Zmiany klimatu

Zmiany klimatu

Raz upał, a raz przeraźliwy mróz. Globalne ocieplenie nie jest niczym nowym w historii naszej planety. Czy Ziemia jeszcze nas czymś zaskoczy?

Obecnie martwimy się podniesieniem średniej temperatury Ziemi o 1-2°C i kilkudziesięcioprocentowym wzrostem stężenia dwutlenku węgla w atmosferze. Jednak bywało już dużo gorzej.

Ziemia przeżyła okres, w którym woda występowała wyłącznie w postaci gorącej pary, dwukrotną całkowitą zmianę składu atmosfery, a także być może…. etap całkowicie zamarzniętej śnieżnej kuli. A kolejne nieuniknione zmiany wciąż są jeszcze przed nami…

Ewolucja atmosfery

Wczesną Ziemię sprzed 4 mld lat otaczała gazowa otoczka, o składzie niczym nieprzypominającym dzisiejszej atmosfery. Tworzyły ją najlżejsze pierwiastki pierwotnej mgławicy protoplanetarnej – wodór i hel, które do dziś tworzą atmosfery gazowych planet olbrzymów. Na znacznie bliższej Słońca Ziemi żaden z tych gazów nie mógł się jednak długo utrzymać – wysoka temperatura gazów ułatwiała im powolne ulotnienie się w przestrzeń kosmiczną. Proces ten przyspieszała duża i zmienna aktywność Słońca: pole magnetyczne nowo powstałej gwiazdy było bardzo niestabilne, a siła burz magnetycznych wielokrotnie przekraczała erupcje, z którymi mamy dziś do czynienia.

Po ulotnieniu się wodoru i helu przyszła epoka drugiej z kolei atmosfery. Zapewniły ją przede wszystkim znacznie aktywniejsze niż dziś wulkany. W czasie ich erupcji do atmosfery ziemskiej dostały się olbrzymie ilości azotu, dwutlenku węgla, pary wodnej, a także amoniaku, metanu i związków siarki. Pewną ilość wody mogły też przynieść zderzające się z Ziemią komety – takie zderzenia były we wczesnym Układzie Słonecznym raczej codziennością niż wyjątkową katastrofą. Kosmicznej wody mogło opaść na Ziemię zdumiewająco dużo – kometa o rozmiarach komety Halleya mogłaby dostarczyć wodę wystarczającą do stworzenia przeciętnego jeziora.

Jak widać, warunki sprzed ponad 4 mld lat – supergorący świat pełen wulkanów – trudno uznać za przyjazne. Nas i większość żyjących dziś na Ziemi organizmów dodatkowo zniechęciłaby całkowita nieobecność atmosferycznego tlenu. Sytuacja zaczęła się poprawiać około 4 mld lat temu, gdy temperatura spadła wystarczająco, by para wodna mogła się skroplić. Powstały oceany. Od tej pory pełniły one podstawową funkcję w rozwoju życia i dzisiejszej atmosfery ziemskiej. W pierwotnych oceanach rozpuściła się znaczna część znajdujących się w atmosferze gazów. To właśnie wówczas rolę istotnego składnika powietrza zaczął odgrywać pozostały w atmosferze stosunkowo obojętny chemicznie azot. Ciągle jednak trudno nam mówić o atmosferze podobnej do dzisiejszej – nadal brakowało w niej tlenu, a stężenie dwutlenku węgla sięgało kilkudziesięciu procent.

Tlen zaczął się pojawiać w atmosferze 2,5-3,5 mld lat temu. Jego obecność zawdzięczamy pierwszym powstałym wówczas mikroorganizmom, które produkowały go podczas fotosyntezy. Początkowo jego zawartość w powietrzu rosła bardzo wolno, bo każda dostępna molekuła tego superaktywnego pierwiastka wiązała się z żelazem i innymi podatnymi na utlenianie substancjami. Ilość tlenu w powietrzu rosła więc bardzo wolno. Do obecnej – 21 -procentowej — zawartości tlenu w powietrzu prowadziła długa droga – zapewne takie (a może nawet nieco wyższe) stężenie zostało osiągnięte dopiero 400 min lat temu. Ale już po znalezieniu się w atmosferze 1% tlenu w jej górnych warstwach zaczęła się tworzyć powłoka ozonowa chroniąca ziemskie życie przed wpływem wysokoenergetycznego promieniowania ultrafioletowego Słońca. Organizmy wodne chroniła przed nim w znacznym stopniu woda, ale dopiero po powstaniu warstwy ozonowej życie mogło zacząć kolonizować ląd.

