ы

Рис. 1. Увеличение возраста океанической земной коры по мере удаления от срединно-океанических хребтов. Красный цвет — более молодая земная кора, синий — более древняя (шкала в млн лет). Рисунок с сайта en.wikipedia.orgРис. 1. Увеличение возраста океанической земной коры по мере удаления от срединно-океанических хребтов. Красный цвет — более молодая земная кора, синий — более древняя (шкала в млн лет). Рисунок с сайта en.wikipedia.org

ы

Магнитные полюса Земли иногда меняются местами. Информация об этом записана в остаточной намагниченности некоторых минералов, входящих в состав океанической коры: они, по сути, несут в себе палеомагнитную летопись Земли за последние десятки миллионов лет. Океаническая кора рождается в зонах срединно-океанических хребтов, поэтому чем дальше от них, тем кора древнее. Проанализировав палеомагнитные данные за последние 19 млн лет, ученые пришли к выводу, что начиная с середины миоцена скорость спрединга и, соответственно, образования новой океанической коры постепенно снижается. Сейчас она примерно на 40 процентов ниже, чем 15 млн лет назад.

Как правило, горные породы в середине океанов моложе, чем по краям (вблизи континентов). В зонах срединно-океанических хребтов литосферные плиты расходятся (этот процесс называется спредингом) и поступающая из мантии магма постепенно формирует новую земную кору океанического типа. А у материков, в зонах субдукции, тяжелые океанические плиты постепенно пододвигаются под более легкие континентальные, погружаясь в мантию. Так работает глобальный конвейер тектоники плит. От его скорости зависит интенсивность практически всех геологических процессов на Земле — вулканизма, сейсмической активности, образования и разрушения гор, геохимических циклов элементов. Тектоника — важнейший фактор, во многом определяющий уровень моря, климат на планете и состав атмосферы.

Американские геофизики во главе с Коллин Далтон (Colleen Dalton) из Университета Брауна с помощью палеомагнитного метода с высокой степенью разрешения определили возраст пород, образовавшихся за последние 19 млн лет с двух сторон от 18 главных подводных хребтов Мирового океана. Метод основан на явлении палеомагнетизма. Магнитные полюса Земли периодически меняются местами. Эпизоды инверсии ученые фиксируют по смене ориентации магнитных минералов в застывших вулканических породах и используют их как реперы для построения изохрон — линий на геологической карте, все точки которых имеют одинаковый возраст (рис. 2). 

Рис. 2. Зоны спрединга, в которых оценивали скорость образования новой океанической коры. Цветные линии — изохроны (возраст указан в млн лет).Буквенные сокращения — названия литосферных плит: PAC — Тихоокеанская, JDF — Хуан-де-Фука, RIV — Ривера, MAT — Центральноамериканский желоб, COC — Кокос, NAZ — Наска, ANT — Антарктическая, AUS — Австралийская, SAM — Южно-Американская, NAM — Северо-Американская, EUR — Евразийская, NUB — Африканская (Нубийская), SOM — Сомалийская, ARA — Аравийская, IND — Индостанская, CAP — Козерога (см. Capricorn Plate). Рисунок из обсуждаемой статьи в Geophysical Research Letters

Выяснилось, что образование новой океанической коры в рифтовых зонах хребтов быстрее всего шло в среднем миоцене. Затем началось замедление, и сейчас скорость спрединга во всех срединно-океанических хребтах, кроме Южно-Тихоокеанского поднятия, примерно на 35–40% меньше, чем 15 млн лет назад. Сегодня скорость спрединга варьируется от 15 до 180 мм/год, составляя в среднем по планете 140 мм/год, а 15 млн лет назад она, по расчетам авторов, была на уровне 200 мм/год.

Исключение из общего правила представляет граница между Антарктической и Тихоокеанской плитами (ANT—PAC), расположенная в районе Южно-Тихоокеанского поднятия — самой тектонически активной на сегодня зоне океана. Здесь скорость спрединга неуклонно растет. Еще в двух зонах (ANT–AUS и CAP–SOM) производство новой коры в период с 19 до 9 млн лет назад снижалось, а потом снова начало расти. В остальных зонах тренд снижения вполне отчетливый (рис. 3). При этом 70–75% от общего объема новой океанической коры на Земле образуется на пяти границах раздела: PAC–NAZ, PAC–COC и ANT–PAC в Тихом океане, NUB–SAM в Атлантическом и ANT–AUS в Индийском.

