Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

Как мы видели в главах 12 и 13, изменения в микроэлементном составе атмосферы могут оказывать большое влияние на условия на поверхности Земли. Во многих исследованиях при помощи изотопной записи фиксировались серьезные изменения климата Земли, вызванные геологической и биологической активностью. Я уделю внимание только двум примерам: это период выраженного потепления, наставший примерно через 10 миллионов лет после столкновения с астероидом, уничтожившим динозавров, и конец последнего ледникового периода, наступивший 12 000 лет назад.

Палеоцен-эоценовый термический максимум – это одно из самых резких изменений климата Земли со времен образования Чикшулуба. О нем свидетельствует внезапное повышение температуры, совпадающее с резким изменением соотношения ¹³C/¹²C, указывающим на быстрый выброс большого количества Углерода в окружающую среду. Время этого события уточнили с помощью уран-свинцового датирования цирконов с острова Шпицберген в Северном Ледовитом океане – они появились на свет от 55,73 до 55,96 млн лет назад; примерно такая же цифра, 56,09 ± 0,13 млн лет назад, получена при помощи того же метода для цирконов из Венесуэлы⁴.

В это время у фораминифер, обитающих на поверхности, наблюдается внезапное падение соотношения ¹³C/¹²C и в то же время возрастает соотношение ¹⁸O/¹⁶O, а соотношение ¹¹B/¹⁰B снижается на 0,2 %. Наверное, вы уже догадались, что в первом случае причиной стало добавление Углерода из источника с иным, отличным от обычного соотношением изотопов. Второе соотношение мы использовали как показатель температуры. Элемент номер 5, Бор, – новичок среди наших изотопных детективов. У него только два стабильных изотопа, ¹⁰В и ¹¹В, и их соотношение обычно составляет примерно 20 % к 80 %; официальный стандарт соотношения ¹¹B/¹⁰B составляет 4,0437. Бор присутствует в морской воде в концентрации 4,5 ppm и входит в карбонатные раковины фораминифер с уклоном от 1,0 до 2,6 в сторону более легкого изотопа. Главное новое открытие, совершенное с его помощью, заключается в том, что его способность участвовать в формировании карбонатов – это прекрасный показатель того, насколько кислой оказывается среда, и это дает еще один способ, позволяющий определить количество CO₂ в атмосфере.

CO₂ слегка кислый, и поскольку примерно треть всего CO₂, который мы выбросили в атмосферу за последние два с половиной столетия, растворилась в океане, океан тоже становится более кислым в результате следующей химической реакции:

CO₂ + H₂O → H₂CO₃ → HCO₃^— + H⁺ → CO₃^–2 + 2H⁺,

где два иона Водорода – это индикаторы кислого раствора. Кислотность измеряется по шкале pH, на которой чистая вода имеет нейтральное значение 7,00, а сильная кислота, скажем серная, – 2,75. Шкала pH логарифмическая (как и шкала Рихтера при землетрясении), поэтому каждое целочисленное изменение означает увеличение количества ионов Водорода в 10 раз. В середине XVIII века, до сжигания ископаемого топлива, значение pH морской воды составляло 8,179, тогда как сегодня – 8,069. Это на первый взгляд скромное изменение соответствует увеличению количества ионов H^— на 29 %, почти все из них происходят из недавно растворенного CO₂. Закисление океана уже влияет на рост кораллов и планктона.

В морской воде Бор пребывает в двух формах: B(OH)₃ и B(OH)4^—. Соотношение между ними во многом зависит от кислотности: при pH 7,5 соотношение нейтральной молекулы и иона составляет 12:1, а при pH 8,5–1:1. Отличается и изотопное соотношение двух молекул. При текущем pH, составляющем 8,069, B(OH)₃ выше стандартного значения на 4,5 %, а B(OH)^4– на 1,75 % (установлено для pH = 7,5).