Zawartość tlenu mogła się zresztą wahać, nie rosnąc systematycznie. Znajdowane w warstwach pochodzących sprzed 300 mln lat skamieniałości gigantycznych owadów — ważek o półmetrowej rozpiętości skrzydeł i jętek o rozmiarach dzisiejszych ptaków – skłoniły część badaczy do wysunięcia hipotezy o ówczesnym wzroście zawartości atmosferycznego tlenu do nawet 35%. W takich warunkach oddychające przetchlinkami owady nie miałyby problemu z osiągnięciem niespotykanych dziś rozmiarów. Dodatkowo większa gęstość powietrza ułatwiłaby im loty. Tak wysoki poziom tlenu mógłby się wiązać z gwałtowną ekspansją roślin lądowych, a zwłaszcza rozwojem zarośniętych bagien, gdyż tonące w nich szczątki organiczne (z których później powstały ropa naftowa i węgiel) nie rozkładały się wówczas i nie zabierały tlenu z atmosfery.

Takie supertlenowe warunki mogły też ułatwić zasiedlenie lądu pierwotnym kręgowcom. Stężenie tlenu spadło kilkadziesiąt milionów lat później, w okresie permskim, który zakończyło masowe wymieranie. Przyczyny tej tajemniczej katastrofy, podczas której zginęło niemal 90% gatunków, nie są jeszcze jasne. Najbardziej prawdopodobna — choć nie jedyna – hipoteza mówi o olbrzymim wzmożeniu aktywności wulkanicznej. Do atmosfery Ziemi wydostały się wówczas olbrzymie ilości popiołów i trujących związków siarki. Czy tak właśnie było? Jedno nie ulega wątpliwości – na przełomie permu i triasu Ziemia i jej klimat kolejny raz doświadczyły gwałtownych, a nawet katastrofalnych zmian, z których zamieszkujące ją organizmy podnosiły się przez miliony lat.

[tube]https://www.youtube.com/watch?v=JCIglw38Axg&feature=relmfu[/tube]

Tajemniczy metan

A może wymieranie permskie spowodował metan? Ten gaz cieplarniany ogrzewa Ziemię ponad 20 razy skuteczniej od dwutlenku węgla. W atmosferze tlenowej dość szybko – w ciągu około 10 lat – rozpada się, tworząc dwutlenek węgla, jest jednak stale dostarczany do atmosfery przez organizmy żywe. Rola metanu w procesie ocieplania klimatu została doceniona, gdy na dnie oceanów odkryto olbrzymie złoża jego hydratów – związków, w których cząsteczki metanu są wtłoczone w głąb struktury wody. Dziś te olbrzymie zapasy metanu nie wpływają na temperaturę Ziemi. Ale gdyby zostały gwałtownie uwolnione z dna mórz? Takie właśnie wydarzenie mogło być jedną z przyczyn gwałtownych zmian klimatu pod koniec permu przed 248 mln lat. Drugi moment w historii Ziemi, w którym uwolniony z hydratów metan mógł odegrać ocieplającą rolę, wydarzył się 55 mln lat temu. Jak się wydaje, nastąpił wówczas niezwykle gwałtowny wzrost temperatury – w ciągu kilku tysięcy lat woda w oceanie ociepliła się aż o 8°. Okres powrotu klimatu do równowagi trwał niemal 200 tys. lat.

[tube]https://www.youtube.com/watch?v=N2ve7WKYhTY[/tube]

Ziemia skuta lodem

W historii Ziemi zdarzały się okresy, gdy duże obszary jej powierzchni pokrywał lód. W gruncie rzeczy i dziś z geologicznego punktu widzenia żyjemy w epoce lodowej – choć w jej cieplejszym okresie zwanym interglacjałem. Ciągle jednak lód lodowcowy pokrywa aż 11 % powierzchni Ziemi – przede wszystkim Antarktydę i Grenlandię.

Gdyby stopniał, poziom morza podniósłby się o ponad 60 m. Obecna epoka lodowa jest jednak tylko słabym odbiciem okresu sprzed około 600 mln lat. Wiele danych geologicznych przemawia za tym, że przez blisko 10 mln lat Ziemia była niemal w całości skuta lodem. Skorupa lodowa na oceanach mogła mieć wtedy kilometr grubości, a ich zamarznięciu do dna zapobiegało ciepło emitowane z wnętrza Ziemi. Średnia temperatura na powierzchni Ziemi wynosiła -50°C. Atmosfera była wyjątkowo sucha – cała dostępna woda zamarzła – nie padały więc deszcze.

Do stworzenia śnieżnej kuli przyczyniło się prawdopodobnie nietypowe ustawienie wszystkich kontynentów w pobliżu równika. W tych odległych czasach, gdy nie było jeszcze pochłaniających dwutlenek węgla roślin lądowych, zasadniczą rolę w jego wiązaniu odgrywał proces wietrzenia skał. Padające na ziemię deszcze szybko spłukiwały wiążące ten gaz cieplarniany wodorowęglany do oceanów, gdzie tworzyły one osadzające się na dnie związki węglanowe. Gdy zawartość dwutlenku węgła znacząco spadła, klimat oziębił się wystarczająco, by powierzchnię kontynentów pokrył odbijający światło słoneczne lód. Efekt ten był szczególnie silny, gdyż kontynenty znajdowały się w obszarze o najsilniejszym nasłonecznieniu, czyli w pobliżu równika.

