наблюдала драматические изменения в природе и размахе углеродных захоронений. Расцвет фотосинтезирующих водорослей 2,5 млрд лет назад, вероятно, вызвал первый крупный всплеск накопления биомассы в отложениях, когда водорослевые маты, цветущие в мелких, пронизанных солнечным светом водах, умирали и погружались на дно океана. Появление карбонатных раковин более полумиллиарда лет назад внесло свою лепту в запасы углерода, захороненного на дне моря.
Новые повороты подповерхностного углеродного цикла связаны с жизнью, которая вышла на сушу более 400 млн лет назад. Деревья и другие растения содержат много углерода; когда они захораниваются, то образуют толстые залежи насыщенных углеродом торфа и угля. Корневые системы, будучи сами составной частью глубокой, скрытой биосферы, разрушают твердые горные породы, превращая их в глинистые минералы. Мельчайшие чешуйчатые частицы глины, настолько крохотные, что их трудно разглядеть даже в самый мощный оптический микроскоп, вырабатывают поверхностные электростатические заряды, которые притягивают и связывают биомолекулы. В силу этого поверхности глин покрываются насыщенной углеродом пленкой. Ставшие углеродсодержащими глинистые минералы вымываются из почвы, уносятся потоками и реками и в конечном счете прибывают в океаны, где формируют толстые осадочные дельты. Похоже, земная биосфера нашла множество способов захоронить углерод.
Двести миллионов лет назад, примерно в то время, когда на суше начиналось владычество динозавров, еще одну уловку для задержания углерода придумали микроскопические организмы: свободно плавающие в земных океанах клетки развили способность создавать себе тончайшие защитные карбонатные пластинки, извлекая углекислый газ и кальций из окружающей их среды. Этот смышленый планктон с карбонатным покрытием, в огромных количествах населяющий воды океана и осаждающийся на его дно после смерти, заметно поменял правила игры. Впервые в истории Земли карбонаты начали образовываться в освещенном солнцем приповерхностном слое глубочайших океанов, а не только на рифах вдоль побережья. Эти мертвые клетки, погружающиеся на океаническое дно, стали источником погребенного углерода в тех отложениях, в которых до этого не было карбонатных минералов.
Последствия «среднемезозойской революции», как называет то событие геолог Энди Риджуэлл из Бристольского университета, весьма серьезные. До того как 200 млн лет назад началась эта революция, жизнь создавала карбонаты исключительно на мелких континентальных шельфах; протяженные известняковые рифы росли или уменьшались в зависимости от изменчивого уровня моря. В более теплые времена, когда глобальное оледенение было минимальным, а уровень моря — относительно высоким, на широких затопленных прибрежных равнинах могли формироваться очень крупные рифы. Такой усиленный рост карбонатных кораллов и раковин уменьшал концентрацию кальция в океанах — ключевой фактор, определяющий изменчивость кислотности морской воды.
В более холодные периоды — с широким распространением полярного льда и оледенения, когда уровень моря был необычно низким, а континентальные шельфы в основном находились на воздухе, — реализовывался противоположный сценарий. В это время не могло образовываться много рифов. Поскольку биологические способы производить известняк отсутствовали, кальций в морской воде накапливался до состояния пересыщения, заодно меняя и химию океанов. Риджуэлл делает вывод, что химический состав океана на протяжении последних 200 млн лет поддерживался карбонатообразующим планктоном, процветающим независимо от уровня моря.
Земной углерод в огромных количествах извлекается из воздуха и воды и постепенно захоранивается в земной коре. Вулканические породы вступают в реакцию с углекислым газом, образуя карбонатные минералы. Биогенные карбонаты слагают рифы на окраинах континентов и сыплются на дно в открытом океане. Биомасса захоранивается на суше и в море, а глинистые минералы поглощают фрагментированные биомолекулы и еще добавляют углерода накапливающимся осадочным залежам. Все эти углеродные потоки несложно увидеть и измерить.
Менее наглядна та доля погребенного углерода, которая продолжает свое путешествие вниз, погружаясь глубоко в мантию в процессе субдукции. Попытки измерить изменчивый вклад субдуцирующего углерода полностью захватили Терри Планк из Обсерватории Земли Ламонт — Доэрти Колумбийского университета.
Стиль поведения Планк — спокойный и безмятежный, и вам ни за что не догадаться о ее полной ярких событий карьере или «гранте для гениев», полученном ею от фонда Макартуров. Вулканы интересуют исследовательницу как окна в мир глубинного углеродного цикла. Пытаясь понять, что же из них извергается, Планк решила каталогизировать углерод и другие химические элементы океанической коры — изучить тот материал, который затягивается в мантию при субдукции. Сравнивая элементы-примеси в опускающихся плитах с извергающейся магмой, она в поразительных подробностях смогла показать, что эта переработанная кора и есть главный компонент многих вулканических систем.
Количество уходящего в мантию углерода остается спорным вопросом. Планк считает, что ответ во многом зависит от того, куда именно вы смотрите. «Одни зоны субдукции получают много карбонатов, другие — нет, одни — много органического углерода, другие — мало», — замечает она. Также исследовательница делает вывод, что доставка углерода в глубины Земли может быть весьма сложным процессом. Карбонаты и биомасса не такие плотные, как базальт, и имеют тенденцию накапливаться в верхних слоях погружающейся плиты — в той части, которая вряд ли сильно опустится в глубокие темные недра. Планк делает вывод: «Субдукция углерода зависит от случая».
Короче говоря, то, «что уходит вниз», содержит много углерода, отложившегося в коре в виде биомассы и карбонатных минералов, причем значительная его часть, похоже, возвращается обратно наверх. Но самый завораживающий и загадочный этап углеродного цикла — это приключения той доли шестого элемента, которая предпринимает долгое глубокое путешествие в мантию Земли.
