Рост концентрации CO2 в атмосфере способствует увеличению растительного покрова

Рис. 1. Рост концентрации углекислого газа в атмосфере с 1958 по 2015 год (в частях на миллион). На врезке — типичный годовой цикл CO2: максимум в мае, минимум в сентябре–октябре. Во время раннеэоценового климатического максимума данный показатель достигал 1400, превышая доиндустриальный уровень (280) в 5 раз, а современный (402) — в 3,5 раза. Рисунок с сайта en.wikipedia.org

Изотопный анализ раковин ископаемых фораминифер позволил уточнить оценки содержания CO2 в атмосфере в разные эпохи кайнозоя. Во время раннеэоценового климатического оптимума (53–51 млн лет назад), когда средняя температура на планете на 14° превышала нынешнюю, концентрация CO2 в атмосфере была около 1400 ppm (частей на миллион). Начавшееся затем похолодание шло параллельно со снижением концентрации CO2, которая к началу олигоцена (33–34 млн лет назад, когда произошло оледенение Антарктиды) уменьшилась более чем вдвое. В другом исследовании, основанном на данных спутниковых наблюдений, показано, что с 1982-го по 2009 год планета заметно позеленела, то есть произошел рост индекса листовой поверхности (площади зеленых листьев на единицу территории) на большей части суши. Экологические модели показывают, что главной причиной бурного развития растительности, скорее всего, является рост концентрации CO2, которая за этот период выросла от 340 до 386 ppm. В целом, новые данные подтверждают и уточняют представления о сильном влиянии концентрации атмосферного CO2 на климат и растительность.

В течение кайнозоя климат нашей планеты претерпел радикальные изменения, которые трудно назвать благоприятными. Теплый и ровный климат, царивший на протяжении всего мезозоя (когда в приполярных областях росли леса и гуляли динозавры), сменился нынешней холодной эрой с резким широтным температурным градиентом и обширными оледенениями в высоких широтах обоих полушарий (см.: К. Ю. Еськов. История Земли и жизни на ней. Глава 13. Кайнозой: наступление криоэры). Началу глобального похолодания предшествовал так называемый раннеэоценовый климатический оптимум (Early Eocene Climate Optimum, EECO) — чрезвычайно теплый период 53–51 млн лет назад, когда средняя температура на планете превышала нынешнюю (доиндустриальную) примерно на 14 градусов (см. Paleocene–Eocene Thermal Maximum). В среднем и позднем эоцене температура неуклонно снижалась, а в начале олигоцена (33,6 млн лет назад) Антарктида покрылась льдом и жизнь на ней погибла. Это событие знаменует начало нынешней холодной эры.

Основной причиной похолодания большинство специалистов считает снижение концентрации углекислого газа в атмосфере. Снижение могло быть вызвано, в частности, подъемом Гималаев, усилившим химическое выветривание горных пород (см. Weathering: Hydrolysis on silicates and carbonates), в ходе которого CO2 изымается из атмосферы. Однако получить точные оценки содержания CO2 в атмосфере в отдаленные геологические эпохи — непростая задача (см. ссылки в конце новости). Имеющиеся на сегодняшний день оценки эоценового уровня CO2 заведомо приблизительны и варьируют в широких пределах: от 500 до 3000 ppm. Это затрудняет проверку гипотезы о роли CO2 в колебаниях кайнозойского климата.

Британские геохимики, чья статья опубликована в журнале Nature, использовали для уточнения оценок новую методику, считающуюся самой надежной и основанную на анализе соотношения изотопов бора (δ11Β) в морских карбонатах. Известно, что доля изотопа 11B в карбонате кальция, кристаллизующемся в морской воде, зависит от pH (см.: N. Gary Hemming and Bärbel Hönisch. Boron Isotopes in Marine Carbonate Sediments and the pH of the Ocean). Кислотность поверхностных вод, в свою очередь, зависит от концентрации CO2 в атмосфере.

