За последние три миллиона лет Земля пережила множество ритмических колебаний, входя и выходя из ледниковых периодов в рамках так называемых циклов Миланковича (в честь астрофизика из Сербии). Циклы Миланковича на орбите Земли меняют угол и количество попадающего на поверхность нашей планеты солнечного света. Но эти климатические качели были бы намного меньше, если бы не усиливающий эффект изменения концентрации парниковых газов. Климатические записи, такие как глыбы льда, точно показывают нам, как эти концентрации газов меняются с течением времени, так как они содержат пузырьки древнего воздуха. От нас зависит выяснение причин, по которым парниковые газы проникают в атмосферу и исчезают из неё. Например, куда из атмосферы пропадал весь углекислый газ, когда теплые периоды сменялись ледниковыми?
Углекислый газ в океане
Главным подозреваемым является Южный океан. Богатая углекислым газом вода поднимается на поверхность и обменивается им с атмосферой. Если эта вентиляция замедляется, уровень углекислого газа в атмосфере будет падать. Снижение подъёма глубинных вод, вызванное крышкой из воды меньшей плотности вблизи берегов Антарктиды, к примеру, может объяснить снижение углекислого газа до 40 частей на миллион с примерно 100 частей на миллион на протяжении последних оледенений.
При этом много факторов остаются неучтёнными. В конце 1980-х океанографы решили одну из головоломок. Они обнаружили районы океана, где присутствовало много критически важных питательных веществ азота и фосфора, но производительность фотосинтеза тут была низкой. Что удерживало фитопланктон? Ограниченный запас железа.
Железо в воздушной пыли может передаваться на большие расстояния из засушливых регионов; при попадании в океан оно питает рост морского фитопланктона. Джон Х. Мартин и его коллеги предположили, что это объясняет, куда во время ледниковых периодов девается часть углекислого газа. Если больше пыли и железа попадает в океаны, то усиливающаяся биологическая активность может привлечь углерод в глубины океана.
Антарктические ледяные шапки во время ледниковых периодов содержали в себе большие количества воздушной пыли, значительная часть которой, как полагают, пришла из Патагонии в Южной Америке. Огромная равнина осадочной породы, появляющаяся из-под тающего ледника, является идеальным источником пыли. Это особенно верно для Патагонии, где ветры сильны и дождевые потоки во время ледниковых периодов были особо ярко выражены. Чем больше ледники здесь, тем больше получается пыли в воздухе, дующем через Южный океан.
Рост фитопланктона, «оплодотворяемого» всем этим железом, будет перемещать углекислый газ из атмосферы в глубины океана. Углекислый газ, вернее его некоторую часть, забирает фитопланктон в процессе фотосинтеза, получая энергию и материал для роста клеток. Когда он умирает и опускается на дно, он забирает углерод с собой.
Отличная идея, но как её проверить?
Попытки проверить теорию предпринимались на протяжении многих лет, но результаты были расплывчатыми. Они в основном опирались на то, что фитопланктон, вероятно, использует молекулы нитратов, содержащие азот с 14 атомами (наиболее распространённый изотоп), а не азот-15. Точное соотношение азота-15 к азоту-14 в фитопланктоне зависит от того, сколько нитратов доступны, если есть дефицит, тогда используется любой изотоп. Если испытывающая нехватку железа часть океана оплодотворяется воздушной пылью, будет задействовано больше нитрата, и концентрация будет уменьшаться. Таким образом, соотношение изотопов азота (которое может быть записано в донных отложениях) говорит нам о том, сколько нитратов было использовано.
Новое исследование под руководством Альфредо Мартинес-Гарсиа в ETH Zrich обеспечивает ещё лучший тест гипотезы оплодотворения железом. Технический прогресс позволил исследователям измерить изотопы азота в оболочках планктона из карбоната кальция, называемых фораминиферы в ядрах осадка морского дна. Предыдущие исследования анализировали диатомовые водоросли или сам осадок. В обоих случаях были осложняющие анализ факторы, усложняющие интерпретацию результатов. Исследователи также извлекли записи продуктивности фотосинтеза и железа из ветра, которые охватывают период в 160 тысяч лет.
Корреляция между изотопами азота и железом была довольно сильной. Содержание железа повышалось по мере охлаждения климата при последнем оледенении, источником был ветер из Патагонии, а концентрация нитратов на поверхности океана, похоже, уменьшалась. Анализ также показал более высокие уровни фотосинтеза в те периоды.
Данные указывают на чётко определяемое воздействие оплодотворения железом, которое привело бы больше углерода из атмосферы в глубины океана. Тот же самый процесс шёл и на более коротких промежутках времени, способствуя изменениям СО2 при более мелких колебаниях климата, длившихся всего несколько тысяч лет.
Подобные записи помогают прояснить роль Южного океана среди других частей климатической системы, которые трансформируют орбитальные циклы Миланковича в значительные изменения климата.