По мере того как влажные плиты, погружаясь, уносят богатые углеродом минералы и черную биомассу все глубже и глубже, температура становится все выше. Биомолекулы распадаются на более мелкие фрагменты — в основном углекислый газ и метан. Карбонатные минералы также распадаются, отпуская углеродсодержащие молекулы в горячие водные флюиды. Глубинный углерод никогда не остается в одиночестве. Он всегда смешивается с кислородом и водородом; обычно в этой смеси присутствует также некоторое количество натрия, хлора, серы и других элементов.
Вот в чем, однако, загвоздка. Понимание того, что происходит с углеродом в мантии, зависит в первую очередь от понимания того, как ведет себя вода при высоких температурах и давлениях. Но десятилетие назад, когда Обсерватория глубинного углерода только начинала свою работу, вода в мантии была terra incognita. Никто не знал в точности свойств H2O в условиях экстремальных температуры и давления на глубине сотен километров.
Неизвестным параметром — причем единственным, блокирующим наш путь вперед, — была диэлектрическая постоянная воды, величина ее полярности. Молекулы воды принимают V-образную форму. Центральный атом кислорода соединяется с двумя атомами водорода, расположенными, как уши у Микки Мауса. Водородная сторона молекулы несет положительный электрический заряд, а кислородная заряжена отрицательно, в результате получается полярная молекула. Многие наиболее характерные свойства воды — в частности, ее способность растворять поваренную соль и целый ряд других химических веществ, легкость формирования дождевых капель, твердость льда, капиллярные процессы в стеблях растений — как раз результат этой полярности. Диэлектрическая постоянная — это величина силы разделения на положительный и отрицательный заряд, которая диктует поведение воды.
Мы знали, что диэлектрическая постоянная воды резко меняется в зависимости от температуры и давления, но в начале смелого проекта DCO мы не знали насколько. Без этих сведений было невозможно вычислить основные аспекты глубинных флюидов, например растворимость соли, электрические заряды растворенных молекул или кислотность растворов. Не было возможности также спрогнозировать поведение углерода или любого другого растворенного элемента в мантии Земли. В итоге на майском семинаре 2008 г., который положил начало DCO, было сделано публичное заявление о необходимости восполнить этот пробел в наших знаниях. Автором заявления стал Димитри Сверженски, профессор геохимии в Университете Джонса Хопкинса.
Речь Сверженски продолжалась всего пять минут, но она произвела сильное впечатление. Вскоре состоялся ланч, и за стол рядом со Сверженски села Изабель Даниэль, профессор геохимии из Лионского университета — 1. Ее думы тоже были захвачены свойствами мантийной воды, и она поделилась свежими данными о поведении карбонатных минералов в воде при экстремальных температурах и давлениях — сведениями, которые давали намек на диэлектрическую постоянную воды. Объединившись, Сверженски и Даниэль составили впечатляющий план исследований, который убедил DCO выделить часть ресурсов на изучение глубинной воды. Десятилетие спустя их инициатива привела к революции в нашем понимании глубинного углерода.
Определение диэлектрической постоянной воды при высоких давлениях и температурах мантии Земли — сложная задача, требующая усилий и на теоретическом, и на экспериментальном фронте. Исследования 2012 г., проведенные Джулией Галли и ее аспирантом Дином Пэном на базе Калифорнийского университета в Дэвисе, затрагивали теоретическую часть. Используя квантово-механическую модель, ученые рассчитали, что диэлектрическая постоянная воды растет до давления в 100 000 атм — значение, при котором карбонатные минералы, стабильные в земной коре, начинают растворяться в мантии. Этот важный результат указывает на то, что именно растворенный в воде углерод и может оказаться основным фактором глубинного углеродного цикла.
Тем временем Изабель Даниэль и ее группа в Лионе решили экспериментально проверить расчетные данные Галли. Используя замысловатую нагретую ячейку с алмазными наковальнями, исследователи определили, как карбонатные минералы растворяются в мантийных условиях. Эксперименты и расчеты дали весьма сходные результаты, и это указывало на непредвиденные ранее сложности в поведении глубинного углерода.
Вычисление значения диэлектрической постоянной воды в условиях мантии стало лишь началом понимания скрытого глубинного углеродного цикла. Новые оценки диэлектрической постоянной нужно было ввести в общую модель флюидов при высоких температурах и давлениях. Создателем этой вдохновляющей модели, получившей название «Глубинная вода Земли» (англ. DEW, от Deep Earth Water), и стал Димитри Сверженски.
Мало кто оказал столь же глубокое влияние на мою карьеру ученого. Мы со Сверженски впервые встретились более двух десятилетий назад в кампусе Университета Джонса Хопкинса, в его тихом офисе с окнами, выходящими на лесной ручей. Я обратился к нему за помощью, чтобы разобраться в сложном поведении биомолекул, взаимодействующих на поверхностях минералов, — непростой вопрос, который может оказаться чрезвычайно важным для понимания происхождения жизни. Он заинтересовался, но предусмотрительно оговорился, что разработанная им теория взаимодействий на поверхностях минералов хорошо подходит для отдельных, похожих на мячи, атомов металлов, а в решении гораздо более сложной проблемы молекул, с их сложными трехмерными формами, он еще не преуспел.
Перенесемся в 2006 г., когда уже сам Сверженски связался со мной. Он разобрался с проблемой молекулярной адсорбции, ему предстоял годичный творческий отпуск, и он хотел провести его в моей Геофизической лаборатории. Я был в восторге. Мы организовали лабораторию по изучению поверхностей минералов и следующее десятилетие радовались стабильному потоку прекрасных студентов, десяткам исследовательских работ и достаточному государственному финансированию. И по ходу дела мы оба оказались глубоко вовлеченными в проект DCO.
