Концентрация кальция в океане не всегда менялась плавно. Океанологам удалось зафиксировать глобальные падения и всплески, которые подтвердили даты мощных климатических изменений.
Программа глубоководного бурения позволила узнать новые подробности о климатических изменениях на Земле. Уникальные исследования по изучению концентрации изотопов кальция в океанической коре провели Элизабет Гриффит, Адина Пайтан, Кен Калдейра, а также Элен и Томас Вуллен из Калифорнийского университета.
Доктор Гриффит рассказала: «Нам удалось обнаружить, что океаническая система намного более чувствительна к изменению климата, чем считалось раньше. Мы думали, что концентрация кальция как основного элемента морской воды менялась плавно и постепенно в течение многих миллионов лет. Но наши исследования полностью опровергли этот факт. Нам удалось выявить огромные колебания в значении изотопов кальция за период 28 млн лет».
Кальций в океане и его глобальная роль
Кальций играет заметную роль в регуляции климата Земли. Дно всех океанов мира покрыто отложениями карбонатов кальция, из которого состоят скелеты морских организмов. Они накапливаются на океаническом дне в течение многих миллионов лет. Углерод захватывается живыми организмами, кальций же в виде растворимых соединений поступает в океан со стоком рек. За геологическую историю Земли образовались такие огромные отложения карбонатов, что они стали самым большим запасом углерода на планете. Этот углеродный цикл связывает все оболочки Земли -- атмосферу, гидросферу, биосферу и литосферу. Соответственно, отложения карбонатов прямо связаны с глобальным циклом углерода, влияющим на климат Земли.
Еще одна важная роль кальция в океанической воде -- влияние на кислотность. Все живые организмы очень чувствительны к значению кислотности воды. Увеличение кислотности приводит к гибели многих живых организмов, особенно кораллов. Карбонат кальция играет стабилизирующую роль, он связывает лишние ионы водорода и переходит в растворимую форму -- гидрокарбонат. Равновесие это динамическое, поэтому и слишком щелочной морская вода не становится -- кальций снова переходит в нерастворимую форму карбоната, выбрасывая недостающие протоны в океан.
Кальциевая история Земли
Такое равновесие делает почти невозможным исторический анализ содержания кальция в воде. Однако океанологи нашли способ. Они анализировали баритовые керны, которые выбуривали в рамках программы глубоководного бурения (Deep See Drilling Progect) около черных курильщиков в центральной части Тихого океана. Барит (BaSO4) -- минерал неорганического происхождения, он выбрасывается в виде ионов бария и сернокислого остатка. Так что на скорость осаждения кальцийсодержащих минералов его количество не влияет. При этом ни кислотность воды, ни температура никак на него не действуют. И если барит покрывает собой карбонат кальция, то в итоге получаются эдакие консервы, по которым уже можно достоверно судить о содержании кальция в морской воде в данное время.
Таким способом ученые узнали, что происходило с морским кальцием за последние 28 млн лет. Например, огромный пик, превышающий современную концентрацию кальция в два раза, зафиксирован в слое, сформировавшемся примерно 4 млн лет назад. Ученые связывают этот факт с достаточно теплым и влажным климатом, преобладавшим на большей части Земли в то время. Многочисленные дожди, вероятно, способствовали выносу веществ, в том числе и кальция, реками. А сток рек, богатых кальцием, увеличил концентрацию этого элемента в океане.
Огромное понижение концентрации изотопов кальция, до 0,8 промилле, происходило более 13 млн лет назад, в середине миоцена. Тогда концентрация кальция снизилась в два с половиной раза по сравнению с современной. Середина миоцена -- один из самых крупных в истории Земли периодов климатических изменений. Ученые предполагают, что снижение концентрации изотопов кальция было связано с переходом климата от потепления к похолоданию, когда Антарктический ледяной щит значительно увеличился в объеме. Огромная масса воды оказалась скованной льдом, что привело к падению уровня океана. Кроме того, в результате похолодания изменились процессы выветривания. Это повлияло на химический состав воды рек, которую они несли в океан. А это изменило биологию и химию океана.
В настоящее время концентрация кальция в океане определяется балансом между попаданием кальция со стоком рек и выносом в результате образования карбонатов, количеством биомассы океана и процессами в океанической коре.
Исследование ученых из Калифорнийского университета показало, что биогеохимические циклы не являются стабильными, как считалось раньше. Поэтому в вопросах изучения глобальных изменений мы должны учитывать, насколько чутко океан реагирует на все изменения, особенно на изменение климата.
Результаты исследований опубликованы в журнале Science 12 декабря 2008 года.
