Древние пузырьки воздуха, застрявшие в антарктическом льду, указывают на причину уменьшения содержания кислорода в атмосфере
Неизвестный преступник удаляет кислород из нашей атмосферы уже не менее 800 000 лет, и анализ пузырьков воздуха, сохранившихся в антарктическом льду на протяжении 1,5 млн лет, позволил выявить вероятного подозреваемого.
«Мы знаем, что уровень кислорода в атмосфере начал немного снижаться в позднем плейстоцене, и похоже, что ледники могут быть как-то связаны с этим», — сказал Южен Ян из Университета Райса, автор-корреспондент исследования по геохимии, опубликованного в журнале Science Advances. «Примерно в это же время оледенение стало более обширным и интенсивным, а сам факт наличия ледникового шлифа усиливает выветривание».
Под выветриванием понимаются физические и химические процессы, разрушающие горные породы и минералы, причем окисление металлов является одним из наиболее важных. Примером может служить ржавление железа. На железных поверхностях, подверженных воздействию атмосферного кислорода, быстро образуется красноватый оксид железа, или O2.
«Когда вы подвергаете свежие кристаллические поверхности из осадочного резервуара воздействию O2, происходит выветривание, в ходе которого потребляется кислород», — говорит Ян, научный сотрудник отделения наук о Земле, окружающей среде и планетах факультета Райса.
По словам Яна, ледники могут способствовать потреблению кислорода в атмосфере еще и потому, что обнажают органический углерод, который был захоронен в течение миллионов лет.
Исследователи изучали древнюю атмосферу Земли, захватывая крошечные пузырьки воздуха, которые сохранялись в антарктическом льду в течение 1,5 млн лет. Credit: Yuzhen Yan
Во время обучения Яна в аспирантуре в лабораториях Майкла Бендера и Джона Хиггинса Принстонского университета Ян работал над исследованием 2016 года под руководством Дэниела Столпера, ныне доцента Калифорнийского университета в Беркли, которое использовало пузырьки воздуха в ледяных кернах, чтобы показать, что доля кислорода в атмосфере Земли уменьшилась примерно на 0,2% за последние 800 000 лет.
В исследовании, опубликованном в журнале Science Advances, Ян, Хиггинс и их коллеги из Университета штата Орегон, Университета штата Мэн и Калифорнийского университета в Сан-Диего проанализировали пузырьки в старых ледяных кернах, чтобы показать, что падение содержания кислорода началось после того, как продолжительность ледниковых циклов на Земле увеличилась более чем в два раза около 1 млн. лет назад.
Ледниковый период, в котором сегодня находится Земля, начался около 2,7 млн. лет назад. За ним последовали десятки ледниковых циклов. В каждом из них ледниковые шапки поочередно увеличивались, покрывая до трети планеты, а затем отступали к полюсам. Каждый цикл длился около 40 тыс. лет и продолжался примерно до 1 млн. лет назад. Примерно в то же время, когда содержание кислорода в атмосфере начало снижаться, ледниковые циклы стали продолжаться около 100 тыс. лет.
«Причина снижения заключается в том, что скорость производства O2 стала ниже скорости его потребления», — говорит Ян. «Это то, что мы называем источником и поглотителем. Источник — это то, что производит O2, а поглотитель — то, что потребляет или затягивает O2. В нашем исследовании мы интерпретируем снижение как более сильное воздействие на O2, что означает большее потребление».
В ходе научного бурения в Аллан-Хиллс (Восточная Антарктида) в 2015-16 гг. были получены ледяные керны с пузырьками древнего воздуха, в том числе и те, которые образовались еще до ледникового периода, начавшегося 2,7 млн лет назад. Credit: Yuzhen Yan
По словам Яна, биосфера Земли не внесла своего вклада в это снижение, поскольку она сбалансирована и забирает из атмосферы столько же О2, сколько производит. Наиболее вероятным геологическим процессом, способным потреблять достаточное количество избыточного О2, чтобы объяснить снижение уровня, является выветривание в глобальном масштабе. Янь и его коллеги рассмотрели два сценария усиления выветривания.
Уровень мирового океана понижается при наступлении ледников и повышается при их отступлении. Когда продолжительность ледниковых циклов увеличилась более чем в два раза, увеличилась и величина колебаний уровня моря. По мере продвижения береговых линий суша, ранее покрытая водой, должна была подвергаться воздействию окислительной силы атмосферного O2.
«Мы провели расчеты, чтобы определить, сколько кислорода может потребляться при этом, и выяснили, что это может объяснить лишь четверть наблюдаемого снижения», — сказал Ян.
Поскольку степень покрытия льдом точно не известна для каждого ледникового цикла, существует более широкий диапазон неопределенности в отношении масштабов химического выветривания в результате ледниковой эрозии. Однако, по словам Яна, полученные данные свидетельствуют о том, что в результате этого процесса может выветриваться достаточное количество кислорода, чтобы объяснить это снижение.
«В глобальном масштабе это очень трудно определить», — сказал он. «Но мы провели некоторые расчеты, чтобы определить, сколько дополнительного выветривания потребуется для объяснения снижения содержания O2, и это не является необоснованным. Теоретически это может объяснить масштабы наблюдаемых явлений».
Ссылка: «Ice core evidence for atmospheric oxygen decline since the Mid-Pleistocene transition» Yuzhen Yan, Edward J. Brook, Andrei V. Kurbatov, Jeffrey P. Severinghaus and John A. Higgins, 15 December 2021, Science Advances . DOI: 10.1126/sciadv.abj9341