Мы с Димитри Сверженски быстро подружились — эта симпатия объяснялась, в частности, взаимной любовью к музыке. Сын «великого Сверженски», самого обожаемого преподавателя фортепиано по всей Австралии, он родился и вырос в Сиднее. Димитри — необыкновенный ученый. Скромный в своей сути исследователь с тихим голосом, он при этом блестящий творец, дотошный и скрупулезный, а еще Димитри весьма сдержан и не склонен к преувеличениям. Однако не будет преувеличением сказать, что его модель DEW сияет в венце главных достижений DCO — это успех, который продолжит приносить плоды еще долгое время по окончании программы.
Базирующиеся на модели DEW открытия, которые делаются во все возрастающем темпе, раскрывают поразительные факты о глубинном углеродном цикле Земли. Согласно предыдущим моделям, глубинные флюиды представляли собой просто смесь воды и углекислого газа, но Сверженски обнаружил, что атомы перестраиваются и формируют новые типы молекул, растворенных в сложном подземном супе. Многие из них — это ионные формы с положительными или отрицательными электрическими зарядами; следовательно, карбонатные минералы растворяются подобно соли, пуская в оборот углерод на глубине.
Также Сверженски убедительно продемонстрировал, что мантия Земли — это фабрика для синтеза органических молекул на основе углерода, тех молекул, что должны были сыграть свою роль в происхождении жизни. При определенных условиях в глубинах Земли образуется уксусная кислота, но, если температура или кислотность поменяются, в смеси станут преобладать природный газ и другие углеводороды. Недавние эксперименты, которые провела Изабель Даниэль, дают понять, что образуются гораздо более крупные углеродсодержащие молекулы, в том числе и экономически значимые компоненты нефти. Все эти результаты указывают на богатую и сложную глубинную органическую химию, о которой мы только сейчас начинаем узнавать.
Самое поразительное открытие Димитри Сверженски связано с происхождением алмазов, которые, как все думали, образуются, когда атомы углерода подвергаются экстремальному давлению, а вода в этом процессе не играет особой роли. Работая с аспирантом Фан Хуаном, Сверженски обнаружил, что алмазы столь же легко образуются в водных мантийных флюидах вообще без какого-либо изменения давления. В действительности к появлению кристаллов алмаза приводит простое повышение кислотности находящегося под давлением обогащенного водой раствора. На самом деле процессы, которые соответствуют ранее необъяснимым картинам роста природных драгоценных камней, — циклы роста и растворения алмаза — могли вызываться естественными колебаниями кислотности глубинной воды.
Эти и другие открытия указывают нам на активную область на глубине немногим более 100 км под нашими ногами — скрытое царство химических процессов, которое миллиарды лет играло важнейшую роль в глубинном углеродном цикле Земли. Но как мы можем убедиться в этом? Какими доказательствами на поверхности Земли могут подтвердиться смелые утверждения Сверженски?
Одно из самых дерзких и многообещающих открытий DEW — наглядная демонстрация того, что метан может в огромных количествах подниматься из мантии Земли, формируя гигантские резервуары в коре. Геологи в других частях света, особенно в России и Украине, долгое время настаивали на глубинном абиотическом происхождении большей части природного газа и других углеводородов. Однако многие геологи-нефтяники Соединенных Штатов и других нефтедобывающих регионов были категорически против этого представления: они указывали на большие резервуары, однозначно образовавшиеся из погибших растений, животных и микробов. Некоторые из нас долгое время подозревали, что этот спор, возможно усиленный враждой холодной войны и профессиональным соперничеством, является ложной дихотомией. Не исключено, что оба лагеря правы и метан может образовываться по-разному. DCO надеялась исследовать оба варианта.
Как нам проверить эти две соперничающие гипотезы происхождения метана — глубинное абиотическое против поверхностного биотического? Какая доля метана, если она вообще есть, образуется в результате химических процессов в горячей мантии в противоположность микробиологической активности гораздо более холодной коры? Как мы сможем распознать разницу? Разве все молекулы метана не одинаковы?
Все молекулы метана действительно имеют формулу CH4, но оказывается, что C и H образуют пары с разными «изюминками» — разными изотопами, которые делают исследование метана намного более интересным. Вспомните, что углерод, у которого всегда ровно шесть протонов (это уникальная характеристика углерода, которая отличает его от любого другого элемента), может иметь шесть или семь нейтронов, чтобы образовывать более распространенный углерод-12 (также пишут 12C) или несколько более тяжелый углерод-13 (13C). У водорода — первого элемента Периодической таблицы — всегда один протон, а нейтронов обычно нет. Однако примерно один из 6420 атомов водорода в океанической воде имеет-таки один нейтрон в более тяжелом изотопе водорода — дейтерии, который обозначается D.
Порядка 99 из каждых 100 молекул метана содержат один атом углерода-12, окруженный четырьмя обычными атомами водорода. Это самая естественная форма метана. Примерно одна молекула из 100 обладает более тяжелым углеродом-13, и только одна из 1500 содержит один атом дейтерия. Все становится еще увлекательнее, когда два тяжелых изотопа замещаются, образуя или 12CH2D2, или 13CH3D. Таких редких «дважды замещенных» молекул метана буквально одна на миллион. Так что, если вы тоже считали варианты, мы приходим к существованию пяти разновидностей метана, отличающихся изотопами.