Рис. 3. Изменение параметров крупнейших зон спрединга за последние 19 млн лет: a — образование новой океанической коры на границах раздела плит, в млн км2 за млн лет; b — протяженность хребтов, в тыс. км; c — скорость спрединга, в мм/год; d — глобальное производство океанической коры, в млн км2 за млн лет; e — суммарная протяженность хребтов, в тыс. км; f — средняя скорость спрединга, в мм/год. По горизонтали везде — время, в млн лет назад. Буквенные обозначения плит — те же, что на рис. 2. Цвет на графиках d–f: синий — по данным авторов; черный и красный — по данным других исследований. Рисунок из обсуждаемой статьи в Geophysical Research Letters

Причина общего снижения динамики спрединга остается непонятной. Суммарная протяженность подводных хребтов за 19 млн лет практически не изменилась, лишь хребет на границе между Тихоокеанской плитой и плитой Кокос (PAC–COC) за это время стал короче на 2 тыс. км, а граница ANT–PAC — на 1,4 тыс. км длиннее. Но учитывая общую протяженность глобальной сети срединно-океанических хребтов, уменьшение на 0,6 тыс. км можно не принимать во внимание. При этом только за период с 14,9 до 6,0 млн лет назад производство коры снизилось на 37%.

Возможно, считают авторы, объяснение надо искать не в спрединговых хребтах, а в зонах субдукции. Известно, что субдуцирующие (погружающиеся) плиты двигаются примерно в 4 раза быстрее, чем несубдуцирующие — те, которые упираются в другие плиты, а не погружаются в мантию. И если в середине океанов динамика литосферных плит примерно на 90% зависит от глубинных процессов, определяющих режим конвекции — движения вещества в мантии, и только на 10% — от толщины самой плиты (см. C. Lithgow-Bertelloni, M. Richards, 1995. Cenozoic plate driving forces), то в зонах субдукции соотношение этих факторов меняется. Здесь скорость погружения литосферной плиты на 60–70% определяется соотношением направлений мантийных потоков, обеспечивающих затягивание или выталкивание, весом океанической плиты, а также силой трения с континентальной плитой, под которую она погружается (C. Conrad, C. Lithgow-Bertelloni, 2004. The temporal evolution of plate driving forces: Importance of «slab suction» versus «slab pull» during the Cenozoic).

Возможно, причину резкого снижения скорости спрединга — более чем на 20% всего за 5 млн лет — надо искать именно в действии региональных факторов, потому что за такое короткое время не могла произойти глобальная перестройка режима мантийной конвекции. Так, замедление движения восточной части Тихоокеанской плиты авторы связывают с образованием гор на западной окраине Северной и Южной Америки. «Нагруженная» горами континентальная плита сильнее давит на находящуюся под ней океаническую, увеличивая трение и снижая скорость погружения. В других частях планеты ключевую роль могли играть какие-то другие процессы.

Кроме того, замедление скорости движения одной из плит тут же «стопорит» движение остальных. Например, коллизия (столкновение) Индостанской и Евразийской плит с образованием Гималайских гор привела к возникновению вязких напряжений и снижению скорости спрединга на границах IND–SOM, SOM–NUB и NUB–NAM. На рис. 4 показано, как остановка плиты Наска и Южно-Американской плиты вызвала резкое снижение скорости спрединга на сопряженных границах.

aaaa

Рис. 4. Изменение скорости спрединга на границах плиты Наска (a) и Южно-Американской плиты (b) относительно нынешней, в мм/год. Рисунок из обсуждаемой статьи в Geophysical Research Letters

Авторы планируют продолжить исследование, расширив его временные рамки, чтобы понять, является ли наблюдаемое в последние 19 млн лет замедление скорости спрединга самостоятельным явлением или частью долгосрочного тренда. Для этого им надо будет с той же детальностью изучить породы, расположенные на большем удалении от осей срединно-океанических хребтов. Теоретически можно отследить динамику литосферных плит до середины юрского периода. Самая древняя океаническая кора находится в котловине Пигафетта в Тихом океане и имеет возраст 156 млн лет. Более древние породы на дне океанов не сохранились.

