(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.
Внезапные палеозойские, мезозойские и кайнозойские события
Краткая сводка характерных особенностей антропоцена, приведённая выше, позволяет полагать, что можно выявить черты сходства у внезапных (в геологическом смысле) событий с многофакторными отличительными признаками. В данном разделе мы рассматриваем частичную выборку известных событий из палеонтологической летописи, которые демонстрируют некоторые черты сходства с гипотетическими возможными антропогенными характеристиками. Самый отчётливый класс событий, несущих такие черты сходства — это глобальные потепления, среди которых особенно примечателен палеоцен-эоценовый термический максимум (56 млн. лет назад) (McInerney & Wing, 2011), но в него также входят меньшие по масштабу события потепления, океанские аноксические события мелового и юрского периодов и значительные (хотя и не так хорошо охарактеризованные) события палеозоя. Мы не рассматриваем событий (вроде случая мел-палеогенового вымирания или границы эоцена и олигоцена), для которых имеются вполне определённые и чётко выраженные причины (соответственно, удар астероида на фоне интенсивной вулканической активности (Vellekoop et al., 2014), и начало обледенения Антарктиды (Zachos et al., 2001), вероятно, связанное с раскрытием пролива Дрейка (Cristini et al., 2012)). В летописи может быть больше событий такого рода, но они не включены сюда просто потому, что они могли быть не исследованы подробно, особенно докайнозойские.
Палеоцен-эоценовый термический максимум (ПЭТМ)
Существование резкого пика в содержании углерода и изотопов кислорода вблизи палеоцен-эоценового перехода (56 млн. лет назал) впервые отметили Кеннет и Стотт (Kennett & Stott, 1991), а Кох и др. (Koch et al., 1992) показали, что масштаб события был глобальным. С тех пор более тщательные и подробные исследования на суше и в океане выявили потрясающую цепочку событий продолжительностью 100–200 тыс. лет, в том числе быстрый (в течение, возможно, < 5 тыс. лет (Kirtland Turner et al., 2017)) выброс в систему экзогенного углерода (см. обзор McInerney и & Wing, 2011), возможно связанный с вторжением Североамериканской магматической провинции в органические отложения (Storey et al., 2007). Температуры возросли на 5–7 °C (выведено на основании многих связанных величин Трипати и Элдерфилдом (Tripati & Elderfield, 2004)), возник отрицательный пик в изотопах углерода (> 3‰) и последовало снижение объёмов захоронения океанских карбонатов в верхних слоях океана. Зафиксировано увеличение содержания каолинита (глины) во многих отложениях (Schmitz et al., 2001), указывающее на более интенсивную эрозию, хотя свидетельства в пользу глобальных масштабов этого увеличения противоречивы. Во время ПЭТМ вымерло 30–50 % таксонов бентосных фораминифер, и он отметил время важного расселения млекопитающих (Aubry et al., 1998) и ящериц (Smith, 2009) по Северной Америке. В дополнение к этому во время данного события наблюдается много пиков обилия металлов (в том числе V, Zn, Мо, Cr) (Soliman et al., 2011).