Korzystając z innowacyjnego modelu komputerowego, naukowcy z Dartmouth sugerują, że to właśnie aktywność wulkanu, a nie uderzenie asteroidy, była główną przyczyną masowego wymierania, które zakończyło erę dinozaurów. To przełomowe podejście otwiera nowe możliwości badania innych zjawisk geologicznych.
Wolnomyślące komputery dokonały inżynierii wstecznej zapisu kopalnego, aby zidentyfikować przyczyny kataklizmu.
Aby rozstrzygnąć długotrwałą debatę na temat tego, czy potężne uderzenie asteroidy lub aktywność wulkaniczna spowodowała wyginięcie dinozaurów i nie tylko gatunek 66 milionów lat temu zespół z Dartmouth College przyjął innowacyjne podejście – wykluczył naukowców z debaty i pozwolił komputerom decydować.
Naukowcy donoszą w czasopiśmie Nauka Nowa metoda modelowania wykorzystująca połączone ze sobą procesory, która może przetwarzać ogromne ilości danych geograficznych i klimatycznych bez udziału człowieka. Wykorzystali około 130 procesorów do analizy wstecznej zapisu kopalnego w celu zidentyfikowania zdarzeń i warunków. Kreda-Wymieranie paleogenu (K-Pg), które utorowało drogę powstaniu ssaków, w tym ssaków, i doprowadziło do powstania wczesnych ludzi.
Nowe spojrzenie na wydarzenia historyczne
„Częścią naszej motywacji była ocena tego pytania bez z góry przyjętych hipotez i uprzedzeń” – powiedział Alex Cox, pierwszy autor badania i absolwent Wydziału Nauk o Ziemi w Dartmouth. „Większość modeli postępuje naprzód. Zaadaptowaliśmy model cyklu węglowego tak, aby działał w drugą stronę, wykorzystując efekt do znalezienia przyczyny na podstawie statystyk, dostarczając jedynie minimalnych informacji wstępnych podczas pracy nad konkretnym rezultatem.
„Ostatecznie nie ma znaczenia, co myślimy ani co myśleliśmy wcześniej – model pokazuje nam to, co widzimy w zapisie geologicznym” – powiedział.
W modelu przeanalizowano ponad 300 000 możliwych scenariuszy emisji dwutlenku węgla, emisji dwutlenku siarki i produktywności biologicznej na przestrzeni 1 miliona lat przed wyginięciem K-Pg i po nim. Według kategorii Nauczanie maszynowe Procesory, znane jako łańcuch Markowa Monte Carlo – to nie jest tak, że smartfon przewiduje, co napiszesz dalej – procesory współpracowały niezależnie, aby porównać, powtórzyć i ponownie obliczyć wyniki, aż osiągnęły scenariusz odpowiadający wynikom zachowanym w zapisie kopalnym. .
Identyfikacja przyczyn zniszczenia
Pozostałości geochemiczne i organiczne w zapisie kopalnym wyraźnie oddają katastrofalne warunki panujące podczas wymierania K-Pg. Zwierzęta i rośliny na całym świecie doświadczyły masowego wyginięcia, gdy sieci troficzne zapadły się w niestabilnej atmosferze – bogatej w wysysającą słońce siarkę, minerały unoszące się w powietrzu i blokujący ciepło dwutlenek węgla – masowo przechodząc z warunków mroźnych do palących.
Chociaż skutek jest wyraźny, przyczyna zniszczenia nie została rozwiązana. Wczesne teorie na temat przyczyn erupcji wulkanów zostały przyćmione przez odkrycie krateru uderzeniowego w Meksyku zwanego Chicxulub, powstałego przez asteroidę o szerokości mili, obecnie uważaną za główną przyczynę wymierania. Jednak teorie zaczynają się łączyć, gdy dowody kopalne wskazują na uderzenie podwójne, jakiego nie widziano w historii Ziemi: asteroida mogła uderzyć w planetę już dotkniętą potężnymi, bardzo gwałtownymi erupcjami wulkanów w Pułapkach Dekanu w zachodnich Indiach.
Jednak naukowcy nadal nie wiedzą – lub nie zgadzają się – w jakim stopniu każde wydarzenie przyczyniło się do masowego wymierania. Dlatego Cox i jego doradca, Brenn Keller, adiunkt nauk o Ziemi w Dartmouth i współautor badania, postanowili „zobaczyć, co otrzymasz, jeśli pozwolisz, aby decydował kod”.