Потрясающая новость для ученых DCO заключается в том, что прояснить происхождение метана могут как раз соотношения этих разных сочетаний изотопов. Важную роль в этих соотношениях играет температура, а также биологическая история образца. Теоретики предполагают, например, что метан, образовавшийся при более высокой температуре, будет содержать немного больше 12CH2D2, а в метане, образованном микробами, обычно относительно мало 13CH4. Чтобы узнать побольше о происхождении метана, все, что нам нужно сделать, — это измерить соотношения пяти разных его видов в любом образце.
Ключ к тайнам метана — его молекулярная масса. У каждой из пяти разновидностей метана она своя, немного отличающаяся от других. В теории мы могли бы измерить массы миллионов отдельных молекул метана, чтобы определить их относительное количество и таким образом узнать их происхождение. На практике это не так-то просто.
Многие лаборатории обычно определяют распространенность 12CH4 и 13CH4, которые различаются по массе примерно на 6%. Это относительно легкое лабораторное исследование. Но, когда мы в 2008 г. основали Обсерваторию глубинного углерода, еще не было методов измерения крошечного количества 12CH2D2 или 13CH3D в образце; это представляло огромную техническую проблему, поскольку две редкие разновидности метана отличаются друг от друга по массе менее чем на 0,01%. Никакой существующий на тот момент инструмент не обладал достаточной чувствительностью для проведения подобных измерений, так что еще в самом начале программы мы решили создать новый прибор.
Руководство взял на себя Эдвард Янг из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, а работал он с инженерами британской компании Nu Instruments из Рексема в Северном Уэльсе. Разработчики использовали традиционный подход на базе масс-спектрометрии, которая основана на разделении разных видов молекул метана с помощью магнитов. Метод заключается в том, чтобы ионизировать метан — поместить электрический заряд на каждую молекулу для ее ускорения в электрическом поле, а затем изменить траектории этих ускорившихся молекул с помощью мощного магнита. Более тяжелые молекулы метана перемещаются медленнее и отклоняются слабее, нежели их менее массивные компаньоны.
Янг с коллегами довели эту технологию разделения по массе до предела возможностей. Чтобы достичь требуемых разделения и чувствительности, они разместили пару больших изогнутых металлических пластин и трехтонный магнит в тандеме, породив этим чертовски сложную проблему для ионной оптики. Магниты, электромагнитные линзы и фильтры нужно было выстроить таким образом, чтобы ионизированные молекулы 12CH2D2 и 13CH3D пролетели через вакуум по изогнутой траектории и поразили различные цели. Получившаяся в итоге машина размером с комнату, названная «Панорама», оказалась очень рискованным предприятием, стоившим Эду Янгу и его коллегам нескольких лет работы и более 2 млн долларов. Но это сработало.
Шестого ноября 2014 г. ученые DCO провели в уэльском центре разработки первый успешный эксперимент, в котором одновременно определили молекулы 12CH2D2 и 13CH3D. «Панорама» прекрасно выделила два крошечных изотопных пика из образца промышленного уэльского угольного газа. Вскоре прибор перевезли в Калифорнию; первые исследования природных образцов и первые публикации появились в 2015 г. Некоторые из нас немного нервничали по поводу больших вложений, но Эд Янг оставался невозмутимым. «Я знал, что это сработает», — вспоминает он. Эд относится к «Панораме» философски: «Люди любят говорить, что хорошая наука не должна зависеть от приборов, но время от времени прорывы в инструментарии продвигают нас вперед в нашей науке. Я думаю, разработка этого инструмента как раз такой случай».
Несмотря на то что DCO поддерживала разработку «Панорамы», мы подстраховались. Сюхей Оно, только что назначенный ассистент-профессором в Массачусетском технологическом институте и специалист по работе на традиционных масс-спектрометрах, в течение нескольких лет пытался разработать радикально новый вид измеряющей изотопы техники, основанный на лазерной спектроскопии.
Сюхей научился объяснять принцип квантово-каскадной лазерной спектроскопии лаконично, всего в нескольких элегантных слайдах в PowerPoint. Молекулы газа вроде метана поглощают узкополосный свет сотен различных длин волн. Это является следствием точно настроенных колебаний электронов. На определенных гармонических частотах будут резонировать как струны скрипки, так и электроны атомов. Эти длины волн чрезвычайно чувствительны к изотопному составу молекулы. Замените 13C на 12C или D на H, и резонансы сильно изменятся.
Используя мощный настраиваемый лазер, Оно полагал, что сможет вычислить отношение нормального метана к 13CH3D. Если бы ему удалось измерить интенсивность поглощенного света достаточно чувствительным спектрометром, который разделял бы характеристические длины волн разных видов метана, то у нас появилась бы альтернатива в выборе инструментария. Более того, лазерная установка гораздо дешевле и ее можно в конечном счете уменьшить до сравнительно портативной версии, возможно даже такой, которая могла бы слетать когда-нибудь на Марс.
На бумаге идея была отличной, но разработка новых приборов требует денег, а традиционные спонсирующие организации как-то неохотно инвестировали в неопробованное спектроскопическое устройство. В 2012 г. DCO выделила Сюхею скромный грант в 100 000 долларов. Этого было недостаточно, чтобы создать новый инструмент, но оказалось достаточным стимулом, чтобы привлечь других людей. За год Сюхей создал свой прибор и получил первые результаты.
Устройство работало даже лучше, чем он себе это представлял. Острые пики позволяли разделить изотопные разновидности метана, а интенсивность этих пиков соответствовала относительным количествам. Теперь в нашем распоряжении имеются две взаимодополняющие техники и исследования изотопов в небольших молекулах газа идут полным ходом. Новые результаты по кислороду и углекислому газу уже опубликованы, а перспективы постижения Земли и ее углеродного цикла никогда еще не казались такими ясными.
