В течение длительного периода времени, исчисляемого сотнями тысяч и миллионами лет, явления, связанные со свободным углеродным циклом, имеют фундаментальное значение для климата и поддержания благоприятных для жизни условий на поверхности нашей планеты. Это название циркуляции углерода между атмосферой и литосферой, состоящей из выветривания горных пород, образования морских отложений и вулканизма. Вулканы ежегодно вводят в быстрый углеродный цикл около 200-300 миллионов тонн CO 2 (или 0,055-0,085 ГтС).
Если бы эти выбросы накапливались в быстром углеродном цикле, через несколько сотен тысяч лет они удвоили бы количество циркулирующего в нем углерода, и концентрация CO 2 в атмосфере постоянно увеличивалась бы. Ничего подобного, однако, потому что вулканические выбросы компенсируются выветриванием скал и образованием отложений. Вулканы выделяют углекислый газ в атмосферу. Растворяясь в каплях воды в атмосфере, он образует слабокислый раствор, который падает с дождем на силикатные породы, образовавшиеся в результате вспышек магмы, такие как базальты и граниты, реагирует с ними, в которой образуются карбонат кальция и диоксид кремния:
CaSiO 3 + CO 2 (водн.) → CaCO 3 + SiO 2
CaCO 3 и SiO 2 являются типичными осадочными породами, образующимися при низких температурах из компонентов, растворенных в воде. Затем следует выветривание известняковых пород в реакции, являющейся зеркальным отражением реакции, в которой образуются известняковые раковины, т.е.
CaCO 3 + CO 2 + H 2 O → Ca 2+ + 2HCO 3
Ионы кальция и бикарбоната стекают по рекам в океаны, где такие организмы, как кораллы, дырки, моллюски и ракообразные, поглощают их из морской воды и строят из них свои скелеты (если подкисление океана не мешает им). Через некоторое время их мертвые тела опускаются на дно океана и накапливаются в отложениях. Постепенно в масштабе десятков и сотен миллионов лет известняковые отложения, превращенные в процессы субдукции, втягиваются глубоко в Землю, где под высоким давлением и температурой они подвергаются процессу, обратному выветриванию горных пород.
Освобожденный в этих реакциях, СО 2 может найти свой путь к поверхности земли в качестве ингредиента или добавки вулканического газа источника горячей воды на дне океана.Если бы не выветривание скал, вулканический CO 2 накапливался бы в атмосфере Земли, дестабилизируя ее климат и превращая Землю во вторую Венеру. С другой стороны, если бы не вулканическая активность, выветривание скал удалило бы весь содержащийся в атмосфере углекислый газ и превратило бы нашу планету в снежный ком. Даже небольшого дисбаланса между этими потоками СО2 достаточно, чтобы климат планеты попал в одно из этих экстремальных состояний. К счастью, климатическая стабильность Земли является результатом не случайного уравновешивания лезвия ножа, а эффективного стабилизирующего механизма (т.е. отрицательной обратной связи) - так называемого углеродного термостата.
Вулканические выбросы, которые определяют количество угольного потока, введенного в быстрый углеродный цикл, зависят от странствий по континентам, случайных ударов астероидов, но почти не влияют на нынешний климат. Тем не менее, объем потока углерода, удаленного в результате процессов выветривания, имеет существенную связь с климатом. Реакции выветривания горных пород сильно зависят от температуры и влажности.
При высоких температурах они идут намного быстрее. При низких температурах реакции выветривания замедляются, что дополнительно вызвано снижением влажности и выпадением осадков, связанных с более холодным климатом. В крайнем случае отсутствия осадков (например, в пустынях, областях, покрытых ледниковыми покровами или планетах без жидкой воды), процессы выветривания вообще не происходят.
Процесс выветривания горных пород удаляет избыток CO 2 из атмосферы, но для этого требуются сотни тысяч лет. Предположим, что по какой-то причине температура поверхности Земли повысится, потому что, например, солнечная активность или вулканы увеличат количество выбрасываемого в атмосферу CO2, усиливая парниковый эффект. В этой ситуации вентиляционные процессы ускорятся и удалят CO2 из атмосферы быстрее, что приведет к снижению парникового эффекта и стабилизации температуры.
