Źródło zdjęcia: Stanford
Gdyby wehikuł czasu cofnął nas o 4,6 miliarda lat do narodzin Ziemi, zobaczylibyśmy, że nasze słońce świeci o 20 do 25 procent mniej jaśniej niż dzisiaj. Bez ziemskiej szklarni, która uwięziłaby energię słoneczną i ogrzała atmosferę, nasz świat byłby wirującą kulą lodu. Życie mogło nigdy nie ewoluować.
Ale życie ewoluowało, więc gazy cieplarniane musiały być w pobliżu, aby ogrzać Ziemię. Dowody z zapisu geologicznego wskazują na obfitość dwutlenku węgla w gazie cieplarnianym. Metan prawdopodobnie również był obecny, ale ten gaz cieplarniany nie pozostawia wystarczającej ilości śladu geologicznego, aby można było go z pewnością wykryć. Nie było tlenu cząsteczkowego, co wskazuje na skały z tamtych czasów, które zawierają węglan żelaza zamiast tlenku żelaza. Kamienne odciski palców płynących strumieni, płynnych oceanów i minerałów powstałe w wyniku parowania potwierdzają, że 3 miliardy lat temu Ziemia była wystarczająco ciepła dla ciekłej wody.
Teraz zapis geologiczny ujawniony w niektórych z najstarszych skał na Ziemi opowiada zaskakującą historię zawalenia się szklarni i jej późniejszej regeneracji. Ale jeszcze bardziej zaskakujące, twierdzą naukowcy ze Stanford, którzy donieśli o tych odkryciach w czasopiśmie Geology z 25 maja, jest kluczowa rola, jaką skały odegrały w ewolucji wczesnej atmosfery.
„To naprawdę pierwszy raz, kiedy próbujemy stworzyć obraz tego, jak wczesna atmosfera, wczesny klimat i wczesna ewolucja kontynentu szły w parze” - powiedział Donald R. Lowe, profesor geologii i środowiska, który napisał artykuł z Michaelem M. Tice'em, absolwentem badającym wczesne życie. Program egzobiologii NASA finansował ich pracę. „W przeszłości geologicznej klimat i atmosfera były naprawdę głęboko zależne od rozwoju kontynentów”.
Rekord w skałach
Aby zebrać wskazówki geologiczne na temat tego, jak wyglądała wczesna atmosfera i jak się rozwijała, geolog polowy Lowe spędzał praktycznie każde lato od 1977 r. W Południowej Afryce lub Australii Zachodniej, zbierając skały, które są dosłownie starsze od wzgórz. Niektóre z najstarszych skał na Ziemi mają około 3,2 do 3,5 miliarda lat.
„Im bardziej się cofasz, tym trudniej jest znaleźć wierny zapis, skały, które nie zostały skręcone, ściśnięte, przeobrażone i inaczej zmienione” - mówi Lowe. „Spoglądamy wstecz, jeśli chodzi o zapis sedymentacyjny”.
Po pomiarze i mapowaniu skał Lowe przenosi próbki z powrotem do Stanford, aby pociąć je na tak cienkie odcinki, że ich cechy można odkryć pod mikroskopem. Współpracownicy uczestniczą w analizach geochemicznych i izotopowych oraz modelowaniu komputerowym, które dodatkowo ujawniają historie skał.
Zapis geologiczny opowiada historię, w której kontynenty usunęły dwutlenek węgla z gazów cieplarnianych z wczesnej atmosfery, która mogła być tak wysoka jak 70 stopni Celsjusza (158 F). W tym czasie Ziemia była głównie oceanem. Było za gorąco, żeby mieć polarne czapy lodowe. Lowe wysuwa hipotezę, że deszcz w połączeniu z atmosferycznym dwutlenkiem węgla tworzy kwas węglowy, który przetrwał nad wystającymi górami nowo powstałej skorupy kontynentalnej. Kwas węglowy dysocjował, tworząc jony wodoru, które przedostały się do struktur minerałów wietrzących oraz wodorowęglan, który był przenoszony rzekami i strumieniami, które miały być osadzane jako wapień i inne minerały w osadach oceanicznych.
Z biegiem czasu wielkie płyty skorupy oceanicznej zostały zrównane z ziemskim płaszczem. Węgiel uwięziony w tej skorupie został zasadniczo utracony, związany przez 60 milionów lat lub tak, że minerały musiały zostać odzyskane z powrotem na powierzchnię lub odgazowane przez wulkany.