По мере того как поступает все больше данных, приходит понимание, что история метана сложна и полна нюансов. Некоторые образцы — преимущественно биотические и холодные, другие — глубинные и горячие. Но многие пробы метана, в том числе полученные из столь разных источников, как нефтяные скважины, глубоководные микробы и коровы, показывают распределение пяти разновидностей метана, предполагающее неравновесное смешение газа из разных источников. Это уже не вызывает у нас недоумения, поскольку мы в DCO сейчас понимаем, что изотопные варианты метана и многих других небольших молекул могут раскрыть такое богатство сведений о глубинном углероде, которое раньше и вообразить не могли.
Значительная доля углерода, уходящего вниз, в мантию Земли, в конечном счете возвращается обратно наверх. Некоторая его часть — в виде активных молекул углекислого газа — рассредоточенно просачивается наружу сквозь большие пространства суши над глубинными зонами, в которых тепло или флюиды медленно высвобождают углерод из горных пород. Земная кора выдыхает метан. Скрытые и зачастую не отмеченные на карте залежи богатого метаном льда, частично погребенные в арктической многолетней мерзлоте, а частично (этих еще больше) залегающие среди осадочных отложений континентальных шельфов, высвобождают метан, когда тают при нагревании. Также небольшое количество метана вырабатывают микробы, термиты и коровы. Углекислый газ как побочный продукт метаболизма выдают на-гора все животные, которые дышат воздухом. Но перечисленные источники едва заметные и скромные даже на местном уровне, их сложно измерить и учесть в глобальном масштабе. Зато вулканы, в свою очередь, извергают очень много насыщенных углеродом газов.
Гора Этна на восточном побережье Сицилии — самый большой в мире точечный источник углекислого газа, выпускающий в среднем около 5000 т CO2 в день, с отдельными выбросами, приближающимися к 20 000 т в день во время крупных извержений. Такое интенсивное выделение газов — следствие разложения плотных толщ известняка, сквозь которые проходит лава Этны.
Однако и многие другие вулканы — даже те, которые находятся далеко от карбонатных пород, — выпускают в воздух сотни тонн CO2 в день, причем бóльшая часть этого углекислого газа образовалась в глубокой мантии. Все вулканы в совокупности, скорее всего, являются самым большим природным источником углекислого газа в атмосфере. Но насколько большим?
Все вулканы вырабатывают углекислый газ, когда бурлят и выпускают пар, — одни меньше, другие больше. Но сколько всего CO2 выбрасывается в небо? А скорость выхода постоянна или это что-то вроде обогащенной углеродом вулканической икоты? И когда образуется больше углерода — при медленном и стабильном фоновом высвобождении или при случайном взрывном событии? Учитывая значение, придаваемое углекислому газу в воздухе, особенно той роли, которую играет человеческая деятельность в изменении состава атмосферы, не лучше ли нам узнать, чем же являются вулканы — преобладающим источником или просто всплесками на фоновом уровне?
С самого своего основания Обсерватория глубинного углерода предпринимала согласованные на глобальном уровне попытки регистрации выбросов вулканических газов. Ученые DCO поддерживали разработку новых приборов — легких портативных газовых сенсоров с круглосуточным радиослежением, лабораторных инструментов для химического и изотопного анализа газа и даже чувствительных к углероду дронов для доступа к опасным и удаленным местам. Скоординировав экспертов со всего мира, они учредили проект DECADE (Deep Earth Carbon Degassing). DECADE объединил усилия с международным научным проектом NOVAC (Network for Observation of Volcanic and Atmospheric Change) — объединением местных организаций, которые оснастили исследовательской техникой более 40 вулканов на пяти континентах. Увязать цели и интересы правительств на пяти континентах нелегко, но ставки в игре по мониторингу вулканов очевидны и высоки.
Достоверно измерить количество CO2, выбрасываемого вулканом, чрезвычайно сложно. Прежде всего потому, что атмосфера уже содержит около 400 молекул CO2 на миллион, так что вклад вулканов заключается в лучшем случае в скромном локальном увеличении повсеместно высокого фона. Более того, вулканические газы весьма изменчивы. Они выбрасываются толчками снизу, кружат и носятся туда-сюда вместе с ветрами. В таких условиях прямые измерения общего CO2, поступающего из действующего вулкана, почти невозможны.
Гораздо более надежную оценку общего выбрасываемого углекислого газа можно получить, измерив соотношение CO2 и еще одного газа — сернистого (SO2), который в значительном количестве (и очень зловонно) выделяется из многих вулканов. В общем и целом в земной атмосфере немного SO2, так что здесь нет соревнования с фоновым содержанием. Более того, SO2 создает сильный сигнал поглощения, поэтому гораздо легче измерить общую эмиссию этого газа да к тому же измерения можно делать даже со спутников. Иными словами, если вы сможете определить соотношение молекул CO2 и SO2 рядом с вулканом плюс общее количество SO2, вам будет несложно вычислить количество углекислого газа, выбрасываемого этим вулканом.
Установить на действующий вулкан приборы отслеживания газа может быть непросто и опасно. Ядовитые выбросы горячего газа, обжигающие потоки лавы, кипящие озера и летящие во все стороны вулканические бомбы — обычные для такого вулкана явления. Чтобы зафиксировать аппаратуру, вулканологам приходится надевать защитные шлемы и газовые маски. Они тащат тяжелое оборудование и взбираются на самые кромки кратеров, расположенных на вершинах опасных активных вулканических построек. Ученых с их оборудованием испытывают на прочность ветер, другие погодные условия и едкие вулканические газы. Экспериментальная станция DCO на Вильяррике в Чили была уничтожена во время извержения вулкана в марте 2015 г. Через год были также уничтожены приборы на краю кратера вулкана Поас в Коста-Рике, но они успели послать данные о стократном увеличении выбросов CO2 за несколько дней до извержения.
