Морской геолог и океанограф Андре Дрокслер знает, что теория Чарльза Дарвина об атоллах неверна. Но Дрокслер, изучающий коралловые рифы более 40 лет, понимает, почему модель Дарвина сохраняется в учебниках, лекционных залах университетов, музеях естествознания и статьях в Википедии.
«Это так красиво, так просто и приятно, что все до сих пор этому учат», - сказал Дрокслер, который недавно вышел на пенсию из Университета Райса.«Каждая вводная книга, которую вы можете найти по науке о Земле и морской науке, по-прежнему содержит модель Дарвина. Если они учат чему-то о рифах или карбонатах в морской науке 101, они учат этой модели».
Дрокслер, профессор наук о Земле, окружающей среде и планетах в Райсе в течение 33 лет, надеется установить рекорд с помощью 37-страничного доклада о происхождении атоллов. Статья, опубликованная в этом месяце в Ежегодном обзоре морской науки, была написана в соавторстве с Дроклером и давним сотрудником Стефаном Жорри, морским геологом и океанографом из Французского научно-исследовательского института морских исследований (IFREMER).
Теория Дарвина об образовании атоллов была опубликована в 1842 году, через шесть лет после его легендарного путешествия на борту британского исследовательского корабля HMS Beagle. Геолог по образованию, Дарвин очень интересовался горными породами и формами рельефа, с которыми он столкнулся за пять лет на борту «Бигля». Основная задача корабля заключалась в обследовании береговых линий и опасностей для навигации, а в задачи корабля входил сбор подробных наблюдений за приливами и глубинами океана вокруг кораллового атолла.
«Они потратили много времени на картографирование рифов, потому что они представляли большую опасность для судоходства», - сказал Дрокслер о Королевском флоте. Атоллы были особенно интересны и опасны. Некоторые из них были увенчаны низменными островами, но многие представляли собой зазубренные кольца скал с коралловыми вершинами, которые находились прямо под поверхностью воды, готовые вырвать дно неосторожных проходящих кораблей. «Они выходят из абиссальной равнины океана почти на небольшую глубину», - сказал Дрокслер. «Поэтому им нужно было точно знать, где они находятся».
Beagle, как и любое судно Королевского флота, имел карты с отмеченным местоположением всех известных рифов, и Дарвин использовал их в своей статье 1842 года.
«Он опубликовал прекрасную карту, на которой собраны все известные рифы на Земле», - сказал Дрокслер. «Удивительно, когда вы сравниваете сегодняшние спутниковые снимки рифов с его картой. Это почти то же самое. Это невероятно точно».
Но в отличие от военно-морских карт, на которых рифы просто обозначались как опасности для судоходства, Дарвин систематически классифицировал каждый из них по одной из трех категорий. Те, что прикреплены к суше, он назвал окаймляющими рифами. Те, что оторваны от суши и отделены лагуной, представляли собой барьерные рифы. Третьей категорией были атоллы, кольцевые рифы, которые окружали центральную лагуну, но не имели суши.
В то время геологи считали, что континенты неуклонно поднимаются над землей, а океаны неуклонно тонут. Дарвин заметил, что как окаймляющие, так и барьерные рифы, как правило, окружают вулканические острова, и он пришел к выводу, что рифы первоначально образовались на окраине вулканических островов. Когда вулкан умер и медленно погрузился обратно в океан, риф остался, сначала превратившись в отдельный барьерный риф, а затем, когда вулкан полностью затонул, в атолл.
Дрокслер сказал, что он в восторге от способности Дарвина синтезировать все, что было известно о рифах в его время, и создать такую простую, исчерпывающую и убедительную теоретическую модель. Но помимо красоты, Дарвин не мог точно предсказать, как формируются атоллы, потому что ему не хватало ключевой информации, сказал Дрокслер.
«Циклические изменения уровня моря приводят к формированию атоллов», - сказал Дрокслер. «Дарвин понятия не имел, что уровень моря может подниматься и опускаться, потому что оледенение не стало общеизвестным до 1860-х годов».
Дрокслер сказал, что простота системы классификации и теории Дарвина может сыграть роль в ее привлекательности. Более точное описание образования атоллов существует с 1930-х годов, но оно значительно сложнее, и большая часть подтверждающих его свидетельств появилась совсем недавно, за последние 40 лет, в результате десятков научных и нефтяных буровых экспедиций, а также из скомпилированных данных о климате Земли и истории уровня моря.
Сегодняшние атоллы сформировались за последние 500 000 лет, сказал Дрокслер, в результате пяти резких колебаний уровня моря, которые происходили каждые 100 000 лет. В каждом цикле уровень моря поднимался и опускался на 120 и более метров. Но чтобы в полной мере оценить, как изменение уровня моря создало атоллы, нужно начать намного раньше, сказал Дрокслер.