Ссылка: https://elementy.ru/novosti_nauki/433964/Okeany_rasshiryayutsya_vsyo_medlennee

Индийский и Тихий океаны омывают Морской континент*. Основные режимы изменчивости температуры поверхности моря в обоих океанах, включая диполь Индийского океана (ДИО) и Эль-Ниньо–Южное колебание (ЭНЮК), могут сильно влиять на осадки на Морском континенте. Распространённость пожаров на Морском континенте тесно связана с количеством осадков и запасами грунтовых вод в сентябре и октябре. Осадки и запасы наземной воды, являющиеся мерой гидрологических условий засухи, в значительной степени зависят от диполя Индийского океана и явлений Эль-Ниньо. Авторы использовали наборы долгосрочных данных для изучения комбинированного воздействия ЭНЮК и ДИО на осадки над Морским континентом за последние 100 лет (1900–2019 гг.) и обнаружили, что сокращение осадков и запасов наземных вод более заметно в годы, когда Эль-Ниньо и положительная фаза ДИО совпадали. Комбинированные негативные эффекты возникают в основном за счёт усиленного уменьшения восходящего движения над Морским континентом. Совпадающие явления Эль-Ниньо и положительная фаза ДИО происходили чаще после 1965 года. Однако климатические модели не прогнозируют их более частое совпадение в условиях сильного потепления, подразумевая, что не глобальное потепление, а естественная изменчивость могут быть ведущей причиной этого явления.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41598-022-11663-1

*Морской континент - регион Юго-Восточной Азии, включающий Индонезию, Филиппины и Папуа-Новую Гвинею.

В условиях глобального изменения климата и быстрой урбанизации часты городские наводнения и засухи, а городские системы водоснабжения сталкиваются с целым рядом серьёзных проблем. Крайне важно оценить устойчивость городских систем водоснабжения и разработать соответствующие стратегии смягчения последствий стихийных бедствий и улучшения ситуации. Системы городского водоснабжения включают в себя множество подсистем, но существующие исследования обычно сосредоточены лишь на одной подсистеме. Поэтому в данной статье предлагаются методы корреляционного и факторного анализа для системы индексов оценки устойчивости городских систем водоснабжения путём объединения подсистем и применения теории серых систем. Метод может отражать четыре фактора процесса водоснабжения (источник воды, водопровод, водопроводно-распределительная сеть и пользователи) и пять факторов системы управления городом (общество, природная среда, экономика, физика и организация). Авторы использовали многоуровневую интегрированную модель оценки, основанную на облачной модели, применив её в качестве примера для анализа устойчивости системы водоснабжения Циндао (города на берегу Жёлтого моря). Результаты обеспечивают поддержку принятия решений для планирования и создания систем устойчивости городских сетей водоснабжения в краткосрочной и долгосрочной перспективе на основе четырёх основных факторов.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41598-022-11436-w

В июне 2021 года на западе Северной Америки наблюдалась рекордная волна тепла, выходящая за рамки ранее наблюдаемых температур. Хотя ясно, что это событие было экстремальным, не известно, происходили ли в других районах мира события, выходящие далеко за пределы их естественной изменчивости. Используя новую оценку экстремальных температур, авторы исследуют, насколько экстремальным было это событие в глобальном контексте. Если характеризовать относительную интенсивность события как число стандартных отклонений от среднего значения, волна тепла в западной части Северной Америки примечательна тем, что имеет более четырёх стандартных отклонений. На всём земном шаре по эпизодам, о которых есть надёжные данные, с 1960 года было найдено только пять других волн тепла, оказавшихся более экстремальными. Обнаружено, что как в реанализах, так и в климатических сценарных прогнозах статистическое распределение экстремальных явлений увеличивается со временем в соответствии со средним сдвигом распределения. из-за изменения климата. Регионы, в которых по воле случая не было недавней экстремальной жары, могут быть менее подготовлены к потенциально неизбежным событиям.

