Ewolucja Ziemi
Jak klejnot lapis lazuli, który przypomina, niebieska, pokryta chmurami planeta, którą natychmiast rozpoznajemy na zdjęciach satelitarnych, wydaje się nadzwyczaj stabilna. Kontynenty i oceany, otoczone bogatą w tlen atmosferą, podtrzymują znajome formy życia. Jednak ta stałość jest iluzją wytworzoną przez ludzkie doświadczenie czasu. Ziemia i jej atmosfera ulegają ciągłym zmianom. Tektonika płyt przesuwa kontynenty, wznosi góry i przesuwa dno oceanu, podczas gdy procesy nie do końca poznane zmieniają klimat.
Takie ciągłe zmiany charakteryzują Ziemię od jej początku, około 4,5 miliarda lat temu. Od samego początku ciepło i grawitacja kształtowały ewolucję planety. Do tych sił stopniowo dołączyły globalne efekty pojawienia się życia. Zbadanie tej przeszłości oferuje nam jedyną możliwość zrozumienia pochodzenia życia i, być może, jego przyszłości.
Naukowcy zwykli wierzyć, że skaliste planety, w tym Ziemia, Merkury, Wenus i Mars, powstały w wyniku gwałtownego grawitacyjnego zapadnięcia się chmury pyłu, deacji dającej początek gęstej orbicie. W latach 60-tych program kosmiczny Apollo zmienił ten pogląd. Badania kraterów księżycowych ujawniły, że wyżłobienia te powstały w wyniku uderzeń obiektów, których było bardzo dużo około 4,5 miliarda lat temu. Później liczba uderzeń szybko się zmniejszyła. Ta obserwacja odmłodziła teorię akrecji postulowaną przez Otto Schmidta. Rosyjski geofizyk zasugerował w 1944 roku, że planety zwiększały swoje rozmiary stopniowo, krok po kroku.
Według Schmidta pył kosmiczny zbił się w grudki, tworząc cząstki stałe, cząstki stałe stały się żwirem, żwir stał się małymi kulkami, potem dużymi kulkami, potem maleńkimi planetami lub planetesimalami, a w końcu pył stał się wielkości Księżyca. W miarę jak planetesimale stawały się większe, ich liczba malała. W związku z tym zmniejszyła się liczba zderzeń między planetami, czyli meteorytów. Mniej elementów dostępnych do akrecji oznaczało, że zbudowanie dużej planety trwało długo. Obliczenia dokonane przez George’a W. Wetherilla z Carnegie Institution of Washington sugerują, że między uformowaniem się obiektu o średnicy 10 kilometrów a obiektem wielkości Ziemi mogło upłynąć około 100 milionów lat.
Proces akrecji miał znaczące konsekwencje termiczne dla Ziemi, konsekwencje, które w sposób zdecydowany ukierunkowały jej ewolucję. Duże ciała uderzające w planetę wytwarzały ogromne ciepło w jej wnętrzu, topiąc znajdujący się tam pył kosmiczny. Powstałe w ten sposób palenisko – znajdujące się około 200 do 400 kilometrów pod ziemią i zwane oceanem magmy – było aktywne przez miliony lat, dając początek erupcjom wulkanicznym. Kiedy Ziemia była młoda, ciepło na powierzchni spowodowane wulkanizmem i wylewami lawy z wnętrza zostało spotęgowane przez ciągłe bombardowanie ogromnymi obiektami, z których niektóre mogły mieć rozmiary Księżyca lub nawet Marsa. Żadne życie nie było możliwe w tym okresie.
Poza wyjaśnieniem, że Ziemia uformowała się przez akrecję, program Apollo zmusił naukowców do próby zrekonstruowania późniejszego czasowego i fizycznego rozwoju wczesnej Ziemi. Przedsięwzięcie to było uważane za niemożliwe przez założycieli geologii, w tym Charlesa Lyella, któremu przypisuje się następujące zdanie: No vestige of a beginning, no prospect for an end. Stwierdzenie to wyraża myśl, że młoda Ziemia nie może być odtworzona, ponieważ jej pozostałości zostały zniszczone przez samą jej aktywność. Jednak rozwój geologii izotopowej w latach 60. sprawił, że pogląd ten stał się nieaktualny. Ich wyobraźnia została pobudzona przez Apollo i odkrycia księżycowe, geochemicy zaczęli stosować tę technikę do zrozumienia ewolucji Ziemi.