A później… proces rozwijał się sam: im większa część Ziemi odbijała światło słoneczne, zamiast je pochłaniać, tym zimniej robiło się wokół i tym większą część oceanów pokrywał lód. Pod koniec tego gwałtownego oziębiania wolna od lodu powierzchnia oceanu mogła się zachować tylko w niewielkich obszarach w pobliżu równika. Zapewne to właśnie wokół nich oraz w pobliżu podziemnych kominów geotermalnych przetrwały pierwotne organizmy jednokomórkowe i glony. Koniec tej trudnej epoki przyniosły… wulkany. Ich gwałtowne erupcje wyrzuciły z powrotem do atmosfery brakujący dwutlenek węgla. Aby odwrócić oziębienie, musiały go one wpompować do atmosfery aż 3 5 0 razy więcej, niż jest go dziś. Wielkie topnienie mogło trwać zaledwie kilkaset lat, po których temperatura sięgnęła… +50°C. Powrót do względnej równowagi zajął Ziemi kolejne setki tysięcy lat.

[tube]https://www.youtube.com/watch?v=8htRnzZtCys[/tube]

Słońce

Gdy myślimy o długofalowych zmianach klimatu, nieuchronnie przychodzi nam do głowy główne źródło docierającego do Ziemi ciepła – Słońce. W ciągu 4,5 mld lat istnienia Ziemi jasność tej najważniejszej z gwiazd znacząco się zmieniała. Tuż po powstaniu Ziemi również nowo powstałe Słońce było nieco mniejsze i chłodniejsze niż dziś i świeciło z mocą 70% dzisiejszego, a jego jasność rosła stosunkowo powoli. Jeszcze przed 2,8-2,3 mld lat, gdy na Ziemi istniały już pierwsze mikroorganizmy, Słońce świeciło o 20% słabiej niż dziś. Pomimo to temperatura powierzchni Ziemi musiała być wówczas dodatnia, istniał już wszak ciekły ocean.

Niewykluczone, że dominującą rolę w ogrzewaniu Ziemi odegrał wtedy produkowany przez organizmy beztlenowe metan, który pełnił istotną funkcję w atmosferze. Jego stężenie mogło być nawet tysiąckrotnie większe od dzisiejszego. Ślady przemawiające za tak wysoką koncentracją metanu w atmosferze wczesnej Ziemi nie są jednak jednoznaczne — być może rolę podstawowego gazu cieplarnianego również odgrywał wówczas dwutlenek węgla. Jego stężenie wahało się zresztą w ciągu minionych epok wręcz dramatycznie: dziś jego zawartość w atmosferze wynosi około 370 części na milion, czyli 0,037%. 3,5 mld lat temu było go w powietrzu aż 20%, a 2 mld lat temu 8%. Dopiero 600 mln lat temu stężenie tego cieplarnianego gazu spadło poniżej 1%. Równie zmienna była średnia temperatura Ziemi: choć w ciągu ostatnich 600 min lat typowo wynosiła ona koło 22°, parokrotnie zdarzały się jej spadki nawet do 12°C – niewiele wyższa jest zresztą jej dzisiejsza średnia temperatura, która wynosi około 14°C.

Jakie będą dalsze losy klimatu?

Co czeka nas w przyszłości? Czy będzie kolejne zlodowacenie? A może efekt cieplarniany spowodowany przez ludzi przeważy? Stężenie atmosferycznego dwutlenku węgla wzrosło od 1860 r. aż o 1/4. Dziś nikt nie podejmie się jednoznacznej odpowiedzi na pytanie o rozwój sytuacji w ciągu najbliższych kilkuset, kilku tysięcy lat. Z kolei losy klimatu w ciągu przyszłych miliardów lat da się przewidzieć dosyć dokładnie.

Za 1,1 mld lat Słońce będzie o 10% jaśniejsze, za 3,5 mld lat do Ziemi dotrze aż 40% więcej energii niż dziś. Ziemia zacznie przypominać dzisiejszą Wenus. Później będzie coraz gorzej. Za 6-6,5 mld lat Słońce zamieni się w czerwonego olbrzyma, promień słońca wzrośnie 166 razy (gwiazda sięgnie więc za orbitę Wenus), a jasność powiększy się 2350-krotnie. Jeśli nie uda się ludziom wcześniej przenieść trochę dalej to nasz los zostanie przesądzony. Zresztą nawet taka „przeprowadzka” nie rozwiąże problemu na stałe. Już po 100 mln lat skończy się faza czerwonego olbrzyma, a Słońce zmieni się w supergęstą i gorącą kulę rozmiarów Ziemi. Od tej pory Układ Słoneczny (o ile jeszcze przetrwa) będzie ogrzewało słabnące promieniowanie stygnącej gwiazdy. Jednak czy ludzkość będzie wtedy istnieć? Jeżeli tak, Słońce będzie już widziała z okolic innej, przychylniejszej gwiazdy.