Ссылка: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm6860

Уменьшение воздействия заморозков при зимнем потеплении имеет последствия для связывания углерода северными лесами. Однако количественная оценка этого воздействия на рост деревьев представляет собой сложную задачу из-за изменчивости морозостойкости и фенологических признаков между видами деревьев и внутри них. Здесь дана всесторонняя оценка отклика роста деревьев на частоту заморозков в холодное время года на основе обширного набора данных годичных колец, охватывающего леса Канады. Это исследование показывает, что реакция роста деревьев на воздействие заморозков различается по направлению и величине в зависимости от клады* и вида, а также в зависимости от особенностей распускания листвы, возраста и размера дерева и факторов окружающей среды. Такая количественная оценка может помочь предсказать динамику углерода суши в условиях изменения климата.

Поскольку северные широты испытывают быстрое зимнее потепление, существует острая необходимость в оценке влияния различных зимних условий на рост деревьев и способность лесов поглощать углерод. Авторы изучили реакцию роста деревьев на изменчивость частоты морозных дней в холодный сезон (ноябрь – апрель) с 1951 по 2018 гг., используя данные годичных колец 35 217 деревьев и 57 видов на 4375 участках, расположенных по всей территории Канады. Они обнаружили, что ежегодные реакции радиального роста на частоту морозных дней варьировались в зависимости от вида, с некоторыми общими чертами среди родов и клад. Рост голосеменных растений с поздневесенним распусканием листьев был отрицательно связан с частотой морозных дней; годы с высокой частотой морозных дней оказались наиболее губительными для годового прироста Pinus Banksiana, Pinus contorta, Larix lyalli, Abies amabilis и Abies lasiocarpa. Напротив, рост покрытосеменных растений с ранним распусканием листьев, а именно Populus tremuloides и Betula papyrifera, был лучше в самые холодные годы, а у голосеменных растений с промежуточным временем распускания листьев, таких как широко распространенные Picea mariana и Picea glauca, не было стабильного роста в зависимости от частоты морозных дней. Реакция роста деревьев на частоту морозных дней дополнительно зависела от размера деревьев, их возраста, регионального климата (т.е. средней температуры холодного сезона) и местных условий. В целом, полученные результаты показывают, что умеренно тёплые зимы могут временно улучшить рост широко распространённых сосен и некоторых высокогорных хвойных деревьев в западной Канаде, но одновременно нанести ущерб росту широко распространённых бореальных покрытосеменных растений. Эти результаты также подчёркивают ценность использования взаимосвязей между климатом и ростом для конкретных видов для уточнения прогнозов динамики углерода в лесах.

Ссылка: https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2117464119

*Клада - группа, содержащая общего предка и всех его прямых потомков

Чтобы управлять водными ресурсами и защищать их, необходимо понимать круговорот воды. Пассивные микроволновые радиометры на борту спутников используются для мониторинга водных ресурсов, таких как влажность почвы. Однако эти микроволновые датчики слишком грубы, чтобы фиксировать мелкомасштабные метеорологические особенности, способные влиять на крупномасштабные явления, происходящие в круговороте воды. Другие космические инструменты производят изображения с более высоким разрешением, но эти инструменты гораздо более чувствительны к помехам, создаваемым облаками, что ограничивает их полезный охват.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s43017-022-00303-x

Недавние исследования, посвящённые микробам, связывающим углерод, показывают, что нам ещё многое предстоит узнать о биологическом углеродном насосе океана. 

Океан играет решающую роль в связывании углерода. Фитопланктон, обитающий на тёплой, наполненной светом поверхности, при питании захватывает углекислый газ из атмосферы. Ему также нужны питательные вещества, такие как фосфор и азот, из более холодной, тяжёлой и солёной воды, которая поднимается в более тёплые слои. Когда фитопланктон умирает, он тонет, возвращая в глубины океана часть углерода и других поглощаемых питательных веществ. 

Ключом к этому циклическому процессу, известному как биологический углеродный насос океана, является вертикальное перемешивание поверхностных и более глубоких слоёв воды, происходящее с помощью таких механизмов, как течения, ветры и приливы. Однако, поскольку более высокие температуры океана вызывают большее расслоение, традиционные научные модели уже давно предсказывают, что по мере нагревания планеты этот процесс будет нарушен, фитопланктон не сможет процветать, а океан будет поглощать меньше углерода. 

