Силурийская гипотеза

Хотя официальное объявление антропоцена самостоятельной геологической эрой всё ещё ожидает своего часа (Crutzen, 2002; Zalasiewicz et al., 2017), уже ясно, что наши человеческие усилия окажут воздействие на геологическую летопись, которая формируется в наши дни (Waters et al., 2014). Какие бы то ни было споры относительно конкретной границы, которая определит этот новый период, не относятся к нашим целям, потому что предложенные маркеры (концентрации газов в ледяном покрове, радиоактивность с коротким периодом полураспада, Колумбов обмен) (например. Lewis & Maslin, 2015; Hamilton, 2016) явно не обещают быть геологически устойчивыми или различимыми на отрезках времени, измеряемых миллионами лет. Однако существуют многочисленные изменения, которые уже произошли и сохраняются. Ниже мы обсуждаем некоторые из них.

Анализ антропогенного следа на геологической шкале времени выявляет интересный парадокс. Чем продолжительнее время существования человеческой цивилизации, тем больше тот сигнал, который можно было бы ожидать в геологической летописи. Однако чем больше продолжительность существования цивилизации, тем ближе должны быть её методы хозяйствования к модели устойчивого развития, чтобы она смогла выжить. Чем более устойчивым в развитии будет общество (например, в области выработки энергии, в производстве или земледелии), тем меньшим будет его след на остальной части планеты. Но, чем меньше этот след, тем меньше будет сигнал, заключённый в геологической летописи. Таким образом, след цивилизации мог бы самоограничиваться на относительно коротком отрезке шкалы времени. Чтобы избежать рассуждений о дальнейшей судьбе человечества, мы рассмотрим лишь те виды воздействий, которые уже отчётливо заметны, или которые возможно предсказать по достоверным траекториями для следующего столетия (например. Nazarenko et al., 2015; Köhler, 2016).

Обращаем внимание на то, что эффективный темп накопления осадка в океанических отложениях для кернов с осадком возрастом во много миллионов лет составляет в лучшем случае величину порядка нескольких сантиметров за 1000 лет, и если темпы биотурбации могут размыть сигнал короткого отрезка времени, то антропоцен, вероятно, будет выглядеть всего лишь как участок толщиной несколько сантиметров, и появится в летописи почти мгновенно.

Устойчивые изотопные аномалии углерода, кислорода, водорода и азота

Начиная с середины 18-го века, люди высвободили более 0,5 триллиона тонн ископаемого углерода путём сжигания угля, нефти и природного газа (Le Quéré et al., 2016), со скоростью, на порядок превышающей таковую у естественных долговременных процессов его высвобождения или поглощения. Кроме того, была широко распространена вырубка лесов, и двуокись углерода поступала в воздух в процессе сжигания биомассы. Весь этот углерод имеет биологическое происхождении, и потому обеднён изотопом ¹³C по сравнению с гораздо большими запасами неорганического углерода (Revelle & Suess, 1957). Таким образом, соотношение ¹³C и ¹²C в атмосфере, океане и почвах уменьшается (воздействие, известное как «эффект Зюсса» (Quay et al., 1992)), и на настоящий момент изменение составляет около 1‰ δ¹³C в поверхностных слоях океана и в атмосфере, начиная с доидустриальной эпохи (Böhm et al., 2002; Eide et al., 2017) (рис. 1 (a)).

Как следствие увеличения содержания ископаемого углерода в системе, с дополнениями в виде изменения количества сажи, другими отличными от CO₂ следовыми парниковыми газами (например. N₂O, CH₄ и хлорфторуглероды (ХФУ)), глобальная индустриализация сопровождалась потеплением — на данный момент примерно на 1 °C, считая с середины 19-го века (Bindoff et al., 2013; GISTEMP[4] Team, 2016). Из-за зависящего от температурных условий фракционирования в образовании карбонатов (Kim & O’Neil, 1997) (−0,2‰ δ¹⁸O на 1 °C) и жёсткой корреляции во внетропической зоне между температурой и δ¹⁸O (между 0,4 и 0,7‰ на 1 °C) (и ∼8× более чувствительной для изотопов дейтерия относительно водорода (δD)), мы ожидаем, что данное повышение температуры будет обнаружимо в поверхностных океанических карбонатах (в частности, у фораминифер), в органических биомаркерах, летописи пещерных отложений (сталактитах), в озёрных рачках-остракодах и кернах льда из высоких широт, хотя в рамках, рассматриваемых в данном случае масштабов времени можно будет выявить лишь первые два случая.