Вулканы непредсказуемы: они могут спать спокойно долгое время — годы, десятилетия, а затем начать извергаться с внезапной яростью. Вулканологи стекаются в эти опасные зоны, особенно во времена повышенной активности. Неудивительно, что вулканология — одна из самых смертельно опасных областей науки. Небольшое сообщество вулканологов, состоящее всего из нескольких сотен исследователей, понесло более 20 утрат в период между 1980 и 2000 гг.
Спросите вулканолога, и он расскажет вам истории о погибших друзьях. Дэвид Джонстон из Геологической службы США погиб в возрасте 30 лет утром 18 мая 1980 г., когда его наблюдательный пост в 9 км от кратера вулкана Сент-Хеленс накрыло огромное извержение. Его последними словами, переданными по радиосвязи, были: «Ванкувер! Ванкувер! Вот оно!». В тот роковой день Джонстон сменил на дежурстве своего коллегу Генри Гликена, 11 лет спустя тоже погибшего — при извержении вулкана Ундзэн в Японии. Его убил взрыв раскаленных газа и пепла, также унесший жизни французских вулканологов Кати и Мориса Крафт. Извержение вулкана Галерас в колумбийских Андах 14 января 1993 г. оказалось еще более смертоносным. В полевой экспедиции, которая должна была стать основной темой конференции по вулканологии, шестеро ученых и их спутники погибли под валом раскаленных булыжников, лавы и пепла, образованным внезапным извержением. Руководителя экспедиции, сорокалетнего Стэнли Уильямса из Университета штата Аризона, также чуть не убило. Один из летящих булыжников сломал ему обе ноги и почти оторвал правую ступню. Второй камень — размером с бейсбольный мяч — разбил ему череп, да так, что фрагменты кости застряли глубоко в мозге.
Почему же вулканологи отваживаются ступать на эти смертоносные территории, хорошо зная, что каждый их шаг в тени действующего вулкана может стать последним? Они вам это объяснят не колеблясь. Вулканы представляют собой одно из самых поразительных природных зрелищ, позволяющих заглянуть в глубокие активные недра Земли. Вулканологам доводится лицезреть самые отдаленные и красивые места на Земле; эти декорации, от которых захватывает дух, для некоторых становятся поистине духовным опытом, способным изменить их жизнь. Но вот что самое здесь важное: умение понимать поведение этих беспокойных гор, прогнозировать их извержения необходимо для более полумиллиарда людей, которые живут в шаговой доступности от действующих вулканов. И в этих поисках ключом является углерод.
Вулканолог Мари Эдмондс годами изучает действующие вулканы — а началось ее увлечение в 1980 г. с телевизионной передачи BBC об извержении вулкана Сент-Хеленс. «Мне было всего пять лет, — рассказывает она, — но у меня остались яркие воспоминания о рядах поваленных деревьев, вырванных с корнем боковой ударной волной». Подбадриваемая своей семьей и преподавателями, Мари серьезно занималась наукой и музыкой (как концертирующая пианистка). Наука взяла верх, но тогда Эдмондс стала разрываться между изучением Земли и астрономией (Мари хотела стать астронавтом), пока геология не победила в предвыпускной год.
Работая ныне в Кембриджском университете, где в свое время она окончила бакалавриат, а потом получила и степень PhD, Эдмондс ведет жизнь, полную приключений. После защиты диссертации Мари работала в вулканических обсерваториях на Карибах и Гавайях и участвовала в экспедициях на многие действующие вулканы: пробудившийся в 2004–2005 гг. Сент-Хеленс, извергавшуюся в 2006 г. Августину на Аляске и исключительно опасный Суфриер-Хиллс на карибском острове Монтсеррат. Полевая работа Эдмондс была временами весьма рискованной. Непредсказуемые взрывные извержения Суфриер-Хиллс были достаточно серьезными, но самую большую опасность представляли неисправные вертолеты. «Как-то дверь вертолета, которая была прямо рядом со мной, отвалилась и пролетела в десятке сантиметров от хвостового винта, чуть не задев его. В другой раз один из двигателей заглох. Мы делали много такого, чего я определенно не стала бы делать сейчас, когда у меня есть дети, которые во мне нуждаются!»
В своих изысканиях Эдмондс фокусирует внимание на том, что возвращается обратно наверх. В одном важном исследовании, опубликованном в журнале Science в 2017 г., Эдмондс работала с другой выпускницей Кембриджа — Эмили Мейсон (которая сейчас готовится к получению степени PhD), изучая углерод, выбрасываемый отдельным семейством островодужных вулканов — цепочки вулканических островов, которые формируются там, где сталкиваются две океанические литосферные плиты. Когда в зоне субдукции одна плита ныряет под другую, влажные погребенные породы нагреваются, частично плавятся и образуют магму, которая поднимается, выстраивая изогнутую линию вулканов; примером этого служат Алеутские острова на Аляске. Эта цепочка длиной в 1770 км включает в себя десятки вулканов, иные из которых извергаются чуть ли не каждый год. Все эти величественные пики испускают углекислый газ. Эдмондc и Мейсон захотели узнать его источник.
Исследовательницы сосредоточили свое внимание на изотопах. Я о них уже много говорил выше. Тяжелый углерод, в котором содержание углерода-13 выше среднего, происходит из карбонатных минералов, которые разложились до CO2 под действием тепла. Более легкий углерод образовался, вероятно, биологическим путем — посредством разложения некогда живых клеток. Но сами по себе изотопы углерода не дают полной картины, поскольку все тяжелые карбонаты выглядят одинаково, будь то подвергшиеся субдукции, а затем вновь поднявшиеся из глубин, или гораздо более поверхностные, которые случайно оказались на пути горячей магмы.