Рис. 2. а — соотношение изотопов бора в раковинках мелководных планктонных эоценовых фораминифер; чем выше δ11Β, тем кислее вода; разные значки соответствуют разным видам фораминифер. b — реконструированный на основе этих данных уровень CO2 в атмосфере. c — соотношение изотопов кислорода в скелетах бентосных (донных) фораминифер, которое отражает не столько глубину обитания, сколько глобальные колебания климата (чем выше δ18O, тем теплее климат); по горизонтальной оси — возраст в млн лет. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Очень удобны для такого анализа ископаемые известковые раковинки планктонных протистов — фораминифер, особенно если взять сразу много разных видов, живших одновременно в одном районе. Это позволяет сделать необходимые поправки на различную глубину их обитания и видовую специфику процессов биоминерализации. Глубину, на которой обитал тот или иной вид, можно определить по температуре, при которой происходило формирование известкового скелета, а температуру, в свою очередь, можно оценить по соотношению изотопов кислорода (δ18O) в раковинке. Чем меньше глубина, на которой обитали фораминиферы, тем точнее можно оценить содержание CO2 в атмосфере по кислотности воды, в которой происходило формирование скелета.

Авторы использовали коллекцию прекрасно сохранившихся эоценовых планктонных фораминифер, добытых в ходе бурения в Танзании в рамках проекта Tanzania Drilling Project (TDP) (см.: 80 million years of climate change).

Анализ показал, что во время раннеэоценового климатического оптимума концентрация CO2 составляла 1400±470 ppm (рис. 2). Это выше большинства прежних, менее точных оценок. Таким образом, во времена EECO углекислого газа в атмосфере было в пять раз больше, чем в доиндустриальную эпоху (280 ppm), и в три с половиной раза больше, чем сегодня (402 ppm).

В течение эоцена уровень CO2 неуклонно снижался, и к началу олигоцена, когда Антарктида покрылась льдом, он упал до 550±190 ppm.

Новые данные по углекислому газу лучше согласуются с палеоклиматическими реконструкциями, чем прежние оценки. Получается, что снижение концентрации CO2 шло параллельно с глобальным похолоданием, а значит, оно действительно могло быть его причиной (хотя существует и обратное влияние климата на уровень CO2, см.: Конец последнего оледенения отмечен одновременным повышением температуры и содержания CO2 в атмосфере, «Элементы», 09.04.2013). Правда, согласно большинству имеющихся климатических моделей, для объяснения аномально высоких температур раннеэоценового климатического максимума нужны еще более высокие концентрации CO2, чем те, что получились у британских геохимиков. Это говорит о наличии неучтенных факторов или о том, что новые оценки всё же не совсем точны. Тем не менее обнаруженное авторами значительное снижение уровня CO2 в эоцене–олигоцене является сильным аргументом в пользу того, что колебания концентрации углекислого газа в атмосфере являются одной из важнейших причин климатических изменений.

В другой статье, опубликованной в тот же день (25 апреля) в журнале Nature Climate Change, большой международный коллектив экологов, географов и климатологов также сообщил о новых результатах, показывающих важную роль атмосферного CO2 в регуляции биосферных процессов. В данном случае речь идет о современной эпохе, которая характеризуется быстрым ростом содержания CO2 в атмосфере (хотя до раннеэоценового уровня нам еще очень далеко, см. рис. 1).

Авторы проанализировали данные спутниковых наблюдений за 1982–2009 годы, на основе которых им удалось рассчитать индекс листовой поверхности (см. также: Leaf area index) в период вегетации для всех участков суши, покрытых растительностью. Этот показатель отражает интенсивность роста растений и общую продуктивность растительных сообществ. Результаты показаны на рис. 3.

Рис. 3. Изменения индекса листового покрытия за период с 1982-го по 2009-й год по данным трех независимых массивов спутниковых данных (GIMMS LAI3g, GLOBMAP LAI, GLASS LAI). Положительные значения и соответствующие им цвета (от зеленого до фиолетового) соответствуют увеличению площади листьев («позеленению»), отрицательные значения и цвета от желтого до красного указывают на сокращение листового покрытия («побурение»). Белым цветом обозначены территории, лишенные растительности. Точками обозначены районы, для которых выявленный тренд (рост или снижение индекса листового покрытия) является статистически значимым. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature Climate Change

Главный вывод состоит в том, что за изученный период планета резко позеленела. Площадь листового покрытия на континентах росла на 0,068±0,045 квадратных метров листьев на квадратный метр территории в год. Один из трех использованных массивов спутниковых данных содержит информацию вплоть до 2014 года. Судя по этой информации, процесс не остановился в 2009 году и позеленение продолжается.

Достоверный рост листового покрытия выявлен на 25–50% площади суши (три массива данных дают несколько различающиеся результаты), а достоверное снижение — менее чем на 4%. Самое интенсивное позеленение отмечено на юго-востоке Северной Америки, в северной Амазонии, в Европе, центральной Африке и юго-восточном Китае. Сокращение площади листьев заметно лишь в некоторых районах центральной Южной Америки и северо-востока Северной Америки.

