Земля може регулювати власну температуру протягом тисячоліть

Клімат Землі зазнав серйозних змін, від глобального вулканізму до льодовикових періодів охолодження планети та різких змін сонячної радіації. І все ж життя протягом останніх 3,7 мільярда років продовжує битися. Тепер дослідження, проведене дослідниками Массачусетського технологічного інституту в Science Advances, підтверджує, що на планеті існує механізм «стабілізаційного зворотного зв’язку», який діє протягом сотень тисяч років, щоб повернути клімат від межі, підтримуючи глобальну температуру в стабільному, придатному для життя діапазоні.

Яким чином це досягається? Імовірним механізмом є «силікатне вивітрювання» — геологічний процес, за допомогою якого повільне та постійне вивітрювання силікатних порід включає хімічні реакції, які в кінцевому підсумку виводять вуглекислий газ з атмосфери в океанські відкладення, затримуючи газ у скелях.

Вчені давно підозрювали, що силікатне вивітрювання відіграє важливу роль у регулюванні циклу вуглецю на Землі. Механізм силікатного вивітрювання може забезпечити геологічно постійну силу для утримання вуглекислого газу — і глобальної температури — під контролем. Але досі не було прямих доказів постійної роботи такого зворотного зв’язку.

Нові відкриття ґрунтуються на вивченні палеокліматичних даних, які фіксують зміни середніх глобальних температур за останні 66 мільйонів років. Команда Массачусетського технологічного інституту застосувала математичний аналіз, щоб з’ясувати, чи виявили дані закономірності, характерні для явищ стабілізації, які стримували глобальні температури в геологічному часовому масштабі.

Вони виявили, що справді існує послідовна закономірність, за якою коливання температури Землі послаблюються протягом сотень тисяч років. Тривалість цього ефекту подібна до часових масштабів, протягом яких прогнозується дія силікатного вивітрювання. Результати є першими, які використовують фактичні дані для підтвердження існування стабілізаційного зворотного зв’язку, механізмом якого, ймовірно, є силікатне вивітрювання. Цей стабілізаційний зворотний зв’язок міг би пояснити, як Земля залишалася придатною для життя через драматичні кліматичні події в геологічному минулому.

«З одного боку, це добре, тому що ми знаємо, що сьогоднішнє глобальне потепління в кінцевому підсумку буде нівельоване цим стабілізаційним зворотним зв’язком», — говорить Костянтин Арншайдт, аспірант Департаменту наук про Землю, атмосферу та планети Массачусетського технологічного інституту (EAPS). «Але з іншого боку, для цього знадобляться сотні тисяч років, тому недостатньо швидко, щоб розв’язувати сьогоднішні проблеми».

Співавторами дослідження є Арншайдт і Даніель Ротман, професор геофізики Массачусетського технологічного інституту.

Стабільність даних

Раніше вчені бачили натяки на стабілізаційний клімат ефект у вуглецевому циклі Землі: хімічний аналіз стародавніх порід показав, що потік вуглецю в навколишнє середовище Землі та з нього залишався відносно збалансованим, навіть через різкі коливання глобальної температури. Крім того, моделі силікатного вивітрювання передбачають, що процес повинен мати певний стабілізаційний вплив на глобальний клімат. І, нарешті, факт тривалої придатності Землі для життя вказує на певну притаманну геологічну перевірку екстремальних температурних коливань.

«У вас є планета, клімат якої зазнав багатьох драматичних зовнішніх змін. Чому життя вистояло весь цей час? Один аргумент полягає в тому, що нам потрібен якийсь механізм стабілізації, щоб підтримувати температуру, придатну для життя», — каже Арншайдт. «Але з даних ніколи не було продемонстровано, що такий механізм постійно контролює клімат Землі».

Арншайдт і Ротман намагалися підтвердити, чи справді працював стабілізаційний зворотний зв’язок, розглядаючи дані глобальних температурних коливань протягом геологічної історії. Вони працювали з низкою глобальних температурних рекордів, зібраних іншими вченими, починаючи з хімічного складу стародавніх морських скам’янілостей і черепашок, а також збережених кернів льоду Антарктики.

«Все це дослідження можливе лише тому, що було досягнуто значного прогресу в покращенні роздільної здатності цих глибоководних температурних записів», — зазначає Арншайдт. «Тепер у нас є дані за 66 мільйонів років, з даними, що відрізняються щонайбільше тисячами років».

Перевищення швидкості до зупинки

До даних команда застосувала математичну теорію стохастичних диференціальних рівнянь, яка зазвичай використовується для виявлення закономірностей у широко флуктуаційних наборах даних.

«Ми зрозуміли, що ця теорія робить прогнози щодо того, як ви очікуєте, як виглядала б історія температури Землі, якби існував зворотний зв’язок, що діяв у певних часових масштабах», — пояснює Арншайдт.

Використовуючи цей підхід, команда проаналізувала історію середніх глобальних температур за останні 66 мільйонів років, розглядаючи весь період у різних часових масштабах, наприклад, десятки тисяч років проти сотень тисяч, щоб побачити, чи з’явилися якісь моделі стабілізаційного зворотного зв’язку всередині кожен часовий масштаб.

«Певною мірою це схоже на те, що ваша машина мчить вулицею, і коли ви натискаєте на гальма, ви довго ковзаєте, перш ніж зупинитися», — каже Ротман. «Існує часовий масштаб, протягом якого спрацьовує опір тертю або стабілізаційний зворотний зв’язок, коли система повертається до стабільного стану».

Без стабілізації зворотного зв’язку коливання глобальної температури повинні зростати з часом. Але аналіз команди виявив режим, в якому коливання не зростали, маючи на увазі, що стабілізаційний механізм панував у кліматі до того, як коливання стали надто екстремальними. Час для цього стабілізаційного ефекту — сотні тисяч років — збігається з тим, що прогнозують вчені для силікатного вивітрювання.

Цікаво, що Арншайдт і Ротман виявили, що в більш тривалих часових масштабах дані не виявили жодних стабілізаційних зворотних зв’язків. Тобто, схоже, немає жодного повторюваного зниження глобальних температур на часових шкалах, довших, ніж мільйон років. Отже, що утримувало глобальну температуру протягом цих довших часових рамок?

«Існує ідея, що випадковість, можливо, зіграла важливу роль у визначенні того, чому після більш ніж 3 мільярдів років життя все ще існує», — говорить Ротман.

Іншими словами, оскільки температура Землі коливається на більш тривалих ділянках, ці коливання можуть бути досить малими в геологічному сенсі, щоб бути в межах, щоб стабілізаційний зворотний зв’язок, такий як силікатне вивітрювання, міг періодично тримати клімат під контролем, і щобільше, в межах житлової зони.

«Є два табори: одні кажуть, що випадкова випадковість є достатньо хорошим поясненням, а інші кажуть, що має бути стабілізаційний зворотний зв’язок», — каже Арншайдт. «Ми можемо показати безпосередньо з даних, що відповідь, ймовірно, десь посередині. Іншими словами, відбулася деяка стабілізація, але чиста удача, ймовірно, також зіграла свою роль у збереженні Землі постійно придатною для життя». Джерело