Naukowcy z Dartmouth wykorzystali innowacyjny model komputerowy, aby zasugerować, że to aktywność wulkanu, a nie uderzenie asteroidy, była główną przyczyną masowego wymierania, które zakończyło erę dinozaurów. To pionierskie podejście otwiera nowe horyzonty w badaniu innych zdarzeń geologicznych.
Wolnomyślące komputery dokonały inżynierii wstecznej zapisu kopalnego, aby ustalić przyczyny katastrofy.
Aby odnieść się do długotrwałej debaty na temat tego, czy potężne uderzenie asteroidy lub aktywność wulkaniczna spowodowała wyginięcie dinozaurów i wielu innych stworzeń. Klasyfikować 66 milionów lat temu zespół z Dartmouth College przyjął innowacyjne podejście, powstrzymując naukowców od debaty i pozwalając decydować komputerom.
Naukowcy donoszą w czasopiśmie Nauki Nowa metoda modelowania oparta na połączonych ze sobą procesorach, które mogą przetwarzać zestawy danych geologicznych i klimatycznych bez interwencji człowieka. Zlecili około 130 przetwórcom analizę zapisu kopalnego wstecz, aby określić zdarzenia i warunki, które do tego doprowadziły. Okres kredowy– Wymieranie w paleogenie (K–Pg) utorowało drogę rozwojowi ssaków, w tym naczelnych, które dały początek pierwszym ludziom.
Nowe spojrzenie na wydarzenia historyczne
„Częścią naszej motywacji była ocena tego pytania bez z góry określonej hipotezy lub uprzedzeń” – powiedział Alex Cox, pierwszy autor badania i absolwent Wydziału Nauk o Ziemi w Dartmouth. „Większość modeli zmierza do przodu. Przystosowaliśmy model cyklu węglowego do działania w przeciwnym kierunku, wykorzystując zmuszanie do szukania przyczyny na podstawie statystyk i podając jedynie minimalne informacje wstępne, ponieważ działa to w kierunku określonego wyniku. „
„Ostatecznie nie ma znaczenia, co myślimy ani co myśleliśmy wcześniej — model pokazuje nam, jak dotarliśmy do tego, co widzimy w zapisie geologicznym” – powiedział.
W modelu przeanalizowano ponad 300 000 możliwych scenariuszy emisji dwutlenku węgla, produkcji dwutlenku siarki i produktywności biologicznej na milion lat przed wyginięciem K-Pg i po nim. Przez rodzaj Nauczanie maszynowe Procesory, znane jako łańcuch Markowa Monte Carlo — podobnie jak smartfon przewiduje, co napiszesz dalej — procesory współpracowały niezależnie, aby porównać, zweryfikować i ponownie obliczyć swoje wnioski, dopóki nie opracowały scenariusza odpowiadającego wynikowi zapisanemu w zapis kopalny.
Odkrywanie przyczyn wymierania
Pozostałości geochemiczne i organiczne w zapisie kopalnym wyraźnie pokazują katastrofalne warunki, które miały miejsce podczas wymierania K-Pg, nazwane tak od okresów geologicznych po obu stronach katastrofy, która trwała tysiące lat. Zwierzęta i rośliny na całym świecie ucierpiały na masową skalę w wyniku załamania się sieci pokarmowych, gdy niestabilna atmosfera – wypełniona zanieczyszczającą słońce siarką, metalami unoszącymi się w powietrzu i zatrzymującym ciepło dwutlenkiem węgla – gwałtownie zmienia się z zamarzniętej w palącą.
Chociaż skutek jest jasny, przyczyna wyginięcia nie została rozwiązana. Wczesne teorie przypisujące to wydarzenie erupcjom wulkanów zostały przyćmione przez odkrycie krateru uderzeniowego w Meksyku, znanego jako Chicxulub, który został utworzony przez szeroką na kilometr asteroidę, obecnie uważaną za główną odpowiedzialną za wymieranie. Jednak teorie zaczynają być zbieżne, ponieważ dowody kopalne sugerują uderzenie podwójne, jakiego nie było w historii Ziemi: asteroida mogła zderzyć się z planetą już dotkniętą masowymi, niezwykle gwałtownymi erupcjami wulkanów w Pułapkach Dekanu w zachodnich Indiach.
Jednak naukowcy nadal nie wiedzą – i nie zgadzają się – w jakim stopniu każde wydarzenie przyczyniło się do masowego wymierania. Dlatego Cox i jego doradca Brenhen Keller, adiunkt nauk o Ziemi w Dartmouth i współautor badania, postanowili „zobaczyć, co otrzymasz, jeśli pozwolisz decydować kodowi”.