Сжигание ископаемого топлива, изобретение процесса Габера-Боша, повсеместное применение азотных удобрений и ускоренный темп фиксации азота, связанный с культивируемыми растениями, оказали значительное воздействие на азотный цикл (Canfield et al., 2010) — оно таково, что аномалии δ¹⁵N уже обнаружимы в отложениях, удалённых от цивилизации (Holtgrieve et al., 2011).

Летопись осадочных отложений

Есть множество причин значительного увеличения сноса осадка реками, и, соответственно, его отложения в прибрежных природных средах. Появление сельского хозяйства и связанного с ним сведения лесов привело к значительному усилению эрозии почв (Goudie, 2000; National Research Council, 2010). Кроме того, шлюзование рек (таких, как Миссиссипи) привело к значительно большему отложению океанских осадков, чем могло бы наблюдаться в ином случае. Данную тенденцию несколько ослабляет параллельное увеличение количества речных плотин, которые снижают объёмы осадка, сносимого вниз по течению. В дополнение к этому повышение температуры и увеличение содержания водяного пара в атмосфере стали причиной большей интенсивности осадков (Kunkel et al., 2013), что само по себе также привело бы к большей эрозии, по крайней мере, в отдельных регионах. Эрозия берегов также возрастает как следствие повышения уровня моря, а в полярных областях она усиливается за счёт уменьшения количества морского льда и таяния вечной мерзлоты (Overeem et al., 2011).

В дополнение к изменениям в потоке осадочных отложений с суши в океан изменится также сам состав осадка. Из-за повышенного растворения CO₂ в океане вследствие антропогенного выброса CO₂ верхний слой океана закисляется (увеличение содержания H⁺ на 26 % или снижение pH на 0,1 с 19-го века) (Orr et al., 2005). Это приведёт к усилению процесса растворения CaCO₃ в составе осадка, которое будет продолжаться, пока океан не сможет нейтрализовать это увеличение. Произойдут также существенные изменения в минералогии (Zalasiewicz et al., 2013; Hazen et al., 2017). Усиление выветривания на континентах также, вероятно, изменит соотношения стронция и осмия (то есть, соотношения ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr и ¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os) (Jenkyns, 2010).

Как уже обсуждалось выше, содержание азота в реках увеличивается как следствие методов ведения сельского хозяйства. Это, в свою очередь, приводит к усилению деятельности микробов в прибрежной зоне океана, которая может исчерпать растворённый в толще воды кислород (Diaz & Rosenberg, 2008), а недавние обзоры указывают на снижение его содержания по всему миру уже примерно на 2 % (Ito et al., 2017; Schmidtko et al., 2017). Это, в свою очередь, приводит к расширению зон с минимальным содержанием кислорода, большему масштабу аноксии в океане и возникновению так называемых «мёртвых зон» (Breitburg et al., 2018). Поэтому для осадка в пределах этих областей будут характерны большее содержание органики и меньшая интенсивность биотурбации (Tyrrell, 2011). Окончательная степень распространения этих мёртвых зон неизвестна.

Кроме того, объёмы антропогенных потоков свинца, хрома, сурьмы, рения, металлов платиновой группы, редкоземельных элементов и золота в настоящее время значительно превышают их поступление из естественных источников (Sen & Peucker-Ehrenbrink, 2012; Gałuszka et al., 2013); это подразумевает, что будет наблюдаться резкий пик в потоке этих металлов в составе речного стока и, следовательно, их более высокая концентрация в прибрежных отложениях.

Фаунистическая радиация и вымирания

Последние несколько веков стали временем существенных изменений численности и распространения мелких животных, в частности, крыс, мышей и кошек, и т. д., что связано с исследованием человеком Земли и биотическим обменом. В настоящее время изолированные популяции почти везде во многих отношениях замещены этими чужеродными видами. Летопись окаменелостей, вероятно, отразит большую фаунистическую радиацию этих индикаторных видов в данной точке. В то же самое время много других видов уже вымерло или с большой вероятностью вымрет, и их исчезновение из летописи окаменелостей будет заметным. По прошествии многих миллионов лет в будущем вымирания крупных млекопитающих, которые произошли в конце последнего ледникового периода, также будут связаны с началом антропоцена.

