Благоприятные условия для жизни на Земле возникли частично благодаря естественному круговороту углекислого газа из атмосферы планеты к её скалистому «интерьеру» и обратно.
Учёные из Стэнфордского университета (Stanford University) разработали пару математических уравнений, позволяющих лучше описать, как топография, скалистые горные породы и потоки воды влияют на жизненно важный процесс рециркуляции.
Учёные давно подозревали, что, так называемый, геологический углеродный цикл ответственен за мягкие и благоприятные для жизни условия на Земле, потому что именно он позволяет отрегулировать атмосферную концентрацию углекислого газа и парниковых газов, которые заманивают в «ловушку» солнечное тепло. Этот цикл, как полагают учёные, сыграл важную роль в медленном «оттаивании» планеты после периодов, когда температура опускалась настолько низко, что Земля превращалась в огромный ледяной шар.
По словам доцента кафедры геологии и наук об окружающей среде Kate Maher, которая разработала уравнения вместе со своей коллегой Page Chamberlain, математические уравнения подразумевают, что различные ландшафты характеризовались различным потенциалом для регулирования циркуляции углекислого газа. Результаты исследования, проводившегося при поддержке Национального фонда научных исследований (National Research Foundation), были представлены в статье, опубликованной 14 марта 2014 года в журнале «Science»
Геологический углеродный цикл начинается, когда вулканы испускают в атмосферу углекислый газ. Часть углекислого газа (CO2) смешивается с дождевой водой, содержащейся в облаках, и падает обратно на Землю в виде углеродной кислоты. Достигнут поверхности нашей планеты, углеродная кислота вступает в химические реакции и разрушает («разъедает») скалистые горные породы, возвышающиеся над поверхностью Земли, в результате чего образуется бикарбонат и многие химические элементы, такие как кальций и магний, которые в конечном итоге смываются в Мировой океан.
За миллионы лет, эти химические элементы превратились в горные породы, известные как известняк. Во время движение тектонических плит, углеродосодержащие осадочные горные породы осушались и углерод снова трансформировался в CO2, тем самым завершая цикл.
Уравнения, разработанные Maher and Chamberlain, учитывают компонент «кислотного разъедания» геологического углеродистого цикла. Специфика «кислотного разъедания» зависит от нескольких факторов. Одним их них является структура почвы: более старые почвы, под воздействием атмосферных осадков растворяются намного медленнее, нежели почвы из «свежей» породы. По словам Maher, с течением времени почва и осадочные отложения в ней становятся менее химически активными. Она отмечает, что физическая эрозия, которая часто ассоциируется со скалистыми районами, пополняет почву полезными ископаемыми (минералами).
Вторым фактором является время, за которое вода проходит через почву. Исследователи назвали эту переменную «временем жидкого протекания». Чем дольше дождевая вода проходит через почву, тем интенсивнее происходит «кислотное разъедание». Эта переменная напрямую зависит от топографии ландшафта, ведь, как известно, вода по плоской горизонтальной поверхности течёт медленнее, нежели по наклонной поверхности.
В реальности, взаимодействие этих факторов происходит крайне сложно. Они могут «работать» как сообща, ускоряя процесс «кислотного разъедания», так и противостоять друг другу, замедляя этот процесс. Например, при выпадении осадков на поверхность горы, коррозийная вода может течь быстрее за счет наклона, таким образом, уменьшая «время жидкого протекания». Однако почвы в горных районах, как правило, относительно молоды, ввиду чего богаче такими элементами, как магний и кальций, следовательно, более химически активны.
«Конкуренция» между потоками воды и химической активностью почвы определяет степень «кислотного разъедания». Maher и Chamberlain убеждены, что эти факторы крайне важны для поддержания уровня СО2, а, следовательно, и соответствующей температуры, пригодной для поддержания жизни.
Уравнения могут улучшить представление учёных о геологическом углеродистом цикле, поскольку они учитывают взаимодействие геологических и гидрологических факторов, влияющих на «кислотное разъедание» горных пород. До этого, учёные, как правило, учитывали воздействие факторов рельефа и водных потоков на интенсивность «кислотного разъедания» по отдельности.
Maher и Chamberlain в настоящее время анализируют реальные наблюдения за реками со всего мира, дабы улучшить разработанные ими уравнения.