«Климат Земли очень сильно изменился за последние 5 миллионов лет», - сказал он. «Примерно от 5 миллионов лет назад до 2,5 миллионов лет назад у нас был довольно теплый климат, который не сильно изменился, а уровень моря оставался относительно постоянным.."
Уровень моря поднимался неуклонно, но медленно, а отмели с плоскими вершинами, которые породили атоллы, были созданы бесчисленными поколениями кораллов и других морских существ, которые жили и умирали, добавляя свои скелеты к минерализованному дну мелководья., плосковершинная морская экосистема. Отмели с плоской вершиной неуклонно росли, не отставая от уровня моря, пока теплый период не закончился около 2,5 миллионов лет назад.
"Климат начал колебаться в циклах", сказал Дрокслер. «Были чередующиеся периоды тепла и холода, но в целом тенденция заключалась в том, что климат Земли становился все холоднее, холоднее и холоднее, прерываясь короткими потеплениями».
На протяжении всего этого периода ледяные шапки утолщались. По мере накопления льда уровень моря падал, обнажая вершины плоских карбонатных отмелей, которые возвышались над океаном, как выбеленные каменные плато. Когда дождь падал на открытые берега, он медленно растворял карбонат, а стоячая вода ускоряла процесс. Лужи и пруды постепенно вырезали чашеобразные впадины. И за 2 миллиона лет этот процесс превратил Белые Мезы в кольцеобразные башни с выдолбленными центральными углублениями.
Объем льда на Земле достиг своего первоначального максимума около 500 000-600 000 лет назад, когда миля льда покрывала Чикаго, а Нью-Йорк находился на южном краю массивного ледяного щита в Северной Америке, «В Северной Америке, Шотландии, Скандинавии и Сибири было так много льда, что уровень моря был на 120-130 метров ниже, чем сегодня».
Пять драматических колебаний уровня моря, которые произошли за последние полмиллиона лет, были вызваны способностью Земли формировать большие северные ледяные щиты, а также чувствительностью этих ледяных щитов к незначительным климатическим изменениям, таким как колебания количество солнечного света, попадающего в далекое северное полушарие из-за небольших изменений орбиты и наклона планеты.
«Поскольку эти большие ледяные щиты сформировались в Северной Америке, а не на полюсе, а с центром в относительно низкой широте около 65 градусов северной широты, они накопили огромные объемы льда, которые понизили уровень моря более чем на 120 метров», - сказал он.. «Но кроме того, они могли таять очень быстро. И поэтому мы наблюдаем сейчас эти циклические высокоамплитудные колебания уровня моря. И первое большое колебание было около 450 000 лет назад, когда он ушел от метров до плюс-10 метров того, что мы имеем сегодня."
Во время каждого колебания выдолбленные отмели с плоской вершиной снова погружались под воду в теплые периоды, когда уровень моря поднимался почти до самого высокого уровня. В те периоды, как и сегодня, кораллы повторно заселяли самые высокие части эродированных берегов, в частности вдоль их приподнятых внешних краев.
«Теперь вы добавляете карбонат к их приподнятому краю, и вы создаете современные атоллы», - сказал Дрокслер. «Но этот период высокого уровня моря длится не более 10 000-12 000 лет, и он снова снижается. Итак, теперь вы добавляете немного рифа по краю, но затем снова растворяете лагуну, когда уровень моря отступает. Таким образом, с каждым циклом вы еще больше улучшаете морфологию, растете на краю и растворяетесь в середине».
Углубленное исследование Дрокслера и Джорри содержит десятки иллюстраций, в том числе некоторые сравнения оригинальных рисунков Дарвина с современными картами и спутниковыми снимками. И статья опирается на десятилетия морских геологических данных, собранных из десятков экспедиций, включая недавние наборы данных, полученные обоими соавторами в Индийском океане. Дрокслер сказал, что он и Джорри обсуждали такой документ в течение многих лет, но это могло бы не состояться без пандемии 2020 года.
Дрокслер после выхода на пенсию переехал на отдаленное ранчо в Центральном Техасе, и когда в марте пандемия прекратила путешествия, он столкнулся с перспективой остаться там на какое-то время.
«В течение многих лет Стефан подталкивал меня, говоря, что мы должны опубликовать это, но вы знаете, вы всегда как бы делаете что-то еще и еще что-то», - сказал Дрокслер.«В конце марта Стефан позвонил мне и сказал: «Я застрял во Франции, дома, а ты застрял посреди сельской местности в округе Мейсон. Давай напишем эту статью». Что мы и сделали."