Кредит: Pixabay/CC0 Public Domain
Мы все знаем, что Земля особенная, но, возможно, мы не до конца осознаем, насколько хорошо нам здесь на этой планете. В отличие от своих соседей по планете, Земля оставалась пригодной для жизни на протяжении миллиардов лет благодаря сложному, постоянно меняющемуся танцу элементов.
Исследование исследователей из Чикагского университета, Университета Райса и Калифорнийского технологического института проливает новый свет на хрупкий баланс биогеохимических циклов, которые поддерживают умеренный климат, увлажнение и процветание Земли.
Круговорот элементов между океанами, атмосферой и сушей играет роль в поддержании стабильности климата, но он настолько сложен, что ученые обычно изолируют части целого, чтобы попытаться лучше понять, как они работают. Однако новое исследование, опубликованное в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences 13 марта, предлагает другой подход.
Вместо этого исследователи предлагают широкую, упрощенную точку зрения, используя новый набор математических инструментов для освещения взаимосвязей между различными химическими циклами, которые раньше было трудно обнаружить.
«Наш подход обеспечивает новый способ определения фундаментальных строительных блоков стабильности химических компонентов климата Земли — основных способов, с помощью которых климат может стабилизироваться в течение геологического времени благодаря движению элементов через океан, атмосферу и горные породы. резервуаров», — сказал Престон Косслетт Кемени, постдокторант Чемберлена из Чикагского университета и первый автор статьи.
«Это элегантный и упрощенный способ подумать об огромной проблеме, который объединяет множество предыдущих исследований элементарных циклов в пакеты химических реакций, которые можно сбалансировать и понять», — сказал ассистент Университета Чикаго. Профессор Клара Блаттлер, старший автор статьи.
Циклы и климат
Мы часто считаем само собой разумеющимся, что на планете Земля на протяжении сотен миллионов лет существовала сложная жизнь. Но эта стабильность, конечно, не была гарантирована — достаточно посмотреть по соседству Марс и Венеру, которые образовались примерно из тех же материалов, что и Земля, но в настоящее время даже не поддерживают жидкую воду. В чем секрет Земли?
Ключевым аспектом является химический цикл. Такие элементы, как углерод, сера и кальций, перемещаются между сушей, океаном и атмосферой таким образом, что условия на поверхности Земли остаются относительно стабильными на протяжении сотен миллионов лет.
Например, ученые полагают, что температура планеты частично поддерживается за счет постепенного перемещения углерода туда и обратно между океаном, атмосферой и сушей. Когда углекислый газ накапливается в атмосфере и нагревает поверхность, он заставляет камни разрушаться быстрее, перемещая углерод в океан, а затем в камни на морском дне. За миллионы лет планета постепенно остывает, поскольку углерод высасывается из атмосферы.
Распутывание этих циклов заняло десятилетия. Это сложно, потому что циклы длятся миллионы лет, бесконечно меняются, происходят по всему земному шару и постоянно взаимодействуют друг с другом. Это настолько сложно, что ученые часто исследуют только части всей картины, обычно рассматривая ограниченное количество циклов элементов или небольшую часть их взаимодействий. Но когда части головоломки отсутствуют, исследователям приходится делать предположения, чтобы заполнить пробелы.
Кемени задался вопросом, не затуманивает ли такой подход общую картину того, как биогеохимические взаимодействия приводят к планетарной стабильности.
Вместе с Блаттлером, Марком Торресом из Университета Райса и Вудвордом Фишером из Калифорнийского технологического института он сделал шаг назад. Они провели математический анализ, в котором рассмотрели широкий спектр химических реакций, включающих основные химические циклы, но не уточнили, как и насколько циклы взаимодействуют друг с другом.
Результатом является система, которая определяет все основные и второстепенные комбинации реакций, которые уравновешивают углеродный цикл Земли и их взаимосвязь друг с другом – то, чего не хватало в этой области. С этой точки зрения климат Земли можно представить в виде набора взаимосвязанных химических уравнений, которые должны балансироваться в течение определенных периодов времени.
Авторы заявили, что их работа полезна, поскольку ученые продолжают изучать историю Земли и то, как климат менялся с течением времени.
«Например, предположим, что вы рассматриваете гипотезу о том, почему климат изменился в прошлом — например, о сильном похолодании за последние 65 миллионов лет», — сказал Кемени. «Вы можете взять эту структуру и использовать ее, чтобы сказать: ну, если процесс X увеличился или уменьшился, то он также должен был вызвать Y, или его нужно было бы уравновесить Z, и что вы должны учитывать эти результаты — так что с этим предсказанием мы можем искать доказательства совместной работы всей геохимической системы».
Другие взаимосвязи между химическими циклами могут стать видимыми, если посмотреть на них с высоты птичьего полета. «Например, этот анализ выявил новый способ сбалансировать потоки углерода в системе океан-атмосфера при одновременном накоплении атмосферного кислорода», — сказал Кемени.
В целом: «Мы надеемся, что это прекрасный способ помочь понять все химические процессы, которые участвуют в превращении Земли в безопасное место для развития жизни», — сказал Блаттлер.
Информация от: Чикагским университетом