Эдмондс и Мейсон решили проблему глубины происхождения карбонатов, вглядевшись в изотопы гелия: более легкий гелий-3 приходит из мантии Земли, тогда как гелий-4 сконцентрирован скорее в коре. Во многих вулканических зонах, включая Италию, Индонезию и Новую Гвинею, исследовательницы обнаружили характерные признаки тяжелого гелия, указывающие на известняк земной коры — т.е. не участвовавшие в субдукции карбонаты — как главный источник извергаемого углекислого газа.
Это очень важный вывод. Если солидная доля углекислого газа, выбрасываемого из вулканов, имеет поверхностное происхождение, тогда получается, что большое количество переработанного на глубине углерода не выходит обратно наверх через вулканы. А значит, в зонах субдукции погружается и изымается из оборота намного больше углерода, чем мы ранее думали. «Мы поймали немного углерода, которого не было в исходном уравнении, — объясняет Эдмондс. — Так что вывод такой: в мантию может возвращаться больше углерода, чем считалось раньше».
Сегодня Земля может похвастаться более чем 2000 вулканов, львиная доля которых классифицируется как спящие: это значит, что они время от времени выбрасывали лаву и пепел в течение минувших нескольких тысячелетий, но маловероятно, что снова взорвутся в ближайшее время. Нас больше заботят те 500 или около того действующих вулканов, которые извергаются регулярно: в некоторых случаях это ежедневные залпы пепла и пара, в других — страшные взрывные события раз в сотню-две лет. Они действительно опасны, но человеческая память коротка. Иначе зачем десяткам тысяч людей жить неподалеку от Неаполя в домах, выстроенных по склонам Везувия, — вулкана, который похоронил Помпеи под своим смертоносным пеплом 2000 лет назад? Зачем возводить жилые кварталы прямо по бокам вулкана Килауэа на крупнейшем острове Гавайев, где неумолимые потоки лавы регулярно ровняют с землей шикарные дома — последний раз это произошло весной и летом 2018 г.?
Еще страшнее взрывные извержения ядовитых газов и пепла — пирокластические потоки, которые могут хлынуть вниз по вулканическим склонам со скоростью, близкой к сверхзвуковой. Множество населенных пунктов и мест скопления людей — от жилых домов на Карибских островах и Филиппинах до международного аэропорта Сиэтл/Такома в штате Вашингтон — лежат прямо на пути хорошо описанных пирокластических потоков. Сотни миллионов людей по всему миру живут в смертельно опасных зонах действующих вулканов. Еще несколько сотен миллионов подвергаются более удаленной опасности в виде вулканических газов и пепла, которые влияют на качество воздуха и периодически прерывают авиасообщение.
С учетом столь угрожающих катастроф кажется вполне разумным присматривать за теми вулканами, которые имеют наибольший разрушительный потенциал. Поскольку очень многие из них подают признаки того, что вот-вот извергнутся, за самыми опасными постоянно наблюдают государственные службы и специализированные лаборатории. В набор типичных измерительных устройств входят сейсмологические приборы, распознающие подповерхностные движения магмы, которые предшествуют любому извержению; инклинометры, которые улавливают подъем кровли приповерхностных магматических камер в момент заполнения их расплавом; наконец, температурные датчики, которые регистрируют увеличение теплового потока, когда лава поднимается из глубин.
Вулканы изменяют окружающую среду и другими способами — обеспечивая нас при этом сигналами, которые, возможно, возвещают об извержениях. Одной из таких ключевых подсказок могут быть вулканические газы. Ученые из проекта DECADE обнаружили, что перед многими извержениями в этих газах резко возрастает отношение вулканического CO2 к сере. Это открытие еще раз подчеркивает взаимосвязанность научных исследований: ученые хотели отследить выделение углекислого газа из вулканов, чтобы понять нечто фундаментальное об углеродном цикле Земли — процессе, который сформировал изначальную земную атмосферу и продолжает формировать ее сегодня, — а в итоге в ходе своих исследований нашли простой и действенный подход к предсказанию вулканических извержений.
Алмазы, как редкие большие, так и маленькие, представляют наименьшую долю того углерода, который поднимается из глубин в процессе вулканических извержений. Однако, поскольку они такие упрямые и непроницаемые, растут в скрытой мантии Земли, а затем выносят признаки условий своего роста на поверхность, истории алмазов о глубинном углеродном цикле уникальны — и им придется рассказать нам эти истории.
Алмазы хранят в себе два убедительных признака циркулирования шестого элемента: газово-жидкие включения и изотопы. Мы уже говорили о включениях крошечных зеленых, красных и черных минералов в алмазах, но не все включения кристаллические. Мельчайшие запечатанные капли богатых водой и углеродом жидкостей раскрывают природу флюидов, струящихся вниз с поверхности Земли и претерпевающих сложные реакции на глубине. Недавно обнаруженные такие включения подтверждают удивительные теоретические и практические открытия, свидетельствующие о том, что на мантийных глубинах образуются богатые углеродом флюиды новых типов. Причем подобно тому, как не смешиваются между собой нефть и вода, в одном включении могут сосуществовать два очень разных флюида. В алмазах присутствует недвусмысленное доказательство того, что некоторые похожие на нефть углеводороды образуются на глубинах в сотни километров, за пределами царства живых клеток.
