Симфония № 6. Углерод и эволюция почти всего - Роберт Хейзен

угля. Корневые системы, будучи сами составной частью глубокой, скрытой биосферы, разрушают твердые горные породы, превращая их в глинистые минералы. Мельчайшие чешуйчатые частицы глины, настолько крохотные, что их трудно разглядеть даже в самый мощный оптический микроскоп, вырабатывают поверхностные электростатические заряды, которые притягивают и связывают биомолекулы. В силу этого поверхности глин покрываются насыщенной углеродом пленкой. Ставшие углеродсодержащими глинистые минералы вымываются из почвы, уносятся потоками и реками и в конечном счете прибывают в океаны, где формируют толстые осадочные дельты. Похоже, земная биосфера нашла множество способов захоронить углерод.

Двести миллионов лет назад, примерно в то время, когда на суше начиналось владычество динозавров, еще одну уловку для задержания углерода придумали микроскопические организмы{86}: свободно плавающие в земных океанах клетки развили способность создавать себе тончайшие защитные карбонатные пластинки, извлекая углекислый газ и кальций из окружающей их среды. Этот смышленый планктон с карбонатным покрытием, в огромных количествах населяющий воды океана и осаждающийся на его дно после смерти, заметно поменял правила игры. Впервые в истории Земли карбонаты начали образовываться в освещенном солнцем приповерхностном слое глубочайших океанов, а не только на рифах вдоль побережья. Эти мертвые клетки, погружающиеся на океаническое дно, стали источником погребенного углерода в тех отложениях, в которых до этого не было карбонатных минералов.

Последствия «среднемезозойской революции», как называет то событие геолог Энди Риджуэлл из Бристольского университета, весьма серьезные. До того как 200 млн лет назад началась эта революция, жизнь создавала карбонаты исключительно на мелких континентальных шельфах; протяженные известняковые рифы росли или уменьшались в зависимости от изменчивого уровня моря. В более теплые времена, когда глобальное оледенение было минимальным, а уровень моря — относительно высоким, на широких затопленных прибрежных равнинах могли формироваться очень крупные рифы. Такой усиленный рост карбонатных кораллов и раковин уменьшал концентрацию кальция в океанах — ключевой фактор, определяющий изменчивость кислотности морской воды.

В более холодные периоды — с широким распространением полярного льда и оледенения, когда уровень моря был необычно низким, а континентальные шельфы в основном находились на воздухе, — реализовывался противоположный сценарий. В это время не могло образовываться много рифов. Поскольку биологические способы производить известняк отсутствовали, кальций в морской воде накапливался до состояния пересыщения, заодно меняя и химию океанов. Риджуэлл делает вывод, что химический состав океана на протяжении последних 200 млн лет поддерживался карбонатообразующим планктоном, процветающим независимо от уровня моря.

Земной углерод в огромных количествах извлекается из воздуха и воды и постепенно захоранивается в земной коре. Вулканические породы вступают в реакцию с углекислым газом, образуя карбонатные минералы. Биогенные карбонаты слагают рифы на окраинах континентов и сыплются на дно в открытом океане. Биомасса захоранивается на суше и в море, а глинистые минералы поглощают фрагментированные биомолекулы и еще добавляют углерода накапливающимся осадочным залежам. Все эти углеродные потоки несложно увидеть и измерить.

Менее наглядна та доля погребенного углерода, которая продолжает свое путешествие вниз, погружаясь глубоко в мантию в процессе субдукции. Попытки измерить изменчивый вклад субдуцирующего углерода полностью захватили Терри Планк из Обсерватории Земли Ламонт — Доэрти Колумбийского университета{87}.

Стиль поведения Планк — спокойный и безмятежный, и вам ни за что не догадаться о ее полной ярких событий карьере или «гранте для гениев», полученном ею от фонда Макартуров. Вулканы интересуют исследовательницу как окна в мир глубинного углеродного цикла. Пытаясь понять, что же из них извергается, Планк решила каталогизировать углерод и другие химические элементы океанической коры — изучить тот материал, который затягивается в мантию при субдукции. Сравнивая элементы-примеси в опускающихся плитах с извергающейся магмой, она в поразительных подробностях смогла показать, что эта переработанная кора и есть главный компонент многих вулканических систем.

Количество уходящего в мантию углерода остается спорным вопросом. Планк считает, что ответ во многом зависит от того, куда именно вы смотрите. «Одни зоны субдукции получают много карбонатов, другие — нет, одни — много органического углерода, другие — мало», — замечает она. Также исследовательница делает вывод, что доставка углерода в глубины Земли может быть весьма сложным процессом. Карбонаты и биомасса не такие плотные, как базальт, и имеют тенденцию накапливаться в верхних слоях погружающейся плиты — в той части, которая вряд ли сильно опустится в глубокие темные недра. Планк делает вывод: «Субдукция углерода зависит от случая».

Короче говоря, то, «что уходит вниз», содержит много углерода, отложившегося в коре в виде биомассы и карбонатных минералов, причем значительная его часть, похоже, возвращается обратно наверх. Но самый завораживающий и загадочный этап углеродного цикла — это приключения той доли шестого элемента, которая предпринимает долгое глубокое путешествие в мантию Земли.

Что происходит с углеродом там, внизу?

По мере того как влажные плиты, погружаясь, уносят богатые углеродом минералы и черную биомассу все глубже и глубже, температура становится все выше. Биомолекулы распадаются на более мелкие фрагменты — в основном углекислый газ и метан. Карбонатные минералы также распадаются, отпуская углеродсодержащие молекулы в горячие водные флюиды. Глубинный углерод никогда не остается в одиночестве. Он всегда смешивается с кислородом и водородом; обычно в этой смеси присутствует также некоторое количество натрия, хлора, серы и других элементов.

Вот в чем, однако, загвоздка. Понимание того, что происходит с углеродом в мантии, зависит в первую очередь от понимания того, как ведет себя вода при высоких температурах и давлениях. Но десятилетие назад, когда Обсерватория глубинного углерода только начинала свою работу, вода в мантии была terra incognita. Никто не знал в точности свойств H2O в условиях экстремальных температуры и давления на глубине сотен километров.

Неизвестным параметром — причем единственным, блокирующим наш путь вперед, — была диэлектрическая постоянная воды, величина ее полярности. Молекулы воды принимают V-образную форму. Центральный атом кислорода соединяется с двумя атомами водорода, расположенными, как уши у Микки Мауса. Водородная сторона молекулы несет положительный электрический заряд, а кислородная заряжена отрицательно, в результате получается полярная молекула. Многие наиболее характерные свойства воды — в частности, ее способность растворять поваренную соль и целый ряд других химических веществ, легкость формирования дождевых капель, твердость льда, капиллярные процессы в стеблях растений — как раз результат этой полярности. Диэлектрическая постоянная — это величина силы разделения на положительный и отрицательный заряд, которая диктует поведение воды.

Мы знали, что диэлектрическая постоянная воды резко меняется в зависимости от температуры и давления, но в начале смелого проекта DCO мы не знали насколько. Без этих сведений было невозможно вычислить основные аспекты глубинных флюидов, например растворимость соли, электрические заряды