Два недавних исследования показали ограничения таких моделей. В одном из них обнаружены доказательства того, что фитопланктон может стать более эффективным по мере нагревания океана. В другом сообщалось об открытии нового, широко распространённого вида океанических микробов, также способных улавливать углерод. 

«Мы часто рассматриваем реакцию круговорота углерода в океане на глобальное потепление как включение-выключение, но эти результаты показывают, что это переключатель, обладающий некоторой гибкостью, чтобы позаботиться о себе», — сказал Майк Ломас (Mike Lomas), старший научный сотрудник в Лаборатории наук об океане Бигелоу в штате Мэн и ведущий автор первого исследования, опубликованного в Nature Communications. 

Лучшие методы на горизонте 

Ломас и его коллеги проанализировали данные Саргассова моря - 30-летние временные ряды Бермудских островов в Атлантическом океане (в рамках этого исследования ежемесячно производится отбор проб океана с 1988 года для изучения питательных веществ, углерода, солёности, температуры и других свойств океанской воды). Ломас и его соавторы обнаружили, что, хотя из глубин океана поднимается меньше питательных веществ, фитопланктон по-прежнему поглощает углерод из атмосферы. Они предположили, что одной из причин этого явления может быть то, что распределение фитопланктона благоприятствует тем видам, которым требуется меньше питательных веществ из глубин океана. 

По словам Ломаса, одним из ключевых моментов статьи является идея о том, что соотношение углерода к азоту и фосфору в фитопланктоне (известное как коэффициент Редфилда), используемое в традиционных моделях изменения климата, может быть не применимо к определённым видам фитопланктона. Некоторые виды, сказал Ломас, «на самом деле могут продолжать фиксировать углерод в соотношении, которое теперь в два или три раза выше, чем коэффициент Редфилда, что в основном означает, что они всё ещё способны поглощать углекислый газ, даже когда уменьшено потребление азота и фосфора, поэтому это соотношение намного выше». 

Стивен Эмерсон (Steven Emerson), почётный профессор химической океанографии Вашингтонского университета, не участвовавший в исследовании, говорит, что сбор данных в рамках исследования временных рядов Бермудских островов в Атлантическом океане был замечательным и важным. Однако, по его словам, станция использует более старый метод, известный как метод ловушки для отложений, для измерения потока углеродных частиц (скорости, с которой углерод опускается в глубины океана). «Известно, что данный конкретный метод (ловушка для отложений) не имеет смысла для определения этого потока, если сравнивать его с другими методами», — сказал Эмерсон. 

По словам Эмерсона, существуют более новые и надёжные методы измерения потока углеродных частиц в океане с использованием мощных оптических приборов, которые устанавливаются на поплавки и могут измерять частицы с большей чувствительностью каждые пять дней. Поплавки «очень скоро будут по всему океану», сказал он. «И они, помогут проверить, действительно ли этот поток отстойников (в статье Ломаса) верен… Так что, вы знаете, продолжение следует». 

Новый океанический микроб ловит свою жертву 

В другом исследовании, также опубликованном в Nature Communications, Мартина Доблин (Martina Doblin), океанограф из Технологического университета Сиднея в Австралии, и её коллеги описали морские микробы, называемые Prorocentrum cf. balticum. Этот вид является миксотрофом, это означает, что он может осуществлять фотосинтез, как фитопланктон, но он также может потреблять другие микробы, что позволяет ему жить в более глубоких слоях океана. Более того, Prorocentrum cf. balticum использует углерод, полученный в результате фотосинтеза, для создания структуры из слизи, которую исследователи назвали «мукосферой», химически привлекающей и захватывающей другие микробы, некоторые из которых Prorocentrum cf. balticum затем потребляет. «Он берёт похожий на соломинку придаток и высасывает внутренности этих микробов, оказавшихся в ловушке», — сказала Доблин. — А потом отпускает. По её словам, внутри слизистой оболочки находятся различные микробы (и углерод), и, поскольку слизистая оболочка имеет «отрицательную плавучесть», она тонет.