Чтобы разобраться в причинах выявленного тренда, авторы использовали 10 хорошо обоснованных экологических моделей, позволяющих предсказывать изменения индекса листового покрытия на основе данных по атмосферному CO2, климату, азотфиксации, землепользованию и другим факторам, которые потенциально могут влиять на этот индекс. Введя в модели реальные данные по всем этим факторам и усреднив результаты, показанные 10 моделями, авторы получили картинку, мало отличающуюся от той, которую дал анализ спутниковых данных. Серьезные несоответствия обнаружились только в нескольких районах: на юго-западе США, в южной части Южной Америки и в Монголии. Авторы объясняют эти несостыковки тем, что модели слишком чувствительны к изменениям количества осадков. Так или иначе, для большей части суши модели, по-видимому, адекватно отражают экологические механизмы, лежащие в основе изменений листового покрытия.

В отличие от самого изучаемого объекта — растительного покрова планеты — модели позволяют «играть» с параметрами, произвольно меняя их и оценивая получившийся эффект. Например, можно сделать неизменными все параметры, кроме одного, и посмотреть, сильно ли будет отличаться получившаяся картина от реальной. Таким способом можно понять, какие из учтенных в моделях факторов внесли наибольший вклад в выявленные изменения растительности.

Эти упражнения позволили авторам прийти к заключению, что самое сильное влияние на увеличение площади листьев оказал рост атмосферного CO2. Этот фактор объясняет 70% выявленных изменений растительного покрова. Глобальное потепление объясняет еще 8%, причем влияние климата наиболее ощутимо в приполярных районах, а рост концентрации атмосферного CO2 является определяющим фактором в тропиках. Изменения в круговороте азота и в землепользовании (а также факторы, вовсе не учтенные в моделях) тоже вносят свой вклад в позеленение планеты, но он невелик по сравнению с ролью углекислого газа, который растения используют для производства органики в ходе фотосинтеза и дефицит которого является важным лимитирующим фактором для растительных сообществ.

Увеличение количества зелени свидетельствует об общем росте продуктивности наземной растительности. Хорошо это или плохо — вопрос отдельный и непростой. Для разных регионов ответ на него может быть разным. Иногда вторичная растительность, пышно разросшаяся на месте вырубленного старого леса, может иметь больший индекс листового покрытия, чем погибший лес, хотя последний, безусловно, представляет большую ценность со всех точек зрения. Так или иначе, исследование показало, что происходящий в наши дни рост концентрации CO2 приводит к радикальным изменениям растительного покрова. И это несмотря на то, что по сравнению с ранним эоценом достигнутый к настоящему времени уровень CO2 выглядит более чем скромно.

Источники:
1) Eleni Anagnostou, Eleanor H. John, Kirsty M. Edgar, Gavin L. Foster, Andy Ridgwell, Gordon N. Inglis, Richard D. Pancost, Daniel J. Lunt & Paul N. Pearson. Changing atmospheric CO2 concentration was the primary driver of early Cenozoic climate // Nature. Published online 25 April 2016.
2) Zaichun Zhu, Shilong Piao, Ranga B. Myneni, Mengtian Huang, Zhenzhong Zeng, Josep G. Canadell, Philippe Ciais, Stephen Sitch, Pierre Friedlingstein, Almut Arneth, Chunxiang Cao, Lei Cheng, Etsushi Kato, Charles Koven, Yue Li, Xu Lian, Yongwen Liu, Ronggao Liu, Jiafu Mao, Yaozhong Pan, Shushi Peng, Josep Peñuelas, Benjamin Poulter, Thomas A. M. Pugh, Benjamin D. Stocker, Nicolas Viovy, Xuhui Wang, Yingping Wang, Zhiqiang Xiao, Hui Yang, Sönke Zaehle & Ning Zeng. Greening of the Earth and its drivers // Nature Climate Change. Published online 25 April 2016.

См. также:
1) 300 миллионов лет назад углекислого газа в атмосфере было гораздо больше, чем сейчас, «Элементы», 12.01.2007.
2) От глобального потепления спасет закопаемое топливо, «Элементы», 14.03.2007.
3) Алексей Гиляров. Сезонные колебания CO2.
4) Биосфера уже не справляется с избытком СО2, «Элементы», 05.01.2008.
5) Конец последнего оледенения отмечен одновременным повышением температуры и содержания CO2 в атмосфере, «Элементы», 09.04.2013.

Александр Марков