Wyniki modelowania i wpływ wulkanu
Ich model sugerował, że samo uwolnienie gazów zmieniających klimat z pułapek Dekanu wystarczyłoby, aby wywołać globalne wymieranie. Pułapki eksplodowały około 300 000 lat przed pojawieniem się asteroidy Chicxulub. Szacuje się, że w ciągu około 1 miliona lat erupcji kominy Dekanu wyemitowały do atmosfery 10,4 biliona ton dwutlenku węgla i 9,3 biliona ton siarki.
„Historycznie wiemy, że wulkany powodują masowe zniszczenia, ale jest to pierwsza niezależna ocena emisji substancji lotnych pochodząca ze źródeł ich wpływu na środowisko” – powiedział Keller, który w zeszłym roku opublikował artykuł łączący cztery z pięciu masowych wymierań Ziemi. Wulkan.
„Nasz model przeanalizował dane niezależnie i bez uprzedzeń ze strony człowieka, aby określić ilość dwutlenku węgla i dwutlenku siarki potrzebną do wywołania zaburzeń klimatu i cyklu węglowego, które widzimy w zapisie geologicznym. Ilości te są zgodne z oczekiwaniami dotyczącymi emisji z pułapki Dekanu” – powiedział Keller, dodając, że Dekan wulkaniczny K-, który intensywnie pracował nad badaniem związku między wymieraniem Pg.
Uderzenie asteroidy i współczesne środowisko
Model ujawnił gwałtowny spadek akumulacji węgla organicznego w głębinach oceanu podczas uderzenia w Chicxulub, co mogło być odpowiedzialne za wyginięcie wielu gatunków zwierząt i roślin w wyniku uderzenia asteroidy. W zapisie znajdują się także ślady spadku temperatury w czasie, gdy mamutowy meteoryt zostałby wyrzucony w powietrze, gdy uderzył w powierzchnię bogatą w siarkę – krótkotrwały czynnik chłodzący – spowodowany wysokim poziomem siarki. W tej części planety.
Uderzenie asteroidy spowodowałoby wyrzucenie zarówno dwutlenku węgla, jak i dwutlenku siarki. Jednak model nie wykrył w tym czasie żadnego gwałtownego wzrostu emisji żadnego z gazów, co sugeruje, że udział asteroidy w wymieraniu nie miał wpływu na emisję gazów.
Wniosek: Innowacje metodologiczne i przyszłe zastosowania
Cox powiedział, że we współczesnym środowisku spalanie paliw kopalnych w latach 2000–2023 wpompowało do atmosfery około 16 miliardów ton dwutlenku węgla rocznie. To 100 razy więcej niż przewidywali naukowcy w odniesieniu do najwyższego rocznego poziomu emisji z pułapek Dekanu. Cox sam w sobie jest niepokojący, ale stwierdził, że minie kilka tysięcy lat, zanim obecna emisja dwutlenku węgla dorówna całkowitej ilości uwolnionej ze starożytnych wulkanów.
„Naprawdę ekscytujące jest to, że osiągnięte przez nas wyniki są zasadniczo wiarygodne pod względem fizycznym, co czyni interesującym fakt, że technicznie model może poruszać się zupełnie dziko bez silnych przednich barier” – powiedział.
Cox stwierdził, że połączenie procesorów skróciło czas pobierania próbek i analizowania tak dużych zbiorów danych z miesięcy lub lat do godzin. Metodę jego i Kellera można wykorzystać do odwrócenia modeli innych systemów ziemskich, takich jak klimat czy obieg węgla — dobrze znane są skutki zdarzeń geologicznych, ale nie czynniki, które do nich prowadzą.
„Tego rodzaju inwersji równoległej nigdy wcześniej nie przeprowadzano w modelach nauk o Ziemi. Nasza metoda może być skalowana tak, aby obejmowała tysiące procesorów, co zapewnia znacznie szerszą przestrzeń do eksploracji rozwiązań i jest bardziej odporna na ludzkie uprzedzenia” – powiedział Cox.
„Jak dotąd ludzie w naszej dziedzinie byli pod większym wrażeniem nowości tej metody niż wyniku, jaki osiągnęliśmy” – śmieje się. „Każdy system ziemski jest gotowy na odwrót, nawet jeśli znamy jego skutek, a nie przyczynę. Im lepiej znamy wynik, tym lepiej możemy scharakteryzować sygnał wejściowy, który go spowodował.
Uwaga: Aleksander A. Coxa i C. Brenhin Keller, 28 września 2023 r., „Bayesowska inwersja emisji i produktywności eksportu przez granicę późnej kredy”. Nauka.
DOI: 10.1126/science.adh3875