Wyniki modelowania i wymuszenie wulkaniczne
Ich model sugeruje, że sam napływ gazów zmieniających klimat z pułapek Dekanu może wystarczyć do wywołania globalnego wymierania. Pułapki eksplodowały około 300 000 lat przed asteroidą Chicxulub. Szacuje się, że w ciągu około 1 miliona lat erupcji pułapki Deccan Traps wypompowały do atmosfery do 10,4 biliona ton dwutlenku węgla i 9,3 biliona ton siarki.
„Wiedzieliśmy, że wulkany mogą powodować masowe wymieranie, ale jest to pierwsze niezależne oszacowanie emisji substancji lotnych sporządzone na podstawie dowodów ich wpływu na środowisko” – powiedział Keller, który w zeszłym roku opublikował badania łączące cztery z pięciu masowych wymierań na Ziemi. Wulkany.
„Nasz model przeanalizował dane niezależnie i bez udziału człowieka, aby określić, ile dwutlenku węgla i dwutlenku siarki będzie potrzebne do wytworzenia zaburzeń klimatu i cyklu węglowego, które widzimy w zapisie geologicznym. „Widzimy wiele danych, ” powiedział Keller, który intensywnie pracował nad badaniem związku między wulkanizmem Dekanu a wymieraniem K-Pg. „Wielkości te okazały się zgodne z tym, czego oczekiwalibyśmy w przypadku emisji z pułapek Dekanu.”
Uderzenie asteroidy i współczesny kontekst
Model ujawnił gwałtowny spadek akumulacji węgla organicznego w głębinach oceanu w okolicach czasu uderzenia w Chicxulub, co było prawdopodobnie skutkiem uderzenia asteroidy, powodującej wyginięcie wielu gatunków zwierząt i roślin. Zapis zawiera ślady spadku temperatury mniej więcej w tym samym czasie, który mógł być spowodowany dużą ilością siarki – krótkotrwałego czynnika chłodzącego – którą masywny meteoryt wyrzucił w powietrze, uderzając w powierzchnię bogatą w siarkę w tym rejonie planety. .
Uderzenie asteroidy prawdopodobnie spowodowałoby również uwolnienie dwutlenku węgla i siarki. Model wykazał jednak, że w tym czasie nie nastąpił wzrost emisji żadnego z gazów, co sugeruje, że udział asteroidy w wyginięciu nie był zależny od emisji gazów.
Wniosek: Innowacje metodologiczne i przyszłe zastosowania
Cox stwierdził, że we współczesnym kontekście spalanie paliw kopalnych w latach 2000–2023 spowodowało wpompowywanie do atmosfery około 16 miliardów ton dwutlenku węgla rocznie. To 100 razy więcej niż najwyższy roczny poziom emisji, jakiego naukowcy oczekują od pułapek Dekanu. Cox powiedział, że choć samo w sobie jest to niepokojące, minie kilka tysięcy lat, zanim obecna emisja dwutlenku węgla dorówna całkowitej ilości emitowanej przez starożytne wulkany.
„Jeszcze bardziej zachęcające jest to, że nasze wyniki są fizycznie wiarygodne w skali, co jest imponujące, biorąc pod uwagę, że model mógł być technicznie niepewny bez silniejszych wcześniejszych ograniczeń” – powiedział.
Połączenie procesorów skróciło czas potrzebny modelowi na analizę tak ogromnego zestawu danych z miesięcy lub lat do godzin, powiedział Cox. Jego metodę i metodę odwracania modeli innych systemów ziemskich – takich jak klimat czy obieg węgla – można wykorzystać do oceny zdarzeń geologicznych, których skutki są dobrze znane, ale nie czynników, które do nich doprowadziły.
„Tego typu inwersji równoległej nigdy wcześniej nie stosowano w modelach nauk o Ziemi. Naszą metodę można skalować do tysięcy procesorów, co daje nam znacznie szerszą przestrzeń do eksploracji rozwiązań i jest całkowicie odporna na ludzkie uprzedzenia” – powiedział Cox.
„Jak dotąd ludzie w naszej dziedzinie byli pod większym wrażeniem nowości tej metody niż naszych wyników” – stwierdził ze śmiechem. „Każdy system ziemski, którego skutki, ale nie przyczynę, znamy, jest gotowy do wywrócenia się. Im lepiej znamy wyniki, tym lepiej możemy opisać dane wejściowe, które je spowodowały. „
Odniesienie: „Bayesowska inwersja emisji i produktywności eksportu przez granicę końca kredy” autorstwa Alexandra A. Coxa i C. Brynhen Keller, 28 września 2023 r., Nauki.
doi: 10.1126/science.adh3875