Доблин сказала, что исследование началось с предположения, что если океан станет более непредсказуемым, то он может благоприятствовать миксотрофам. Она и её команда взяли пробу океанской воды на океанографической станции, расположенной в 30 км к юго-востоку от Сиднея. Микаэла Ларссон (Michaela Larsson), постдокторант в лаборатории Доблин, затем поместила образец в условия низкой освещённости, чтобы любым микробам для выживания требовалось нечто большее, чем фотосинтез. 

Через неделю, по словам Доблин, Ларссон заметила, что у них в изобилии один вид организмов, и она начала кормить их разными видами пищи и подвергать разным условиям освещения. Команда сопоставила ДНК существа с образцами из проекта Tara Oceans, в рамках которого междисциплинарная группа учёных совершила кругосветное плавание и взяла образцы океанских микробов в 210 различных местах. 

Доступ к этим данным, по словам Доблин, позволил её команде показать, что их открытие было важным. «Это позволило нам надёжно установить, что этот организм действительно довольно многочислен и широко распространён».

Ссылка: https://eos.org/articles/the-ocean-is-still-sucking-up-carbon-maybe-more-than-we-think

Реконструкции бывших горных ледников дают уникальную возможность собрать данные о палеоклимате Земли. Ледники имеют простую связь с климатом: когда холодно и/или идёт снег, ледники растут, а когда тепло и/или сухо, они сокращаются. Как годовые осадки, так и летние температурные условия контролируют линию на леднике, называемую высотой линии равновесия, над которой находится зона накопления (где ледники набирают массу), а ниже - зона абляции (где ледники её теряют). Ледники также оставляют после себя формы рельефа, такие как морены, по мере своего роста и отступления. До эры компьютеров исследователи использовали топографические карты и расположение морен в качестве руководства для ручной экстраполяции поверхности льда и получения высоты линии равновесия на основе этих поверхностей. Однако эти подходы отнимали много времени и подвержены человеческим ошибкам.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s43017-022-00293-w

Наблюдения за загрязнителями воздуха необходимы для предупреждения об опасных концентрациях в воздухе и обеспечения соблюдения предприятиями требований к его качеству. Однако современные мониторы качества воздуха, используемые для этих измерений, могут быть дорогими в установке и обслуживании. Федеральные и региональные правительства должны соблюдать баланс между различными интересами при выборе мест размещения нескольких мониторов. Поэтому мониторы не всегда располагаются в тех местах, где граждане больше всего нуждаются в данных, что создаёт потребность в более доступных технологиях мониторинга воздуха. Относительно дешёвые и надежные датчики воздуха в сочетании с технологией Raspberry Pi могут увеличить объём собираемых данных о качестве воздуха.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s43017-022-00297-6

Подлёдные водовороты преобладают в основной системе циркуляции в западной части Северного Ледовитого океана, круговороте Бофорта. Теоретические исследования предполагают, что влияние вихрей и торможение льдом и океаном являются ключевыми механизмами уравновешивания круговорота в ответ на атмосферные ветры. Однако вследствие суровых погодных условий и ограниченности инструментов дистанционного зондирования, наблюдения за вихрями в покрытом льдом Северном Ледовитом океане крайне редки. Следовательно, эволюция подледного вихревого поля, его влияние на изменчивость круговорота и их взаимная реакция на продолжающееся арктическое потепление остаются неопределёнными. Авторы выводят характеристики подледного вихревого поля, устанавливая его тесную связь с угловыми скоростями изолированных вращающихся морских льдин в краевых ледовых зонах. Используя данные спутниковых наблюдений за краевыми ледяными зонами в западной части Северного Ледовитого океана более чем за два десятилетия, они идентифицировали и отследили тысячи льдин и использовали идеализированное моделирование вихрей, чтобы сделать вывод о межгодовой эволюции энергии вихрей подо льдом. Обнаружено, что вихревое поле сильно коррелирует с силой круговорота Бофорта в межгодовых временных масштабах, это обеспечивает согласие основных данных наблюдений с гипотезой уравновешивания круговорота вихрями. Предполагаемые тенденции за последние два десятилетия означают, что круговорот и его вихревое поле усиливаются по мере сокращения морского ледяного покрова. Эти результаты показывают, что с продолжающимся сокращением площади морского льда вихревое поле и круговорот Бофорта будут продолжать усиливаться и приводить к увеличению переноса пресноводных и биогеохимических индикаторов.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41598-022-10712-z