_{Рис. 1. Схематические кривые стабильных изотопов углерода и температуры (или связанных параметров) на протяжении трёх периодов.}

_{(a) Современная эпоха (от 1600 г. н. э. с проекцией до 2100 г.). Изотопы углерода взяты из морских губок (Böhm et al., 2002), а прогнозы — из Кёлера (Köhler, 2016). Температуры даны по Манну и др. (Mann et al., 2008) (реконструкции), GISTEMP (Hansen et al., 2010) (по данным измерений), и дан их прогноз до 2100 г. с использованием результатов Назаренко и др. (Nazarenko et al., 2015). Прогнозы подразумевают график изменения количества выбросов в соответствии со сценарием RCP8.5}[5] _{(van Vuuren et al., 2011).}

_{(b) Палеоцен-эоценовый термический максимум (55.5 млн. лет назад). Данные из двух кернов, полученных в рамках проекта DSDP}[6] _{(589 и 1209B) (Tripati & Elderfield, 2004), использованы для оценки аномальных изотопных изменений; чтобы показать тенденции более отчётливо, применяется сглаживание по алгоритму LOESS с интервалом 200 тыс. лет назад. Изменения температур оценивались по наблюдаемому δ¹⁸O карбонатному с использованием стандартной калибровки (Kim & O’Neil, 1997).}

_{(c) Океанское аноксическое событие 1a (около 120 млн. лет назад). Данные по изотопам углерода — из кернов La Bédoule и Cau палео-Тетиса (Kuhnt et al., 2011; Naafs et al., 2016), скомпонованы, как у Наафса и др. (Naafs et al., 2016) и выстроены в упрощённую модель в соответствии с возрастом. Данные от Alstätte (Bottini & Mutterlose, 2012) и с участка 398 из программы DSDP (Li et al., 2008) расположены на основании последовательности аномалий δ¹³C. Оценки изменений температуры получены по данным TEX86}[7] _{(Mutterlose et al., 2014; Naafs et al., 2016). Обратите внимание, что ось Y во всех трёх случаях соответствует одинаковому диапазону отклонений, тогда как шкала времени значительно меняется.}

Искусственно возникшие синтетические вещества

Существует много химических веществ, которые производят (или производили) промышленным способом, и которые по разным причинам способны распространяться и сохраняться в окружающей среде на протяжении долгого времени (Bernhardt et al., 2017). Особенно примечательно, что устойчивые органические загрязнители (органические молекулы, стойкие к разложению посредством химических, фотохимических или биологических процессов) известны своим распространением по всему миру (даже по нетронутым в иных отношениях природным средам) (Beyer et al., 2000). Их устойчивость зачастую связана с тем, что они представляют собой галогенированные органические соединения, потому что прочность связи C–Cl (например) значительно больше, чем C–C. Например, полихлорированные бифенилы известны тем, что продолжительность их существования в речном осадке составляет много сотен лет (Bopp, 1979). Однако неясно, насколько долго их обнаружимый сигнал мог бы сохраняться в океанских отложениях.

Другие хлорированные соединения также могут обладать потенциалом долгосрочного сохранения, особенно хлорфторуглероды (ХФУ) и родственные им соединения. И если для самого устойчивого соединения (CF₄) существуют естественные источники, то для C₂F₆ и SF₆, следующих среди самых устойчивых соединений, существуют только антропогенные источники. В атмосфере их убыль посредством фотолитического распада в стратосфере ограничивает сроки их существования несколькими тысячами лет (Ravishankara et al., 1993). Соединения растворяются в океане, и их можно использовать как маркеры для отслеживания циркуляции океанов, но нам неизвестны исследования, показывающие, насколько долго эти химические вещества могли бы сохраняться и/или были обнаружимыми в океаническом осадке, если принять во внимание немногочисленные ограниченные свидетельства их микробного разложения в анаэробных средах (Denovan & Strand, 1992).

Другие классы синтетических биомаркеров также могут сохраняться в отложениях. Например, стероиды, воск с листьев, непредельные кетоны и липиды могут сохраняться в отложениях на протяжении многих миллионов лет (а именно, Pagani et al., 2006). Что могло бы отличить биомаркеры, появившиеся естественным образом, от синтетических, так это хиральность молекул. Многие способы полного синтеза не разделяют D- и L-хиральность, тогда как биологические процессы — почти исключительно монохиральны (Meierhenrich, 2008) (например, все появившиеся естественным путём аминокислоты — только L-формы, а почти все сахара — D-формы). Синтетические стероиды, у которых отсутствуют природные аналоги, в настоящее время также встречаются в водоёмах повсеместно.

