Вселенная внутри нас. Что общего у камней, планет и людей - Нил Шубин

Если смотреть на вещи так, то становится ясно: содержание углерода в воздухе определяется тонким равновесием. Атмосферный углерод смешивается с водой и выпадает в виде чуть кисловатых осадков. Последствия этого мы наблюдаем ежедневно. Здания Чикагского университета построены в основном в конце XIX века, но многие химеры на водостоках уже «потеряли лицо». Кислотные дожди разъедают камни, где бы те ни находились: на склонах гор, в галечных россыпях или прибрежных утесах. Когда кислотные дожди разрушают камни, из них тоже выделяется углерод, а обогащенная углеродом вода стекает в ручейки, реки и в конечном счете в океаны. Здесь углерод включается в тела и клетки морских обитателей: моллюсков, рыб и планктона. Остатки этих существ, содержащие углерод, оседают на океаническом дне и становятся его частью. И, как нам известно благодаря исследованиям Мэри Тарп, Брюса Хейзена и Гарри Гесса, морское дно подвижно, что обуславливает круговорот веществ в земных недрах.

В результате этой совокупности процессов углерод удаляется из атмосферы и поступает в горячие недра Земли. Если бы этот процесс был однонаправленным, в воздухе не осталось бы углерода и Земля, лишившаяся согревающей газовой оболочки, замерзла бы. Однако этого не происходит: существует механизм, обеспечивающий круговорот углерода. Из земных недр углерод выбрасывается обратно в атмосферу в составе вулканических газов. Именно извержения вулканов являются основным источником углерода, который мы вдыхаем. Обычно вулканы выбрасывают огромные количества водяного пара, диоксида углерода и других газов: согласно некоторым оценкам, ежегодно они поставляют в атмосферу свыше ста двадцати миллионов тонн диоксида углерода.

Миллионы лет углерод попадает в атмосферу в составе вулканических выбросов, а затем постепенно возвращается на дно океанов в виде минеральных отложений, и цикл повторяется. Эта связь осуществляется посредством кислотных дождей, которые выводят углерод из воздуха и смывают в океан, где он включается в осадочные породы.

В этой цепи событий каждая стадия понятна, но конечный результат удивителен: выходит, что эрозия гор связана с климатом. Эрозия гор под действием кислотных дождей выступает в роли гигантской губки, собирающей углекислый газ. Снижение количества углекислого газа в атмосфере приводит к снижению температуры на планете. С другой стороны, события, повышающие содержание углерода в воздухе (усиление вулканической активности или замедление выведения углекислого газа из воздуха), очевидно, способствуют повышению температуры. При прочих равных условиях усиление эрозии снижает температуру, а ослабление эрозии ее повышает.

Круговорот углерода связывает горные породы с изменениями климата и в конечном счете объясняет парадокс Сагана о Солнце. Температура на планете сохраняется в узком диапазоне благодаря перемещению углерода между воздухом, дождем, горами и вулканами. При жаркой погоде усиливается эрозия горных пород, что активирует процесс выведения углерода из атмосферы и приводит к снижению температуры. Затем цикл идет в обратную сторону: снижение температуры ослабляет эрозию и увеличивает содержание углерода в атмосфере, что приводит к повышению температуры. Наличие жидкой воды на нашей планете возможно только благодаря этому равновесию. Иначе не было бы ни нас самих, ни окружающей среды, от которой мы зависим. Жидкая вода служит своеобразным индикатором вроде канарейки в шахте. Если жидкой воды слишком много или слишком мало, это указывает на долгосрочный сдвиг в функционировании планеты, на то, что у нее «жар» или «озноб».

Что же произошло около сорока миллионов лет назад, когда Земля стала замерзать у полюсов? Похолодание произошло в то же время, что и сильное снижение уровня углерода в атмосфере. Возникает вопрос: почему изменился уровень углерода?

Морин Раймо поступила в университет, чтобы изучать климат и влияющие на него геологические процессы. И, подобно Аррениусу, написала диссертацию, вызвавшую у рецензентов бурную реакцию. Один из них назвал работу «полной ерундой».

Путь Раймо начинался, как путь любого другого студента: она слушала лекции по основным дисциплинам, касающимся ее предмета. В 80-х годах на семинарах по геологии много говорили о связи температуры на Земле с балансом углерода. В классической статье Роберта Бернера, Антонио Ласаги и Роберта Гаррелса обсуждались химические детали этой зависимости. Для краткости статью называли BLaG — по первым буквам фамилий авторов. Все читали BLaG, все пытались сверять с BLaG свои гипотезы, хотя абсолютно все, включая авторов, понимали, что блестящая статья все еще требует детализации.

Раймо слушала обычный курс лекций, на которых излагались соображения BLaG. Кроме того, она слушала лекции об образовании рек и гор и о тектонических процессах. И, в отличие от остальных студентов-геологов, она сумела логически все это связать.

Известно, что резкое понижение температуры на планете началось сорок миллионов лет назад, но не был известен геологический механизм, вызвавший это изменение. Столь сильное похолодание могло быть вызвано лишь массированным выведением углерода из атмосферы, которое, в свою очередь, могло произойти только в результате какого-либо глобального изменения.

Раймо смотрела на глобус и вспоминала лекции по тектонике. Глобальное похолодание началось в период кардинального поворота в истории планеты. Именно тогда континентальная плита, в состав которой входил полуостров Индостан, перемещавшаяся к северу в течение сотен миллионов лет, въехала в Азию. Результат этого соударения можно сравнить со столкновением двух пачек бумаги на поверхности стола: бумага изгибается и задирается кверху. Аналогичным образом столкновение континентов привело к возникновению Тибетского нагорья и Гималаев.

Научный руководитель Раймо (не тот, который назвал ее работу ерундой!) размышлял, как новый горный хребет мог изменить направление ветров или способствовать усилению штормов. Раймо же заинтересовалась тем, как новый горный хребет и плато могли повлиять на температурный баланс на планете.

Тибетское нагорье — широкое пустынное пространство, состоящее практически из одних голых скал. Высота плато — больше трех с половиной тысяч метров. Здесь сконцентрировано свыше 82 % площади обнаженных каменных пород планеты. Появление такого горного массива привело к усилению эрозии его поверхности. Когда мы смотрим на Гималаи, большинство из нас видит череду мрачных гор, а Раймо увидела в них гигантский «пылесос», вытягивающий углекислый газ из атмосферы, и реки, уносящие углерод в океан. Вслед за снижением содержания углерода в атмосфере началось похолодание. Образование Тибетского нагорья охладило Землю, и произошло это в результате удаления углерода из воздуха за счет эрозии горных пород.

Теория Раймо объясняет множество фактов, но ее доказательство больше напоминает уголовный процесс на основании косвенных улик, а не строгий математический расчет. Решить вопрос можно только при наличии независимых подтверждений и доказательств. Раймо предсказала следующее: для подтверждения теории нужны инструменты, способные соотнести скорость подъема плато (и уровень эрозии) с количеством углерода в воздухе. В древних породах есть специфические высотометры — чувствительные к высоте растения. Во время подъема плато уровень углерода в воздухе упал, но мы все еще не можем с достаточной точностью соединить между собой все детали, чтобы доказать эту теорию. Еще предстоит ответить на вопрос, достаточно ли было эрозии Тибетского нагорья для изменения климата на Земле — или похолоданию способствовали какие-то другие механизмы.