Изотопы углерода, из которого состоят алмазы, также содержат указания на удаленные древние источники их атомов. Подавляющее большинство алмазов, возможно 90% проанализированных камней, имеют изотопный состав, типичный для мантийного углерода. Примечательно, что небольшая выборка относительно молодых алмазов (под «молодыми» я имею в виду те, возраст которых не превышает нескольких сотен миллионов лет) образовалась из легкого углерода, который не содержит тяжелый изотоп углерод-13. Для любого образца, найденного вблизи поверхности Земли, такой признак будет считаться безошибочным свидетельством того, что эти атомы углерода по крайней мере единожды прошли через живые клетки. Но что насчет алмазов, обогащенных легкими изотопами? Они рассказывают ту же историю? Обитали ли когда-нибудь их атомы углерода в живых клетках, некогда погибших и захороненных, а затем погрузившихся в глубокие недра Земли и там преобразовавшихся в драгоценные камни? Вопрос все еще открыт, но «живой» источник углерода во многих алмазах не удивил бы тех из нас, кто начинает видеть отблески необыкновенного глубинного цикла углерода Земли.
Способ, которым жизнь изменяет глобальный углеродный цикл, по-прежнему в центре внимания. За миллиарды лет Земля, похоже, нашла баланс между тем углеродом, что погрузился глубоко в недра, и тем, что выделяется из вулканов, — это процессы, которые помогают стабилизировать климат и окружающую среду. Но насколько устойчиво это непрекращающееся циркулирование? Нет такого закона природы, который требовал бы, чтобы количество углерода, уходящего вниз, — запертого в горных породах, погребенного в осадочных отложениях и погрузившегося в процессе субдукции в мантию, — было бы точно равно тому количеству, которое возвращается на поверхность при вулканических извержениях или другими, более спокойными способами. Но нет и вопроса более насущного для Обсерватории глубинного углерода, чем этот баланс между тем, что уходит вниз, и тем, что возвращается обратно наверх.
Так в равновесии ли углеродный цикл Земли? Исследования Мари Эдмондс позволяют предположить, что многие зоны субдукции захоранивают большое количество своего углерода в глубоких недрах. Терри Планк же делает противоположный вывод — обособить углерод посредством субдукции чрезвычайно сложно, это скорее исключение, чем правило. И кто прав?
В 2015 г. двое из наиболее широко мыслящих руководителей DCO — Питер Келемен из Колумбийского университета и Крэг Мэннинг из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе — попытались свести все данные в одну изящную диаграмму глубинного углеродного цикла, своего рода музыкальную фразу глубин Земли, составленную с использованием хрестоматийных численных значений углеродного цикла. Эта стильная диаграмма снабжена полудюжиной красных стрелок, каждая из которых представляет собой важнейшие потоки углерода между поверхностью и глубинами, каждая сопровождается одним или несколькими прямоугольничками с величинами этих углеродных потоков в мегатоннах углерода в год. Иллюстрация эта, которая сейчас используется на сотнях семинаров и лекций DCO, стала иконографическим изображением того, сколько нам еще нужно узнать об углероде Земли.
Среди этих стрелок или прямоугольничков нет таких, которые были бы определены точно и однозначно. Келемен и Мэннинг оценивают общий углерод, выделяемый из срединно-океанических хребтов и океанических островных вулканов в диапазоне от 8 до 42 Мт в год; поток из вулканов островных дуг — между 18 и 43 Мт в год. Минимальная оценка количества погруженного при субдукции углерода, который быстро возвращается в кору и воздух, составляет 14 Мт в год, максимальная — почти в пять раз больше. И самое отрезвляющее: подсчитанный результирующий поток углерода с поверхности Земли в глубокие недра варьирует где-то между поразительно высокими 52 Мт в год и практически нулем — ничем!
Мы видим признаки того, что баланс земного углерода может смещаться. За 4 млрд лет наша планета остыла, поэтому карбонатные минералы, которые, вероятно, однажды разрушились под действием близповерхностного тепла, сейчас могут переживать субдукционное погружение при более прохладных современных условиях. Жизнь также меняет это равенство, она продолжает осваивать новые трюки, изолируя углерод в черных сланцах, ракушечнике, угле и планктонном иле. Меняется климат, меняется химия океанов, соответственно, меняются механизмы и скорости движения углерода.
Это просто удачное стечение обстоятельств, что в течение большей части истории Земли общий углерод, уходящий глубоко вниз при субдукции, более или менее уравновешивался тем углеродом, что выходил на поверхность из вулканов и других источников. Следовательно, жизнь никогда не оставалась внакладе, когда ей требовалось найти достаточное количество углерода для толстых водорослевых матов и густых тропических лесов.
Хотя вопрос еще находится в стадии обсуждения и требуется провести намного больше исследований, некоторые ученые приходят к взвешенному заключению, что сейчас этот баланс, возможно, сместился. Благодаря карбонатному планктону в осадочных отложениях океанов накапливается больше углерода, чем в большинстве предыдущих эонов. Некоторая часть этого углерода, возможно, уже начала долгое путешествие в скрытые глубины мантии. Плюс к этому из-за произошедшего за последние более чем 4 млрд лет охлаждения Земли погруженный при субдукции карбонат не так легко разрушается, чтобы произвести тот углекислый газ, который возвращается на поверхность через вулканы. Не все, что уходит вниз, обязательно возвращается наверх. Цифры неизвестны, но бóльшая часть вычислений указывает на то, что поверхностный углерод, возможно, захоранивается все быстрее и быстрее — со скоростью, которая может истощить территорию жизни всего за несколько сотен миллионов лет. Не теряйте сон из-за этой угрозы, это очень постепенные геологические изменения. Но урок ясен. Углеродный цикл Земли продолжает меняться и удивлять.
Это не значит, что мы можем игнорировать проблемы, связанные с углеродом. Если вы все-таки собираетесь потерять сон из-за изменяющегося углеродного цикла — смотрите не на Землю, а на себя.
Войти с помощью соц. сетей: