A Föld evolúciója
A kék, felhőkkel borított bolygó, amelyet a műholdképekről azonnal felismerünk, a lapis lazuli drágakőhöz hasonlóan rendkívül stabilnak tűnik. Az oxigénben gazdag légkörrel körülvett kontinensek és óceánok az ismerős életformákat tartják fenn. Ez az állandóság azonban az emberi időérzékelés által keltett illúzió. A Föld és légköre folyamatosan változik. A lemeztektonika elmozdítja a kontinenseket, hegyeket emel és mozgatja az óceánok fenekét, miközben a még nem teljesen tisztázott folyamatok megváltoztatják az éghajlatot.
Ez az állandó változás jellemzi a Földet a mintegy 4,5 milliárd évvel ezelőtti kezdete óta. Kezdettől fogva a hő és a gravitáció alakította a bolygó fejlődését. Ezekhez az erőkhöz fokozatosan csatlakoztak az élet kialakulásának globális hatásai. E múlt feltárása kínálja számunkra az egyetlen lehetőséget az élet eredetének és talán jövőjének megértésére.
A tudósok korábban úgy vélték, hogy a kőzetbolygók, köztük a Föld, a Merkúr, a Vénusz és a Mars egy porfelhő gyors gravitációs összeomlásával, egy sűrű égitestet eredményező deációval jöttek létre. Az 1960-as években az Apollo-űrprogram megváltoztatta ezt a nézetet. A holdkráterek tanulmányozása során kiderült, hogy ezeket a horpadásokat olyan tárgyak becsapódása okozta, amelyek körülbelül 4,5 milliárd évvel ezelőtt nagy mennyiségben voltak jelen. Ezt követően úgy tűnt, hogy a becsapódások száma gyorsan csökkent. Ez a megfigyelés megfiatalította az Otto Schmidt által felállított akkréciós elméletet. Az orosz geofizikus már 1944-ben felvetette, hogy a bolygók mérete fokozatosan, lépésről lépésre nőtt.
Schmidt szerint a kozmikus por részecskékké csomósodott, a részecskékből kavicsok lettek, a kavicsokból kis golyók, majd nagy golyók, majd apró bolygók, vagyis planetesimálok, és végül a por a Hold méretűvé vált. Ahogy a bolygók egyre nagyobbak lettek, úgy csökkent a számuk. Következésképpen a planétatestek, vagyis a meteoritok közötti ütközések száma is csökkent. Az akkrécióhoz rendelkezésre álló kevesebb elem azt jelentette, hogy hosszú időbe telt egy nagy bolygó felépítése. A washingtoni Carnegie Institution of Washington munkatársa, George W. Wetherill számításai szerint körülbelül 100 millió év telhetett el egy 10 kilométer átmérőjű objektum és egy Föld méretű objektum kialakulása között.
Az akkréciós folyamatnak jelentős termikus következményei voltak a Földre nézve, olyan következmények, amelyek erőteljesen irányították a Föld fejlődését. A bolygóba csapódó nagy testek hatalmas hőt termeltek a belsejében, megolvasztva az ott található kozmikus port. Az így keletkezett kohó – amely mintegy 200-400 kilométerrel a föld alatt helyezkedik el, és amelyet magmaóceánnak neveznek – évmilliókig aktív volt, és vulkánkitöréseknek adott okot. Amikor a Föld még fiatal volt, a vulkanizmus és a belsejéből származó lávaömlések által a felszínen okozott hőt felerősítette a hatalmas objektumok folyamatos bombázása, amelyek közül néhány talán akkora volt, mint a Hold vagy akár a Mars. Ebben az időszakban nem volt lehetséges az élet.
Az Apollo-program azon túl, hogy tisztázta, hogy a Föld akkréció útján alakult ki, arra kényszerítette a tudósokat, hogy megpróbálják rekonstruálni a korai Föld későbbi időbeli és fizikai fejlődését. Ezt a vállalkozást a geológia megalapítói, köztük Charles Lyell, akinek a következő mondatot tulajdonítják, lehetetlennek tartották: Nincs nyoma a kezdetnek, nincs kilátás a végre. Ez a kijelentés azt a gondolatot fejezi ki, hogy a fiatal Földet nem lehetett újraalkotni, mert maradványait maga a Föld tevékenysége pusztította el. Az izotópgeológia fejlődése az 1960-as években azonban elavulttá tette ezt a nézetet. Az Apollo és a Hold-észlelések által felpezsdített képzeletüknek köszönhetően a geokémikusok elkezdték alkalmazni ezt a technikát a Föld evolúciójának megértésére.
A kőzetek úgynevezett radioaktív órák segítségével történő datálása lehetővé teszi a geológusok számára, hogy olyan régi tereptárgyakon dolgozzanak, amelyek nem tartalmaznak kövületeket. A radioaktív órák mutatói izotópok – ugyanannak az elemnek különböző atomtömegű atomjai -, és a geológiai időt az egyik izotópnak a másikra való bomlási sebességével mérik. A sokféle óra közül különlegesek azok, amelyek az urán 238 ólommá 206 és az urán 235 ólommá 207 bomlásán alapulnak. A geokronológusok úgy tudják meghatározni a minták korát, hogy csak a radioaktív szülőanyag, az urán leánytermékét – ebben az esetben az ólmot – elemzik.
A cirkonok keresése
Az izotópgeológia lehetővé tette a geológusok számára annak megállapítását, hogy a Föld akkréciója a bolygó differenciálódásában csúcsosodott ki: a mag – a földi mágneses tér forrása – létrejöttében és a légkör kialakulásának kezdetében. 1953-ban Claire C. Patterson, a Kaliforniai Technológiai Intézet munkatársa klasszikus munkájában az urán-ólom óra segítségével 4,55 milliárd éves kort állapított meg a Föld és számos, a Földet alkotó meteorit számára. Az 1990-es évek elején azonban egyikünk (Allègre) ólomizotópokkal végzett munkája némileg új értelmezéshez vezetett.
Mint Patterson állította, néhány meteorit valóban 4,56 milliárd évvel ezelőtt keletkezett, és törmelékeik alkották a Földet. A Föld azonban a bolygószemcsék bombázása révén tovább növekedett, egészen mintegy 120 millió-150 millió évvel későbbig. Ekkor – 4,44-4,44-4,41 milliárd évvel ezelőtt – a Föld elkezdte megtartani a légkörét és létrehozni a magját. Ezt a lehetőséget már két évtizeddel ezelőtt felvetette Bruce R. Doe és Robert E. Zartman, a denveri U.S. Geological Survey munkatársai, és megegyezik Wetherillék becsléseivel.
A kontinensek kialakulása valamivel később következett be. A lemeztektonika elmélete szerint ezek a szárazföldek a földkéreg egyetlen olyan része, amely a földköpenyben zajló konvekció által hajtott geotermikus ciklus során nem kerül újrahasznosításra, következésképpen megsemmisül. A kontinensek így egyfajta emlékezetet biztosítanak, mivel a kőzetükben a korai élet feljegyzései olvashatók. A földtani tevékenység, beleértve a lemeztektonikát, az eróziót és a metamorfózist, azonban szinte az összes ősi kőzetet elpusztította. Nagyon kevés töredék élte túl ezt a geológiai gépezetet.
Mindamellett az elmúlt évtizedekben számos fontos nd-ot készítettek, ismét az izotópgeokémia segítségével. Az egyik csoport, amelyet Stephen Moorbath, az Oxfordi Egyetem munkatársa vezetett, 3,7 és 3,8 milliárd év közötti korú terepet fedezett fel Nyugat-Grönlandon. Ezen kívül Samuel A. Bowring a Massachusetts Institute of Technology munkatársa Észak-Amerikában egy kis területet – az Acasta gneiszt – tárt fel, amelyről úgy gondolják, hogy 3,96 milliárd éves.
A cirkon ásvány keresése végül más kutatókat még ősibb terepekhez vezetett. A jellemzően kontinentális kőzetekben található cirkon nem oldódik fel az eróziós folyamat során, hanem részecske formájában rakódik le az üledékben. Néhány darab cirkon ezért évmilliárdokig fennmaradhat, és a Föld ősibb kéregének tanújaként szolgálhat. A régi cirkonok kutatása Párizsban kezdődött Annie Vitrac és Jol R. Lancelot munkájával, később a Marseille-i Egyetemen, illetve most az Nmes-i Egyetemen, valamint Moorbath és Allgre erőfeszítéseivel. A canberrai Ausztrál Nemzeti Egyetemen működő, William Compston által vezetett csoport volt az, amely végül sikerrel járt. A csoport 4,1 és 4,3 milliárd év közötti cirkonokat fedezett fel Nyugat-Ausztráliában.
A cirkonok nemcsak a kontinensek korának megértésében játszottak döntő szerepet, hanem annak meghatározásában is, hogy mikor jelent meg az élet. A legkorábbi vitathatatlan korú fosszíliákat Ausztráliában és Dél-Afrikában találták. Ezek a kék-zöld algák maradványai körülbelül 3,5 milliárd évesek. Manfred Schidlowski, a mainzi Max Planck Kémiai Intézet munkatársa a nyugat-grönlandi Isua-képződményt vizsgálta, és azt állította, hogy a szerves anyag már 3,8 milliárd évvel ezelőtt is létezett. Mivel a korai életre vonatkozó feljegyzések nagy részét megsemmisítette a geológiai tevékenység, nem tudjuk pontosan megmondani, mikor jelent meg először – talán nagyon gyorsan, talán 4,2 milliárd évvel ezelőtt.
A gázok története
A bolygó fejlődésének egyik legfontosabb aspektusa a légkör kialakulása, mert ez a gázok összessége tette lehetővé, hogy az élet kikússzon az óceánokból és fennmaradjon. A kutatók az 1950-es évek óta feltételezik, hogy a földi légkört a bolygó belsejéből felszabaduló gázok hozták létre. Amikor egy vulkán gázokat okád, az példa a Föld folyamatos kilégzésére, ahogyan ezt nevezik. A tudósok azonban megkérdőjelezték, hogy ez a folyamat hirtelen következett-e be – körülbelül 4,4 milliárd évvel ezelőtt, amikor a mag differenciálódott -, vagy pedig fokozatosan, az idők folyamán zajlott le.
A kérdés megválaszolásához Allègre és kollégái ritka gázok izotópjait tanulmányozták. Ezeknek a gázoknak — köztük a héliumnak, az argonnak és a xenonnak — az a sajátosságuk, hogy kémiailag inaktívak, vagyis a természetben nem lépnek reakcióba más elemekkel. Közülük kettő különösen fontos a légköri vizsgálatok szempontjából: az argon és a xenon. Az argonnak három izotópja van, amelyek közül az argon 40 a kálium 40 bomlásával jön létre. A xenonnak kilenc izotópja van, amelyek közül a xenon 129 két különböző eredetű. A 129-es xenon a Föld és a Naprendszer kialakulása előtti nukleoszintézis eredményeként keletkezett. Szintén a radioaktív jód 129 bomlásából keletkezett, amely már nem létezik a Földön. A jódnak ez a formája nagyon korán jelen volt, de azóta kihalt, és a xenon 129 ennek rovására keletkezett.
A legtöbb párhoz hasonlóan mind az argon 40 és a kálium 40, mind a xenon 129 és a jód 129 története van. Kiváló kronométerek. Bár a légkör a köpeny kiáramlásából keletkezett, nem tartalmaz sem kálium 40-et, sem jód 129-et. Az összes argon 40 és xenon 129, amely a Földben keletkezett és felszabadult, ma is megtalálható a légkörben. A xenon a köpenyből kiszorult és a légkörben maradt, ezért ennek az elemnek a légkör-köpeny aránya lehetővé teszi a differenciálódás korának megítélését. A köpenyben rekedt argon és xenon a kálium 40 és a jód 129 radioaktív bomlásával keletkezett. Így, ha a Föld kialakulásának kezdetén a köpeny teljes kiáramlása megtörtént volna, a légkör nem tartalmazna argon 40-et, de tartalmazna xenon 129-et.
A legnagyobb kihívást az jelenti annak a kutatónak, aki ilyen bomlási arányokat akar mérni, hogy a ritka gázok nagy koncentrációját a köpeny kőzetekben kapja meg, mert ezek rendkívül korlátozottak. Szerencsére az óceánközépi gerinceknél előfordul egy természetes jelenség, amelynek során a vulkáni láva néhány szilikátot a köpenyből a felszínre juttat. A köpenyásványokban csapdába esett kis mennyiségű gázok az olvadékkal együtt a felszínre emelkednek, és a lávatavak külső üveges peremén lévő kis hólyagocskákban koncentrálódnak. Ez a folyamat a köpenygázok mennyiségének 104 vagy 105-szörösére koncentrálódik. Ezeknek a kőzeteknek a tengerfenék kotrásával történő összegyűjtése, majd vákuumban, érzékeny tömegspektrométerben történő összezúzása lehetővé teszi a geokémikusok számára, hogy meghatározzák a köpenyben lévő izotópok arányát. Az eredmények igen meglepőek. Az arányok számításai azt mutatják, hogy a légkör 80-85 százaléka a Föld első egymillió éve alatt kiégett; a többi lassan, de folyamatosan szabadult fel a következő 4,4 milliárd év során.
A primitív légkör összetételét minden bizonnyal a szén-dioxid uralta, a második leggyakoribb gáz a nitrogén volt. Nyomokban metán, ammónia, kén-dioxid és sósav is jelen volt, de oxigén nem volt. A bőséges víz jelenlététől eltekintve a légkör hasonló volt a Vénusz vagy a Mars légköréhez. Az eredeti légkör kialakulásának részletei vitatottak, különösen azért, mert nem tudjuk, milyen erős volt akkoriban a Nap. Néhány tényt azonban nem vitatnak. Nyilvánvaló, hogy a szén-dioxid döntő szerepet játszott. Emellett sok tudós úgy véli, hogy a kialakuló légkör elegendő mennyiségű gázt, például ammóniát és metánt tartalmazott ahhoz, hogy szerves anyagok keletkezzenek.
A nap problémája azonban továbbra is megoldatlan. Az egyik hipotézis szerint a körülbelül 4,5 milliárd és 2,5 milliárd évvel ezelőtt között eltelt archaikus eon idején a Nap teljesítménye csak 75 százaléka volt a mai értéknek. Ez a lehetőség felvet egy dilemmát: hogyan maradhatott volna fenn az élet abban a viszonylag hideg éghajlatban, amely egy gyengébb napot kellett volna, hogy kísérjen? A gyenge korai nap paradoxonra, ahogyan azt nevezik, Carl Sagan és George Mullen, a Cornell Egyetem munkatársai 1970-ben kínáltak megoldást. A két tudós felvetette, hogy a metán és az ammónia, amelyek igen hatékonyan fogják be az infravörös sugárzást, meglehetősen nagy mennyiségben fordult elő. Ezek a gázok szuper-üvegházhatást hozhattak létre. Az ötletet kritizálták azon az alapon, hogy ezek a gázok nagyon reaktívak és rövid élettartamúak a légkörben.
Mi szabályozta a co-t?
A 70-es évek végén Veerabhadran Ramanathan, aki jelenleg a Scripps Institution of Oceanography-ban dolgozik, valamint Robert D. Cess és Tobias Owen a Stony Brook Egyetemről egy másik megoldást javasolt. Feltételezték, hogy a korai légkörben nem volt szükség metánra, mert a szén-dioxid elég bőséges volt a szuper-üvegházhatáshoz. Ez az érv ismét egy másik kérdést vetett fel: Mennyi szén-dioxid volt a korai légkörben? A földi szén-dioxid ma karbonátos kőzetekben, például mészkőben van eltemetve, bár nem világos, hogy mikor került oda. Ma a kalcium-karbonát elsősorban biológiai tevékenység során keletkezik; az archaikus eonban a szén elsősorban szervetlen reakciók során távozhatott.
A bolygó gyors kiáramlása hatalmas mennyiségű vizet szabadított fel a köpenyből, létrehozva az óceánokat és a hidrológiai körforgást. A légkörben valószínűleg jelenlévő savak erodálták a kőzeteket, karbonátban gazdag kőzeteket képezve. Ennek a mechanizmusnak a relatív fontossága azonban vitatott. Heinrich D. Holland, a Harvard Egyetem munkatársa úgy véli, hogy a légkörben lévő szén-dioxid mennyisége gyorsan csökkent az archaikus korban, és alacsony szinten maradt.
A korai légkör szén-dioxid-tartalmának megismerése kulcsfontosságú az éghajlati szabályozás megértéséhez. Két, egymásnak ellentmondó tábor terjesztett elő elképzeléseket arról, hogyan működik ez a folyamat. Az első csoport szerint a globális hőmérsékletet és a szén-dioxidot szervetlen geokémiai visszacsatolások szabályozták, a másik szerint biológiai eltávolítással.
James C. G. Walker, James F. Kasting és Paul B. Hays, akkoriban a Michigani Egyetem Ann Arborban, 1981-ben a szervetlen modellt javasolták. Azt posztulálták, hogy a gáz szintje magas volt az archeum kezdetén, és nem csökkent meredeken. A trió felvetette, hogy az éghajlat felmelegedésével több víz párolgott el, és a hidrológiai ciklus erőteljesebbé vált, növelve a csapadékot és a lefolyást. A légkörben lévő szén-dioxid az esővízzel keveredve szénsavas lefolyást eredményezett, és a felszínen lévő ásványokat kitette az időjárás viszontagságainak. A szilikátásványok összekapcsolódtak a légkörben lévő szénnel, megkötve azt az üledékes kőzetekben. A légkörben lévő kevesebb szén-dioxid viszont kevesebb üvegházhatást jelentett. A szervetlen negatív visszacsatolási folyamat ellensúlyozta a napenergia növekedését.
Ez a megoldás ellentétben áll egy másik paradigmával: a biológiai eltávolítással. Az egyik elmélet, amelyet James E. Lovelock, a Gaia-hipotézis egyik kidolgozója terjesztett elő, azt feltételezte, hogy a fotoszintetizáló mikroorganizmusok, például a fitoplankton, nagyon produktívak lennének egy magas szén-dioxid-környezetben. Ezek az élőlények lassan eltávolították a szén-dioxidot a levegőből és az óceánokból, kalcium-karbonátos üledékké alakítva azt. A kritikusok azzal vágtak vissza, hogy a fitoplankton nem is fejlődött ki az alatt az idő alatt, amióta a Földön élet van. (A Gaia-hipotézis szerint a földi életnek megvan az a képessége, hogy szabályozza a hőmérsékletet és a Föld felszínének összetételét, és kényelmesen tartsa azt az élőlények számára.)
A 90-es évek elején Tyler Volk a New York-i Egyetemről és David W. Schwartzman a Howard Egyetemről egy másik gaiai megoldást javasolt. Megállapították, hogy a baktériumok a talajok szén-dioxid-tartalmát a szerves anyagok lebontásával és huminsavak előállításával növelik. Mindkét tevékenység felgyorsítja az időjárást, és ezzel eltávolítja a szén-dioxidot a légkörből. Ezen a ponton azonban élesedik a vita. Egyes geokémikusok, köztük Kasting, aki jelenleg a Pennsylvaniai Állami Egyetemen dolgozik, és Holland azt állítják, hogy míg az archeum után az élet okozhat némi szén-dioxid-eltávolítást, a szervetlen geokémiai folyamatok magyarázhatják a megkötés nagy részét. Ezek a kutatók az életet a földtörténeti idő nagy részében meglehetősen gyenge éghajlati stabilizáló mechanizmusnak tekintik.
Az algákból származó oxigén
A SZÉN kérdés továbbra is kritikus jelentőségű marad azzal kapcsolatban, hogy az élet hogyan befolyásolta a légkört. A szén eltemetése kulcsszerepet játszik a légköri oxigénkoncentráció felépítésének létfontosságú folyamatában – ami bizonyos életformák kialakulásának előfeltétele. Ráadásul a globális felmelegedés jelenleg is zajlik az emberek által kibocsátott szén következtében. Egy vagy kétmilliárd éven át az óceánokban élő algák termelték az oxigént. De mivel ez a gáz erősen reaktív, és mivel az ősi óceánokban sok redukált ásványi anyag volt – a vas például könnyen oxidálódik -, az élőlények által termelt oxigén nagy része egyszerűen elhasználódott, mielőtt elérhette volna a légkört, ahol olyan gázokkal találkozott volna, amelyek reakcióba léptek volna vele.
Még ha az evolúciós folyamatok során bonyolultabb életformák jöttek volna létre ebben az anaerob korszakban, akkor sem lett volna oxigénjük. Ráadásul a védtelen ultraibolya napfény valószínűleg megölte volna őket, ha elhagyják az óceánt. Olyan kutatók, mint Walker és Preston Cloud, akik akkoriban a Santa Barbara-i Kaliforniai Egyetemen dolgoztak, azt feltételezték, hogy csak körülbelül kétmilliárd évvel ezelőtt, miután a tengerben lévő redukált ásványi anyagok nagy része oxidálódott, halmozódott fel a légköri oxigén. Egymilliárd és kétmilliárd évvel ezelőtt az oxigén elérte a jelenlegi szintet, ami rést teremtett a fejlődő élet számára.
Az egyes ásványok, például a vas-oxid vagy az urán-oxid stabilitását vizsgálva Holland kimutatta, hogy az archaikus légkör oxigéntartalma alacsony volt kétmilliárd évvel ezelőtt előtt. Nagyjából egyetértés van abban, hogy a mai 20 százalékos oxigéntartalom a fotoszintetikus tevékenység eredménye. A kérdés mégis az, hogy a légkör oxigéntartalma az idők folyamán fokozatosan vagy hirtelen nőtt-e meg. A legújabb vizsgálatok szerint az oxigénszint növekedése 2,1 milliárd és 2,03 milliárd évvel ezelőtt hirtelen kezdődött, és a jelenlegi állapotot 1,5 milliárd évvel ezelőtt érték el.
A légkörben lévő oxigén jelenlétének volt még egy nagy előnye a felszínen vagy a felszín felett élni próbáló élőlények számára: védte az ultraibolya sugárzást. Az ultraibolya sugárzás számos molekulát lebont – a DNS-től és az oxigéntől kezdve a klór-szénhidrogénekig, amelyek a sztratoszféra ózonrétegének csökkenésében szerepet játszanak. Az ilyen energia az oxigént a rendkívül instabil O atomos formára bontja, amely vissza tud egyesülni O2-vé és a nagyon különleges O3 molekulává, vagyis ózonná. Az ózon viszont elnyeli az ultraibolya sugárzást. Az életnek csak akkor volt esélye gyökeret ereszteni vagy megvetni a lábát a szárazföldön, amikor az oxigén már elég bőséges volt a légkörben az ózon kialakulásához. Nem véletlen, hogy az élet gyors evolúciója a prokariótáktól (egysejtű, sejtmag nélküli szervezetek) az eukariótáktól (egysejtű, sejtmaggal rendelkező szervezetek) a metazoákig (többsejtű szervezetek) az oxigén és az ózon egymilliárd évig tartó korszakában zajlott.
Noha a légkör ebben az időszakban meglehetősen stabil oxigénszintet ért el, az éghajlat aligha volt egységes. A modern földtörténeti időbe való átmenet során hosszú, relatív meleg vagy hűvös szakaszok voltak. Az óceánok partjainak közelében élő fosszilis planktonhéjak összetétele a fenékvíz hőmérsékletének mérésére szolgál. A feljegyzések szerint az elmúlt 100 millió év során a fenékvíz közel 15 Celsius-fokkal hűlt le. A tengerszint több száz méterrel csökkent, és a kontinensek eltávolodtak egymástól. A szárazföldi tengerek többnyire eltűntek, és az éghajlat átlagosan 10-15 Celsius-fokkal hűlt le. Nagyjából 20 millió évvel ezelőtt úgy tűnik, hogy az Antarktiszon állandó jég rakódott le.
Körülbelül kétmillió-hárommillió évvel ezelőtt a paleoklimatikus adatok a meleg és hideg időszakok jelentős kiterjedését és csökkenését mutatják, körülbelül 40 000 éves ciklusokban. Ez a periodicitás azért érdekes, mert megfelel annak az időnek, amely alatt a Földnek szüksége van a forgástengelye dőlésének egy oszcillációjára. Régóta feltételezik, és nemrég kiszámították, hogy a pálya geometriájának ismert változásai körülbelül 10 százalékkal megváltoztathatják a tél és a nyár között beérkező napfény mennyiségét, ami felelős lehet a jégkorszakok elindításáért vagy befejezéséért.
Az ember meleg keze
A legérdekesebb és legzavaróbb az a felfedezés, hogy 600 000 és 800 000 évvel ezelőtt a domináns ciklus a 40 000 éves időszakokról 100 000 éves intervallumokra váltott, nagyon nagy ingadozásokkal. Az eljegesedés utolsó nagyobb szakasza körülbelül 10 000 évvel ezelőtt ért véget. A 20 000 évvel ezelőtti csúcspontján mintegy két kilométer vastag jégtakaró borította Észak-Európa és Észak-Amerika nagy részét. A gleccserek az egész világon elterjedtek a magas fennsíkokon és a hegyekben. Elegendő jeget zártak el a szárazföldön ahhoz, hogy a tengerszint több mint 100 méterrel a mai szint alá süllyedjen. Hatalmas jégtakarók súrolták a szárazföldet és átalakították a Föld ökológiai arculatát, amely átlagosan ve Celsius-fokkal volt hűvösebb, mint jelenleg.
A meleg és hideg időszakok közötti hosszabb intervallumok pontos okait még nem sikerült tisztázni. A vulkánkitörések jelentős szerepet játszhattak, amint azt a mexikói El Chichón és a Fülöp-szigeteki Pinatubo hegy hatása mutatja. Tektonikai események, például a Himalája kialakulása is befolyásolhatta a világ éghajlatát. Még az üstökösök hatása is befolyásolhatja a rövid távú éghajlati trendeket, ami katasztrofális következményekkel járhat az életre nézve. Figyelemre méltó, hogy a heves, epizodikus zavarok ellenére az éghajlat eléggé kiegyensúlyozott volt ahhoz, hogy 3,5 milliárd éven át fenntartsa az életet.
Az elmúlt 30 év egyik legmeghatározóbb éghajlati felfedezése a grönlandi és antarktiszi jégmagokból származik. Amikor hó esik ezekre a fagyott kontinensekre, a hószemcsék közötti levegő buborékok formájában csapdába esik. A hó a benne lévő gázokkal együtt fokozatosan jéggé tömörül. Néhány ilyen feljegyzés több mint 500 000 évre nyúlik vissza; a tudósok a felszín alatt akár 3600 méter mélyen fekvő jégszelvényekből is elemezni tudják a jég és a buborékok kémiai tartalmát.
A jégmagfúrók megállapították, hogy az ókori egyiptomiak és az anasazi-indiánok által belélegzett levegő nagyon hasonló volt ahhoz, amit mi ma belélegzünk – leszámítva egy sor, az elmúlt 100 vagy 200 év során bevitt légszennyező anyagot. E hozzáadott gázok vagy szennyező anyagok közül a legfontosabbak az extra szén-dioxid és a metán. Körülbelül 1860 óta – az ipari forradalom kibontakozása óta – a légkör szén-dioxid szintje az iparosodás és az erdőirtás következtében több mint 30 százalékkal nőtt; a metán szintje pedig a mezőgazdaság, a földhasználat és az energiatermelés miatt több mint kétszeresére emelkedett. E gázok megnövekedett mennyiségének a hőt megkötő képessége az, ami a 21. században az éghajlatváltozással kapcsolatos aggodalmakra ad okot.
A jégmagok kimutatták, hogy a világméretű hőmérséklet-változás tartós természetes mértéke általában évezredenként körülbelül egy Celsius-fok. Ezek az eltolódások még mindig elég jelentősek ahhoz, hogy radikálisan megváltoztassák a fajok életterét, és potenciálisan hozzájárulhattak az olyan karizmatikus megafaunák kihalásához, mint a mamutok és a kardfogú tigrisek. A jégmagok legkülönlegesebb története azonban nem az éghajlat viszonylagos stabilitása az elmúlt 10 000 évben. Úgy tűnik, hogy a 20 000 évvel ezelőtti utolsó jégkorszak csúcspontján 50 százalékkal kevesebb szén-dioxid és kevesebb mint feleannyi metán volt a levegőben, mint a mi korszakunk, a holocén alatt. Ez a megállapítás pozitív visszacsatolásra utal a szén-dioxid, a metán és az éghajlati változások között.
Az érvelés, amely alátámasztja ennek a destabilizáló visszacsatolási rendszernek az elképzelését, a következő. Amikor a világ hidegebb volt, kisebb volt az üvegházhatású gázok koncentrációja, és így kevesebb hőt sikerült megkötni. Ahogy a Föld felmelegedett, a szén-dioxid és a metán szintje megnőtt, ami felgyorsította a felmelegedést. Ha az életnek köze lett volna ehhez a történethez, akkor az inkább az éghajlati változásokat hajtotta volna, mintsem ellenezte volna azokat. Egyre valószínűbbnek tűnik, hogy amikor az ember részévé vált ennek a körforgásnak, ő is hozzájárult a felmelegedés felgyorsulásához. Ez a felmelegedés az 1800-as évek közepe óta különösen erőteljes volt az iparosodásból, a földhasználat megváltozásából és más jelenségekből származó üvegházhatású gázok kibocsátása miatt. Ismét maradnak azonban bizonytalanságok.
Mindamellett a legtöbb tudós egyetért abban, hogy az élet lehet a fő tényező az éghajlatváltozás és az üvegházhatású gázok közötti pozitív visszacsatolásban. A 20. század végén a globális felszíni átlaghőmérséklet gyors emelkedése következett be . Valójában az 1980-as évektől kezdődően az elmúlt 2000 év legmelegebb időszaka volt. A feljegyzett 20 legmelegebb évből 19 1980 óta történt, és a 12 legmelegebb év mindegyike 1990 óta. Minden idők legmagasabb rekordja 1998-ban volt, a második és harmadik helyen pedig 2002 és 2003 állt. Jó okunk van feltételezni, hogy az 1990-es évek évtizede még melegebb lett volna, ha nem tör ki a Pinatubo hegy: ez a vulkán annyi port juttatott a magas légkörbe, hogy elzárta a beeső napfény egy részét, ami néhány tized fokos globális lehűlést okozott több éven át.
Az elmúlt 140 év felmelegedése természetes úton következhetett be? A válasz egyre nagyobb bizonyossággal az, hogy nem.
A jobb oldali dobozban egy figyelemre méltó tanulmány látható, amely megpróbálta 1000 évvel visszatolni az északi félteke hőmérsékleti rekordját. Michael Mann, a Virginiai Egyetem klimatológusa és kollégái bonyolult statisztikai elemzést végeztek, amely mintegy 112 különböző, a hőmérséklettel kapcsolatos tényezőt foglalt magában, beleértve a fák évgyűrűit, a hegyi gleccserek kiterjedését, a korallzátonyok változásait, a napfolttevékenységet és a vulkanizmust.
A kapott hőmérsékleti rekord egy rekonstrukciója annak, amit akkor kaphattunk volna, ha rendelkezésre álltak volna hőmérő alapú mérések. (Az 1860 utáni években tényleges hőmérsékleti méréseket használtunk.) Amint azt a konfidencia tartomány mutatja, az 1000 éves hőmérsékleti rekonstrukció minden egyes évében jelentős bizonytalanság van. Az általános tendencia azonban egyértelmű: az első 900 évben a hőmérséklet fokozatos csökkenése, majd a 20. században erőteljes hőmérséklet-emelkedés következett be. Ez a grafikon azt sugallja, hogy az 1990-es évek évtizede nemcsak az évszázad, hanem az egész elmúlt évezred legmelegebb évtizede volt.
Az archaikus kor magas szén-dioxid tartalmú, alacsony oxigéntartalmú légköréből a nagy evolúciós fejlődés korszakába mintegy félmilliárd évvel ezelőtt bekövetkezett átmenet tanulmányozásával világossá válik, hogy az élet szerepet játszhatott az éghajlat stabilizálásában. Egy másik példában – a jégkorszakok és az interglaciális ciklusok idején – úgy tűnik, hogy az életnek éppen ellenkező funkciója volt: inkább felgyorsította a változást, mintsem csökkentette azt. Ez a megfigyelés arra késztette egyikünket (Schneider), hogy azt állítsuk, hogy az éghajlat és az élet együtt fejlődött ki, nem pedig az élet kizárólag negatív visszacsatolásként hatott az éghajlatra.
Ha mi, emberek az élet részének tekintjük magunkat – vagyis a természeti rendszer részének -, akkor azt állíthatjuk, hogy a Földre gyakorolt kollektív hatásunk azt jelenti, hogy jelentős társevolúciós szerepünk lehet a bolygó jövőjében. A népességnövekedés jelenlegi tendenciái, a magasabb életszínvonal iránti igények, valamint a technológia és a szervezetek használata e növekedésorientált célok elérése érdekében mind hozzájárulnak a környezetszennyezéshez. Amikor a szennyezés ára alacsony, és a légkört ingyenes csatornaként használják, a szén-dioxid, a metán, a klórozott szénhidrogének, a dinitrogén-oxidok, a kén-oxidok és más toxikus anyagok felhalmozódhatnak.
Drasztikus változások előttünk
Az éghajlatváltozásról szóló 2001-es jelentésükben az éghajlatváltozással foglalkozó kormányközi testület éghajlati szakértői úgy becsülték, hogy a világ 2100-ra 1,4 és 5,8 Celsius-fok között melegszik. Ennek a tartománynak az enyhe vége – 100 évenként 1,4 Celsius-fokos felmelegedés – még mindig 14-szer gyorsabb, mint az 1000 évenként egy Celsius-fok, ami a történelem során a természetes változások átlagos üteme volt globális szinten. Ha a tartomány magasabb végpontja következne be, akkor a természetes átlagos körülményekhez képest közel 60-szor gyorsabb éghajlati változásokat tapasztalhatnánk, ami olyan változásokhoz vezethet, amelyeket sokan veszélyesnek tartanának. Az ilyen ütemű változás szinte biztosan arra kényszerítene számos fajt, hogy megpróbálja áthelyezni az elterjedési területét, ahogyan azt a 10 000 és 15 000 évvel ezelőtti jégkorszak/interglaciális átmenet idején tették. A fajoknak nem csupán 14-60-szor gyorsabb ütemben kellene reagálniuk az éghajlati változásokra, de kevés fajnak lenne zavartalan, nyitott vándorlási útvonala, mint a jégkorszak végén és az interglaciális korszak kezdetén. Ennek a jelentős felmelegedésnek a negatív hatásai – többek között az egészségügyre, a mezőgazdaságra, a partvidéki földrajzra és az örökségi helyszínekre – szintén súlyosak lehetnek.
Ahhoz, hogy a Föld ökoszisztémáinak sorsának megértéséhez szükséges kritikus előrejelzéseket készíthessünk a jövőbeli éghajlati változásokról, át kell ásnunk a szárazföldet, a tengert és a jeget, hogy minél többet megtudjunk a geológiai, paleoklimatikus és paleoökológiai feljegyzésekből. Ezek a feljegyzések adják azt a hátteret, amely alapján kalibrálhatjuk azokat a durva műszereket, amelyekkel bepillanthatunk az árnyékos környezeti jövőbe, egy olyan jövőbe, amelyet egyre inkább mi befolyásolunk.
A SZERZŐK
CLAUDE J. ALLGRE és STEPHEN H. SCHNEIDER a Föld geológiai történetének és éghajlatának különböző aspektusait tanulmányozzák. Allgre a Párizsi Egyetem professzora és a Párizsi Geofizikai Intézet geokémiai osztályának vezetője. A Nemzeti Tudományos Akadémia külföldi tagja. Schneider a Stanford Egyetem biológiai tudományok tanszékének professzora és a Környezettudományi és Környezetpolitikai Központ társigazgatója. 1992-ben MacArthur-díj ösztöndíjjal tüntették ki, 2002-ben pedig a Nemzeti Tudományos Akadémia tagjává választották.