Исследование показывает, что кислород был упущен из виду фактором в прошлом климате

Хорошо известно, как углекислый газ, метан и водяной пар влияют на наш климат. Но новое исследование предполагает, что другой газ мог сыграть роль в долгой климатической истории Земли — кислород.

Исследователи говорят, что естественные колебания уровня кислорода в атмосфере могут быть недостающим фактором в изучении климата Земли в прошлом. Полученные данные помогают объяснить, почему климатические модели, как правило, имитируют температуры 100 миллионов лет назад, которые ниже, чем предполагают научные данные.

Уровень кислорода

Сегодня кислород составляет около 21% воздуха, которым мы дышим. Но так было не всегда. За последние 500 миллионов лет, известные как фанерозойский эон, уровень кислорода был от 10% до 35%.

В этот период произошла эволюция жизни, какой мы ее знаем, и ученые знают, что изменения в атмосферном кислороде были тесно связаны с тем, как процветала жизнь на Земле.

Новое исследование, опубликованное сегодня в журнале Science, предполагает, что кислород также мог сыграть роль в эволюции нашего климата.

Рассеянный солнечный свет

Уровень кислорода менялся по мере изменения количества растительности, покрывающей планету, говорит ведущий автор профессор Крис Поулсен из Мичиганского университета:

«Кислород производится как побочный продукт фотосинтеза. Производство и захоронение растительного вещества в течение длительного времени вызывает повышение уровня кислорода. При разложении древнего органического вещества на суше используется кислород, в результате чего его уровень в атмосфере падает».

Но, как известно всем студентам выпускных экзаменов по географии, кислород не является парниковым газом. Так как же это могло повлиять на климат Земли? Поулсен объясняет:

«Кислород влияет на климат, потому что он составляет большую часть массы атмосферы. Снижение уровня кислорода разрежает атмосферу, позволяя большему количеству солнечного света достигать поверхности Земли».

Этот дополнительный солнечный свет заставляет больше влаги испаряться с поверхности, увеличивая количество водяного пара в атмосфере. Поскольку водяной пар является парниковым газом, это делает Землю теплее.

Рисунок ниже иллюстрирует этот эффект: низкие уровни кислорода показаны на верхних изображениях, а высокие — на нижних.

Схема влияния уровня кислорода на глобальный климат. Авторы и права: Крис Поулсен, Мичиганский университет.

Исчезающие различия

Чтобы проверить свою теорию, исследователи запустили климатическую модель, чтобы смоделировать условия около 100 миллионов лет назад — время, известное как сеноманский период мелового периода.

Климатические модели, как правило, имитируют температуры для этого времени ниже, чем предполагают палеоклиматические записи, говорит Поулсен:

«Геологические данные указывают на то, что меловой период был временем необычайной жары, особенно на полюсах. Палеоклиматологи не смогли объяснить это тепло обычными подозреваемыми парниковыми газами, увеличением солнечной яркости и дрейфом континентов».

По словам Поульсена, ученые воссоздают прошлые уровни кислорода, используя различные методы, такие как окаменелости древесного угля и химический состав растительных смол. Но ни один из этих методов не является «пуленепробиваемым», и разные реконструкции часто расходятся, говорит он.

Вы можете увидеть три разные записи на рисунке ниже, который взят из сопроводительной статьи Perspectives, в которой комментируется новая статья.

Три долгосрочные реконструкции атмосферного кислорода. Пеппе и Ройер (2015)

Поульсен и его коллеги использовали модель для диапазона возможных уровней кислорода в течение всего фанерозойского эона. Вы можете увидеть результаты на картах ниже.

Карта A показывает смоделированные температуры с использованием современных уровней кислорода. Карты B и C показывают разницу, когда атмосферный кислород уменьшается и увеличивается соответственно.

Смоделированные годовые температуры поверхности в сеноманский период для A) современных уровней кислорода и разница смоделированных температур (от значений в A) при использовании B) 10% уровня кислорода и C) 35% уровня кислорода. Источник: Poulsen, C.J. et al. (2015)

Прогон модели с низким содержанием кислорода дает высокие глобальные температуры, которые больше похожи на то, что показывают климатические записи. При низком уровне кислорода различия между моделью и записями «в значительной степени исчезают», отмечают авторы статьи «Перспективы».

Полученные данные свидетельствуют о том, что ученые упускают из виду кислород как фактор, влияющий на изменение климата, говорит Поульсен.

Очень медленная скорость

Если кислород играл роль в нашем прошлом климате, значит ли это, что он может влиять и сегодня? Определенно нет, говорит Поульсен:

«Сегодня уровень кислорода падает, но очень медленно — примерно на десятки частей на миллион в год. Эта скорость слишком медленная, чтобы повлиять на климат в современном мире».

Поулсен добавляет, что единственный способ, которым уровень кислорода мог бы оказать заметное влияние на наш климат, — это если бы медленное снижение уровня кислорода продолжалось еще миллион лет.

Но хотя их теория нуждается в подтверждении с использованием других климатических моделей, исследование может помочь собрать воедино климатическую историю Земли, говорит он.

Это новое исследование дает веские основания для разработки надежной истории атмосферного кислорода за последние 500 миллионов лет, говорится в статье «Перспективы». Это может означать, что пришло время оставить эти разногласия истории.

Основное изображение: вид Земли в космосе с большой высоты над пустыней на западе США.

Poulsen, C.J. и соавт. (2015) Долгосрочное воздействие на климат концентрацией кислорода в атмосфере, Science, doi:10.1126/science.1260670 and Peppe, D.J. и Ройер, Д.Л. (2015) Может ли климат чувствовать давление? Наука, doi:10.1126/science.aac5264