Пластмассы

С 1950 года произошло колоссальное увеличение количества пластика, попадающего в океан (Moore, 2008; Eriksen et al., 2014). Хотя многие обычные формы пластика (вроде полиэтилена и полипропилена) плавают в морской воде, и даже те, что номинально тяжелее воды, могут входить в состав плавающего мусора, остающегося на поверхности воды, уже ясно, что механические эрозионные процессы приведут к появлению больших количеств пластиковых микро- и наночастиц (Cozar et al., 2014; Andrady, 2015). Исследования показали увеличивающееся количество пластиковой «морской подстилки» на морском дне от прибрежных территорий до глубоководных бассейнов и Арктики (Pham et al., 2014; Tekman et al., 2017). На пляжах обнаружены недавно возникшие «пластигломераты», где мусор, содержащий пластик, подвергается воздействию высоких температур (Corcoran et al., 2014).

Разложение пластмасс происходит главным образом благодаря солнечному ультрафиолетовому излучению; в океанах оно происходит главным образом в фотической зоне (Andrady, 2015) и особенно сильно зависит от температуры (Andrady et al., 1998) (прочие механизмы вроде термоокисления или гидролиза протекают в океане с трудом). Уменьшение количества мелких кусочков пластика из-за обрастания их сидячими организмами, их заглатывание и включение в состав «дождей» из органики, которые опускаются на морское дно — эффективный механизм их доставки на морское дно, приводящий ко всё большему накоплению их в океанических отложениях, где темп их разложения значительно медленнее (Andrady, 2015). Когда они попадают в осадок, деятельность микробов — это возможный путь разложения (Shah et al., 2008), но его скорость во многом зависит от доступности кислорода и наличия подходящих микробных сообществ.

Как уже говорилось выше, окончательная долгосрочная судьба этих пластмасс в отложениях неясна, но потенциал очень долгосрочного сохранения и возможности обнаружения высок.

Трансурановые элементы

Многие радиоактивные изотопы, которые имеют отношение к антропогенному расщеплению или ядерному оружию, обладают периодом полураспада, который бывает долгим, но не настолько долгим, чтобы о нём можно было говорить в данном случае. Однако существуют два изотопа, которые потенциально достаточно долговечны. А именно, плутоний-244 (период полураспада 80,8 миллионов лет) и кюрий-247 (период полураспада 15 миллионов лет) могли бы оставаться обнаружимыми на протяжении значительной части интересующего нас периода времени, если они были накоплены в достаточных количествах, скажем, в результате обмена ударами ядерного оружия. Помимо сверхновых звёзд, никаких естественных источников ²⁴⁴Pu не известно.

Были предприняты попытки обнаружить первобытный ²⁴⁴Pu на Земле, и они завершились со смешанным успехом (Hoffman et al., 1971; Lachner et al., 2012); это указывает на то, что темп накопления метеоритов, содержащих металлы из ряда актиноидов, достаточно медленный (Wallner et al., 2015) для того, чтобы быть надёжным маркером, если произойдёт достаточно масштабный обмен ядерными ударами. Аналогичным образом ²⁴⁷Cm присутствует в отходах ядерного топлива и является одним из последствий ядерного взрыва. Аномальные соотношения изотопов в элементах с долгоживущими радиоактивными изотопами также являются возможными указателями: например, пониженное по сравнению с обычным соотношение ²³⁵U и присутствие ожидаемых продуктов распада, в урановых рудах из Франсвильского бассейна в Габоне были отслежены до начавшегося естественным образом ядерного распада в окисленных гидратированных породах ~2 млрд. лет назад (Gauthier-Lafaye et al., 1996).

Резюме

Антропоценовый слой в океанических отложениях будет резко выраженным и многовариантным, состоящим из явственно совпадающих характерных пиков многочисленных геохимических связанных величин, биомаркеров, элементного состава и минералогии. Он, вероятнее всего, разграничит чёткий переход таксонов фауны до события по сравнению с последующим состоянием. Многие из отдельно взятых маркеров не будут уникальными в контексте истории Земли, как мы показываем ниже, но комбинация индикаторов может быть именно такова. Однако мы утверждаем, что уникальными могут быть некоторые специфичные следы, а именно — стойкие синтетические молекулы, пластмассы и (потенциально) очень долгоживущие радиоактивные осадки в случае ядерной катастрофы. Помимо этих маркеров, уникальность события может быть отчётливо заметна во множестве относительно независимых характерных признаков — в противоположность согласованному набору изменений, связанному с единственной геофизической причиной.