Что происходит, если по какой-то причине температура падает (например, уменьшается солнечная активность или ослабляется вулканическая активность)? В этой ситуации снижение температуры замедлит реакции выветривания, и уменьшит CO 2 в атмосфере усиливая парниковый эффект. Поэтому можно ожидать, что во время эпизодов высокой вулканической активности, связанных с блужданием и распадом континентов, климат нашей планеты должен нагреваться, а во время столкновений континентов, когда горные цепи поднимаются, становиться холоднее.
Насколько эффективен механизм стабилизации климата с помощью углеродного термостата? Мощность Солнца увеличилась за последние сотни миллионов лет, что привело к постепенному снижению концентрации СО 2 в атмосфере. Давайте объединим эти эффекты вместе, рассчитав парниковый эффект СО 2 и изменения солнечной активности на изменения в радиационном воздействии, выраженные в Вт / м 2.
Оказывается, что в течение большей части последних 400 миллионов лет общее радиационное воздействие Солнца и углекислого газа, присутствующего в атмосфере, колебалось в небольшом диапазоне ± 5 Вт / м 2, лишь время от времени достигая ± 10 Вт / м 2. Механизм углеродного термостата работает эффективно, но довольно медленно - стабилизируя концентрацию CO 2 и климат длится от сотен тысяч до миллионов лет, а возмущения, характеризующиеся более коротким временным интервалом, такие как ледниковые периоды или текущее сжигание ископаемого топлива, слишком коротки, чтобы этот механизм работал эффективно.
Колебания, связаны как с изменением вулканической активности, вызванным движениями литосферных плит (например, с более высокой вулканической активностью в периоды юры и мела и ранний кайнозой), так и с изменениями факторов, влияющих на выветривание силикатных пород. Свежеподнятые горные хребты выветриваются гораздо быстрее, чем равнина, покрытая толстым слоем почвы, изолирующим силикатные породы земли от эрозии. С одной стороны, растения ограничивают скорость выветривания, с другой стороны, они ускоряют их, разрушая камни и транспортируя уголь в почву.
Распределение континентов и осадков также очень важно. Если скалы выветривания находятся в пустынной зоне, выветривание будет происходить медленно; если те же камни найдены в зоне влажного климата, выветривание будет интенсивным. Более высокой климатической влажности способствует разделение земель на более мелкие континенты; в свою очередь, конфигурация суперконтинента (такого как Пангея 300-180 миллионов лет назад) способствует созданию в нем больших сухих районов, замедляя процессы выветривания. Широта континентов также важна: когда континент находится на более высокой широте, у него более низкие температуры, поэтому выветривание замедляется. В крайнем случае, когда континент покрыт ледяным покровом, как в настоящее время Антарктида, его породы полностью изолированы от процессов выветривания.
Вопрос сохранения долгосрочной стабильности климата касается не только Земли. Каждая планета, потенциально подходящая для возникновения и развития жизни, будь то в Солнечной системе или на орбите вокруг какой-либо другой звезды, столкнется с проблемой увеличения яркости звезды, изменения вулканической активности и состава атмосферы. Ближайшие соседи Земли - Венера и Марс, оказались не такими счастливчиками, как наша планета.
Венера была слишком близко к солнцу. Вода, которая должна сначала быть на Венере, испарилась, и водород улетел в космос. Без воды выветривание силикатов не происходит, поэтому углекислый газ, выделяющийся в атмосферу из вулканов, накапливается в атмосфере. Его давление достигает 70 атмосфер, что соответствует давлению в океанах Земли на глубине 700 метров.Марс оказался слишком маленьким - не только его притяжение было недостаточным для поддержания достаточно плотной атмосферы, но также и охлаждение его коры, прекращение вулканической активности, преобладание погодных условий и уголь на Марсе был связан в скалах.
Механизм углеродного термостата может многое сделать для стабилизации климата, но он также может быть нарушен. Как показывает история, когда выветривание пород удаляло из атмосферы больше CO 2, чем выбрасывали вулканы, климат Земли изменился на ледяной. С другой стороны, с временным горизонтом в один миллиард лет углеродный термостат будет проигрывать с увеличением мощности Солнца, и Земля будет следовать по пути Венеры.