Lowe mówi, że gorąca wczesna atmosfera prawdopodobnie zawierała także metan. Gdy poziom dwutlenku węgla spadł z powodu warunków atmosferycznych, w pewnym momencie poziomy dwutlenku węgla i metanu stały się prawie równe, przypuszcza. Spowodowało to aerozolowanie metanu w drobne cząstki, tworząc mgiełkę podobną do tej, która dzisiaj jest obecna w atmosferze księżyca Saturna Tytan. Ten „efekt Tytana” miał miejsce na Ziemi od 2,7 do 2,8 miliarda lat temu.
Efekt Tytana usunął metan z atmosfery, a mgła odfiltrowała światło; oba spowodowały dalsze chłodzenie, być może spadek temperatury o 40 do 50 stopni Celsjusza. Ostatecznie, około 3 miliardy lat temu, szklarnia właśnie się zawaliła, teorie Lowe i Tice teoretyzują, a pierwsze zlodowacenie Ziemi mogło mieć miejsce 2,9 miliarda lat temu.
Wzrost po upadku
Tutaj skały ujawniają dziwny zwrot akcji - ostateczną regenerację szklarni. Przypomnijmy, że 3 miliardy lat temu Ziemia była w zasadzie Wodnym Światem. Nie było żadnych roślin ani zwierząt, które mogłyby wpływać na atmosferę. Nawet glony jeszcze się nie rozwinęły. Prymitywne drobnoustroje fotosyntetyczne były w pobliżu i mogły odgrywać rolę w wytwarzaniu metanu i niewielkim zużyciu dwutlenku węgla.
Tak długo, jak trwało szybkie wietrzenie kontynentalne, węglan osadzał się na skorupie oceanicznej i przechodził do czegoś, co Lowe nazywa „dużym magazynem… który utrzymywał większość dwutlenku węgla poza atmosferą”.
Ale kiedy dwutlenek węgla został usunięty z atmosfery i włączony do skały, warunki pogodowe zwolniły - było mniej kwasu węglowego do erodowania gór, a góry stawały się niższe. Ale wulkany wciąż wyrzucały do atmosfery duże ilości węgla z recyklingu skorupy oceanicznej.
„Więc w końcu poziom dwutlenku węgla znów rośnie”, mówi Lowe. „Może nigdy nie powróci do swojego pełnego chwały poziomu 70 stopni Celsjusza, ale prawdopodobnie wspiął się, aby ponownie ogrzać Ziemię.”
Tego lata Lowe i Tice będą pobierać próbki, które pozwolą im ustalić temperaturę w tym przedziale czasowym, około 2,6 do 2,7 miliarda lat temu, aby lepiej zrozumieć, jak rozgrzała się Ziemia.
Powstały i zwietrzyły nowe kontynenty, ponownie usuwając dwutlenek węgla z atmosfery. Około 3 miliardów lat temu utworzyło się może 10-15% obecnego obszaru Ziemi w skorupie kontynentalnej. 2,5 miliarda lat temu powstała ogromna ilość nowej skorupy kontynentalnej - około 50 do 60 procent obecnej powierzchni skorupy kontynentalnej. Podczas tego drugiego cyklu wietrzenie większej ilości skał spowodowało jeszcze większe chłodzenie atmosferyczne, powodując głębokie zlodowacenie około 2,3 do 2,4 miliarda lat temu.
W ciągu ostatnich kilku milionów lat oscylowaliśmy między epokami lodowcowymi i interglacjałowymi, mówi Lowe. Jesteśmy teraz w okresie interglacjalnym. Jest to przejście - a naukowcy wciąż próbują zrozumieć skalę globalnych zmian klimatu spowodowanych przez ludzi w najnowszej historii w porównaniu do tych spowodowanych procesami naturalnymi na przestrzeni wieków.
„Niepokoimy system w tempie znacznie przekraczającym te, które charakteryzowały zmiany klimatyczne w przeszłości”, powiedział Lowe. „Niemniej jednak praktycznie wszystkie eksperymenty, praktycznie wszystkie odmiany i wszystkie zmiany klimatu, które staramy się zrozumieć dzisiaj, miały miejsce wcześniej. Natura przeprowadziła już większość tych eksperymentów. Jeśli potrafimy przeanalizować starożytne klimaty, kompozycje atmosferyczne i wzajemne oddziaływanie skorupy, atmosfery, życia i klimatu w przeszłości geologicznej, możemy zrobić kilka pierwszych kroków, aby zrozumieć, co dzieje się dzisiaj i prawdopodobnie jutro. ”
Oryginalne źródło: Stanford News Release
