За последние 540 миллионов лет Земля пережила пять массовых вымираний, каждое из которых включало процессы, нарушившие нормальный круговорот углерода в атмосфере и океанах. Каждое из этих глобально фатальных возмущений в углероде разворачивалось в течение тысяч или миллионов лет и совпадало с повсеместным истреблением морских видов по всему миру.
Вопрос для многих ученых заключается в том, испытывает ли сейчас углеродный цикл значительный толчок, который может склонить планету к шестому массовому вымиранию. В современную эпоху выбросы углекислого газа неуклонно росли с 19 века, но расшифровать, может ли этот недавний всплеск углерода привести к массовому вымиранию, было непросто. Это в основном потому, что трудно связать древние углеродные аномалии, которые происходили в течение тысяч или миллионов лет, с сегодняшними нарушениями, которые произошли чуть более чем за столетие.
Теперь Дэниел Ротман, профессор геофизики факультета наук о Земле, атмосфере и планетах Массачусетского технологического института и содиректор Центра Лоренца Массачусетского технологического института, проанализировал значительные изменения в углеродном цикле за последние 540 миллионов лет, включая пять события массового вымирания. Он определил «пороги катастрофы» в углеродном цикле, превышение которых приведет к нестабильности окружающей среды и, в конечном итоге, к массовому вымиранию.
В статье, опубликованной в журнале Science Advances, он предполагает, что массовое вымирание происходит при пересечении одного из двух порогов: за изменениями в углеродном цикле, которые происходят в течение длительного времени, вымирания последуют, если эти изменения будут происходить быстрее, чем глобальные экосистемы могут адаптироваться. Для углеродных возмущений, происходящих в более короткие промежутки времени, скорость изменений углеродного цикла не имеет значения; вместо этого размер или величина изменения будут определять вероятность исчезновения.
Продвигая это рассуждение вперед во времени, Ротман предсказывает, что, учитывая недавний рост выбросов углекислого газа в течение относительно короткого промежутка времени, шестое вымирание будет зависеть от того, будет ли добавлено критическое количество углерода в океаны. Это количество, по его подсчетам, составляет около 310 гигатонн, что, по его оценкам, примерно эквивалентно количеству углерода, которое человеческая деятельность добавит в мировой океан к 2100 году..
Означает ли это, что на рубеже веков вскоре последует массовое вымирание? Ротман говорит, что потребуется некоторое время - около 10 000 лет - чтобы такие экологические катастрофы разыгрались. Однако он говорит, что к 2100 году мир, возможно, переместится на «неизвестную территорию».
«Это не означает, что катастрофа произойдет на следующий день», - говорит Ротман. «Это говорит о том, что, если его не остановить, углеродный цикл переместится в область, которая больше не будет стабильной, и будет вести себя таким образом, что его будет трудно предсказать. В геологическом прошлом этот тип поведения связан с массой. исчезновение."
История следует за теорией
Ротман ранее работал над вымиранием в конце пермского периода, самым серьезным вымиранием в истории Земли, когда массивный выброс углерода через земную систему привел к уничтожению более 95 процентов морских видов во всем мире. С тех пор беседы с коллегами побудили его задуматься о вероятности шестого вымирания, поставив важный вопрос:
"Как вы можете действительно сравнивать эти великие события в геологическом прошлом, которые происходят в таких огромных временных масштабах, с тем, что происходит сегодня, самое длинное в столетия?" - говорит Ротман.«Итак, однажды летним днем я сел и попытался подумать о том, как можно систематически заниматься этим».
В конце концов он вывел простую математическую формулу, основанную на основных физических принципах, которая связывает критическую скорость и величину изменений в углеродном цикле с временной шкалой, которая отделяет быстрые изменения от медленных. Он предположил, что эта формула должна предсказать, должно ли произойти массовое вымирание или какая-то другая глобальная катастрофа.
Ротман затем спросил, следует ли история за его гипотезой. Просматривая сотни опубликованных статей по геохимии, он выявил 31 событие за последние 542 миллиона лет, когда произошли значительные изменения в углеродном цикле Земли. Для каждого события, включая пять массовых вымираний, Ротман отметил изменение содержания углерода, выраженное в геохимических записях как изменение относительного содержания двух изотопов, углерода-12 и углерода-13. Он также отметил продолжительность времени, в течение которого произошли изменения.
Затем он разработал математическое преобразование для преобразования этих величин в общую массу углерода, который добавлялся в океаны во время каждого события. Наконец, он нанес на график массу и временную шкалу каждого события.
«Стало очевидным, что существовала характерная скорость изменений, которую система в принципе не хотела обходить», - говорит Ротман.
Другими словами, он наблюдал общий порог, ниже которого, по-видимому, оставалось большинство из 31 события. Хотя эти события повлекли за собой значительные изменения в углероде, они были относительно безобидными - их было недостаточно, чтобы дестабилизировать систему и привести к катастрофе. Напротив, четыре из пяти случаев массового вымирания произошли за порогом, причем наиболее серьезное вымирание в конце пермского периода было самым дальним за чертой.
«Затем встал вопрос о том, что это значит», - говорит Ротман.
Скрытая утечка
После дальнейшего анализа Ротман обнаружил, что критическая скорость катастрофы связана со скрытым процессом в естественном углеродном цикле Земли. Цикл представляет собой петлю между фотосинтезом и дыханием. Обычно в цикле происходит «утечка», при которой небольшое количество органического углерода опускается на дно океана и со временем погребается в виде осадка и изолируется от остальной части углеродного цикла.
Ротман обнаружил, что критическая скорость эквивалентна скорости избыточного производства двуокиси углерода, которая может возникнуть в результате закрытия утечки. Любая дополнительная двуокись углерода, введенная в цикл, не может быть описана самой петлей. Вместо этого один или несколько других процессов привели бы углеродный цикл к нестабильности.
Затем он определил, что критическая скорость применяется только за пределами временной шкалы, в которой морской углеродный цикл может восстановить свое равновесие после того, как он был нарушен. Сегодня эта временная шкала составляет около 10 000 лет. Для гораздо более коротких событий критический порог больше не привязан к скорости, с которой углерод добавляется в океаны, а вместо этого к общей массе углерода. Оба сценария оставят избыток углерода, циркулирующего в океанах и атмосфере, что, вероятно, приведет к глобальному потеплению и закислению океана.
Век предел
Исходя из критической скорости и временной шкалы равновесия, Ротман вычислил критическую массу углерода на сегодняшний день примерно в 310 гигатонн.
Затем он сравнил свой прогноз с общим количеством углерода, добавленного в океаны Земли к 2100 году, согласно последнему докладу Межправительственной группы экспертов по изменению климата. В прогнозах МГЭИК рассматриваются четыре возможных пути выбросов углекислого газа: от одного, связанного со строгой политикой по ограничению выбросов углекислого газа, до другого, связанного с большим количеством сценариев без ограничений.
В лучшем случае прогнозируется, что люди добавят 300 гигатонн углерода в океаны к 2100 году, в то время как в худшем сценарии будет добавлено более 500 гигатонн, что намного превышает критический порог. Во всех сценариях Ротман показывает, что к 2100 году круговорот углерода будет либо близок к порогу катастрофы, либо намного превысит его.
«Должны быть способы сократить [выбросы углекислого газа]», - говорит Ротман. «Но эта работа указывает на причины, по которым нам нужно быть осторожными, и дает больше причин для изучения прошлого, чтобы информировать настоящее».