Ученые раскрыли механизм природного термостата Земли, связанный с уровнем моря и фосфатами

Ученые, возможно, обнаружили недостающий элемент природного климатического термостата Земли, выяснив, как изменение уровня моря помогало поддерживать обитаемость планеты на протяжении миллионов лет. Credit: Shutterstock

У Земли есть естественная система климат-контроля, которая помогала поддерживать планету пригодной для жизни более 100 миллионов лет. Ученые давно знали о существовании этой системы, но механизмы ее работы оставались трудными для объяснения. Новое исследование указывает на ранее упускаемую из виду связь между уровнем моря и доступностью фосфатов в океане.

Изменения глобальной температуры влияли на размер полярных ледяных щитов, что, в свою очередь, меняло уровень моря. Эти сдвиги затем определяли, сколько фосфатов попадало в открытый океан, сколько углерода захоранивалось в морских отложениях и сколько углекислого газа оставалось в атмосфере. В совокупности эти процессы помогали определить, становилась ли Земля теплее или холоднее на протяжении длительных периодов времени.

Новое исследование, соавтором которого выступил Зунли Лу, профессор наук о Земле и окружающей среде Колледжа искусств и наук Сиракузского университета, изучает, как изменение уровня моря и кислородных условий в океане влияло на доступность фосфатов и уровень атмосферного углекислого газа за последние 60 миллионов лет. Результаты были опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

«Мы знаем, что содержание углекислого газа в атмосфере значительно снизилось по мере остывания Земли за последние 60 миллионов лет, но мы почти не понимали, куда делся этот углерод, — говорит ведущий автор Рос Рикаби, профессор наук о Земле Оксфордского университета. — Наши результаты показывают, что усиленное захоронение органического углерода в морских отложениях играло гораздо более важную роль, чем считалось ранее».

В центре исследования — фосфор, особенно фосфат, питательное вещество, необходимое для роста морских организмов. Исследователи описывают фосфат как ранее «невидимую» часть климатической головоломки. Когда уровень моря был высоким, мелководные континентальные шельфы занимали большую площадь. Эти шельфы удерживали фосфаты в прибрежных отложениях, оставляя меньше питательных веществ в открытом океане. С меньшим количеством фосфатов в воде морская продуктивность замедлялась, меньше организмов росло, меньше органического углерода опускалось на морское дно и меньше углерода захоранивалось в отложениях. В результате планета становилась теплее.

Когда уровень моря падал, процесс шел в обратном направлении. По мере сокращения континентальных шельфов в воду попадало больше фосфатов. Эти дополнительные питательные вещества вызывали всплеск морской жизни. Когда организмы умирали, их останки опускались и разлагались, потребляя кислород в окружающей воде. Со временем в океане формировались зоны с низким содержанием кислорода. Когда эти зоны достигали богатых углеродом отложений на континентальных шельфах, они активировали мощный процесс обратной связи. Низкое содержание кислорода заставляло отложения выделять еще больше фосфатов, что стимулировало дальнейший рост морских организмов, приводя к большему захоронению органического углерода на морском дне. По мере удаления большего количества углерода из океана и атмосферы, уровень CO₂ в атмосфере снижался.

«Наш соавтор Кристиан Бьеррум изучал связь между уровнем моря, кислородом в океане и фосфатами с помощью компьютерной модели два десятилетия назад, — говорит Лу. — Наконец мы собрали воедино геологические записи, необходимые для проверки этой гипотезы».

Исследователи обнаружили, что эта обратная связь достигала наибольшей силы, когда уровень моря был примерно на 10–40 метров выше современного. При этом «оптимальном» уровне моря воды с низким содержанием кислорода перекрывались с богатыми органическим углеродом отложениями континентального шельфа. Такое сочетание позволяло необычно большим количествам углерода захораниваться на миллионы лет. Команда сравнила эту закономерность с 60 миллионами лет геологических данных, включая записи изотопов углерода, измерения накопления фосфора в глубоководных отложениях и более новый метод йод-кальций для реконструкции уровня кислорода в древнем океане.

Лаборатория Лу выполнила измерения по методу йод-кальций. Этот метод изучает химический состав древних фораминифер — микроскопических морских организмов, останки которых сохраняются в донных отложениях. Их химический состав позволяет ученым оценить, сколько кислорода было в воде, когда они жили. Образцы были проанализированы на масс-спектрометре в Сиракузском университете, финансируемом Национальным научным фондом.

Эпоха эоцена, длившаяся примерно с 56 до 34 миллионов лет назад, является ярким примером того, что происходило, когда механизм захоронения углерода был в значительной степени неактивен. В этот период уровень моря был чрезвычайно высок, и обширные континентальные шельфы были затоплены. Фосфаты задерживались в мелководных отложениях, оставляя открытый океан относительно бедным питательными веществами. Морская продуктивность оставалась низкой, океан был сильно насыщен кислородом, и захоранивалось меньше органического углерода. При фактически отключенном механизме обратной связи углекислый газ накапливался в атмосфере, и Земля оставалась теплой.

Исследователи предполагают, что зоны захоронения углерода постепенно сужались на протяжении геологического времени по мере того, как воды с низким содержанием кислорода опускались глубже. Этот долгосрочный сдвиг мог способствовать стабилизации как атмосферного кислорода, так и углекислого газа. Колебания между захоронением углерода и его накоплением в атмосфере стали менее экстремальными, что сделало климатическую систему Земли более устойчивой к возмущениям.

Источники: sciencedaily.com

Материалы предоставлены Сиракузским университетом.

Rosalind E. M. Rickaby, Thomas J. Wood, Zunli Lu, Christian J. Bjerrum. Shelf-invading low-oxygen waters control Cenozoic organic carbon burial rates. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2026; 123 (26) DOI: 10.1073/pnas.2526409123

Ruliang He, Alexandre Pohl, Xingliang Zhang, Chao Chang, Ashley Prow-Fleischer, Jonathan L. Payne, Shuhai Xiao, Andy Ridgwell, Zunli Lu. A reversed latitudinal ocean oxygen gradient in the Proterozoic Eon. Nature Geoscience, 2026; 19 (3): 325 DOI: 10.1038/s41561-025-01896-w