2019-07-09 06:21:02
违反碳阈值可能导致大规模灭绝

在大脑中,当神经元向邻居发射电信号时,这通过“全有或全无”响应发生。只有当细胞中的条件突破某个阈值时才会发生信号。

麻省理工学院的研究人员在一个完全不同的系统中观察到了类似的现象:地球的碳循环。

地球物理学教授,麻省理工学院地球,大气和行星科学系Lorenz中心的联合主任丹尼尔罗斯曼发现,当二氧化碳进入海洋的速度超过一定的阈值时 - 无论是突然爆发或缓慢,稳定的涌入 - 地球可能会响应一系列失控的化学反馈,导致极端海洋酸化,从而大大放大了原始触发的影响。

这种全球反射导致地球海洋中碳含量的巨大变化,地质学家可以看到这些变化的证据表明,这些变化是在数亿年内保存下来的。

罗斯曼通过这些地质记录观察并观察到,在过去的5.4亿年中,海洋的碳储存突然发生变化,然后以与神经元尖峰的突然性质类似的方式恢复了数十次。这种碳循环的“激发”在地球历史上五次大规模物种灭绝中的四次爆发时发生得最为显着。

科学家已经将各种触发因素归因于这些事件,他们假设随后的海洋碳变化与初始触发成正比 - 例如,触发因素越小,环境影响越小。

但罗斯曼说事实并非如此。最初造成这些事件的原因并不重要;对于他的数据库中大约一半的中断,一旦它们启动,碳增加的速率基本相同。它们的特征速率可能是碳循环本身的一个属性 - 而不是触发因素,因为不同的触发器将以不同的速率运行。

这一切与我们的现代气候有什么关系?今天的海洋吸收的碳比地质记录中的最坏情况 - 二叠纪末的灭绝速度快一个数量级。但人类只将二氧化碳排放到大气中数百年,相比之下,数万年或更长时间的火山爆发或其他干扰引发了过去的巨大环境破坏。现代碳增加可能过于短暂而无法激发重大干扰吗?

根据罗斯曼的说法,今天我们“处于激动的悬崖边缘”,如果它发生,由此产生的穗 - 通过海洋酸化,物种死亡以及更多 - 证明 - 可能与过去的全球灾难相似。

“一旦我们超过了门槛,我们如何到达那里可能无关紧要,”罗斯曼说,他本周将在“美国国家科学院院刊”上发表他的研究成果。 “一旦你克服了它,你就会处理地球是如何运作的,并且它可以自行驾驶。”

碳反馈

2017年,罗斯曼做出了一个可怕的预测:到本世纪末,基于人类向大气中添加二氧化碳的速度很快,地球很可能达到临界阈值。当我们越过这个门槛时,我们可能会启动一系列后果,最终导致地球第六次大规模灭绝。

罗斯曼此后一直试图更好地理解这种预测,更一般地说,一旦碳循环超过临界阈值,碳循环的响应方式。在新论文中,他开发了一个简单的数学模型来表示地球上层海洋中的碳循环,以及当超过此阈值时它的行为方式。

科学家们知道,当大气中的二氧化碳溶解在海水中时,它不仅会使海洋变得更加酸性,还会降低碳酸根离子的浓度。当碳酸根离子浓度低于阈值时,由碳酸钙制成的壳溶解。使这些生物在如此恶劣的条件下表现不佳的生物。

除了保护海洋生物之外,炮弹还提供“压载效应”,对生物进行称重,使其能够与碎屑有机碳一起沉入海底,有效地清除上层海洋中的二氧化碳。但是在二氧化碳增加的世界中,更少的钙化生物应该意味着更少的二氧化碳被去除。

“这是一个积极的反馈,”罗斯曼说。 “更多的二氧化碳会导致更多的二氧化碳。从数学的角度来看问题是,这样的反馈足以使系统不稳定吗?”

“无情的崛起”

Rothman在他的新模型中捕获了这个正反馈,该模型包含两个微分方程,描述了上层海洋中各种化学成分之间的相互作用。然后,他观察了模型如何响应,因为他以不同的速率和数量将额外的二氧化碳泵入系统。

他发现,无论二氧化碳加入已经稳定的系统的速度如何,上层海洋的碳循环都保持稳定。为了应对适度的扰动,碳循环将暂时脱离重击并经历一段短暂的温和海洋酸化,但它总会恢复到原始状态而不是振荡到新的平衡状态。

当他以更高的速率引入二氧化碳时,他发现一旦水平超过一个临界阈值,碳循环就会发生一系列正反馈,放大了原始触发因素,导致整个系统以严重的海洋酸化形式出现峰值。 。在今天的海洋中经过数万年之后,该系统最终恢复了平衡 - 这表明尽管反应剧烈,但碳循环将恢复其稳定状态。

罗斯曼发现,这种模式与地质记录相符。他的数据库的一半表现出的特征率来自于上面但接近阈值的激励。与大规模灭绝相关的环境破坏是异常值 - 它们代表的激励远远超出了阈值。这些案件中至少有三起可能与持续的大规模火山活动有关。

“当你超过一个门槛时,你会从系统中获得任意反应,”Rothman解释道。 “系统正在不可阻挡地上升。这就是兴奋性,以及神经元如何运作。”

虽然今天碳以前所未有的速度进入海洋,但它在地质上短暂的时间内正在这样做。 Rothman的模型预测这两种效应会被取消:更快的速率会让我们更接近阈值,但更短的持续时间会让我们离开。就门槛而言,现代世界与大规模火山活动的时间大致相同。

换句话说,如果今天的人为排放超过了门槛,并继续超越它,正如罗斯曼预测的那样,它们很快将会发生,其后果可能与地球在此前大规模物种灭绝时所经历的一样严重。

罗斯曼说:“鉴于今天发生的事情,很难知道事情会如何结束。”“但我们可能接近一个关键的门槛。任何飙升都会在大约1万年后达到最大值。希望这会给我们时间找到解决方案。”

埃克塞特大学气候变化与地球系统科学教授Timothy Lenton说:“我们已经知道,我们的二氧化碳排放行动将产生数千年的影响。”“这项研究表明,这些后果可能比以前预期的要大得多。如果我们将地球系统推得太远,那么它会接管并确定自己的反应 - 过去这一点我们就无能为力了。”

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