Datowanie skał za pomocą tak zwanych zegarów radioaktywnych pozwala geologom pracować na starych terenach, które nie zawierają skamieniałości. Wskazówki zegara radioaktywnego to izotopy – atomy tego samego pierwiastka, które mają różne masy atomowe – a czas geologiczny jest mierzony przez tempo rozpadu jednego izotopu na inny. Wśród wielu zegarów, te oparte na rozpadzie uranu 238 w ołów 206 i uranu 235 w ołów 207 są szczególne. Geochronolodzy mogą określić wiek próbek, analizując tylko produkt pochodny – w tym przypadku ołów – radioaktywnego rodzica, uranu.
Poszukiwanie cyrkonów
GEOLOGIA IZOTOPOWA pozwoliła geologom ustalić, że akrecja Ziemi zakończyła się zróżnicowaniem planety: utworzeniem jądra – źródła ziemskiego pola magnetycznego – i początkiem atmosfery. W 1953 r. klasyczna praca Claire C. Patterson z California Institute of Technology wykorzystała zegar uranowo-ołowiowy do ustalenia wieku 4,55 miliarda lat dla Ziemi i wielu meteorytów, które ją uformowały. Na początku lat 90-tych, jednakże, praca jednego z nas (Allègre) na izotopach ołowiu doprowadziła do nieco nowej interpretacji.
Jak twierdziła Patterson, niektóre meteoryty rzeczywiście powstały około 4,56 miliarda lat temu, a ich odłamki stanowiły Ziemię. Ale Ziemia kontynuowała wzrost przez bombardowanie planetesimals aż do jakichś 120 milionów do 150 milionów lat później. W tym czasie – 4,44 miliarda do 4,41 miliarda lat temu – Ziemia zaczęła zachowywać swoją atmosferę i tworzyć swoje jądro. Ta możliwość została już zasugerowana przez Bruce R. Doe i Robert E. Zartman z U.S. Geological Survey w Denver dwie dekady temu i jest w zgodzie z szacunkami Wetherills.
Wyłonienie się kontynentów nastąpiło nieco później. Zgodnie z teorią tektoniki płyt, te masy lądowe są jedyną częścią skorupy ziemskiej, która nie podlega recyklingowi, a w konsekwencji zniszczeniu podczas cyklu geotermicznego napędzanego przez konwekcję w płaszczu. Kontynenty stanowią zatem formę pamięci, ponieważ zapis wczesnego życia może być odczytany w ich skałach. Jednak działalność geologiczna, w tym tektonika płyt, erozja i metamorfizm, zniszczyła prawie wszystkie starożytne skały. Bardzo niewiele fragmentów przetrwało tę geologiczną maszynę.
Niemniej jednak, w ostatnich dziesięcioleciach, kilka ważnych nds zostało dokonanych, ponownie przy użyciu geochemii izotopów. Jedna z grup, kierowana przez Stephena Moorbatha z Uniwersytetu w Oxfordzie, odkryła w Zachodniej Grenlandii teren, który ma od 3,7 do 3,8 miliarda lat. Ponadto, Samuel A. Bowring z Massachusetts Institute of Technology zbadał mały obszar w Ameryce Północnej – gnejs Acasta – o którym sądzi się, że ma 3,96 miliarda lat.
W końcu, poszukiwania minerału cyrkonu doprowadziły innych badaczy do jeszcze bardziej starożytnego terenu. Zazwyczaj spotykany w skałach kontynentalnych, cyrkon nie rozpuszcza się podczas procesu erozji, ale jest osadzany w formie cząsteczek w osadach. Kilka kawałków cyrkonu może zatem przetrwać miliardy lat i służyć jako świadectwo bardziej starożytnej skorupy ziemskiej. Poszukiwania starych cyrkonów rozpoczęły się w Paryżu od pracy Annie Vitrac i Jol R. Lancelot, później na Uniwersytecie w Marsylii, a obecnie na Uniwersytecie w Nmes, odpowiednio, jak również od wysiłków Moorbath i Allgre. Ostatecznie sukces odniosła grupa z Australian National University w Canberze, kierowana przez Williama Compstona. Zespół odkrył cyrkony w zachodniej Australii, które były między 4,1 mld a 4,3 mld lat.
Zirkony były kluczowe nie tylko dla zrozumienia wieku kontynentów, ale dla określenia, kiedy życie rst pojawił. Najwcześniejsze skamieniałości o niekwestionowanym wieku zostały znalezione w Australii i Południowej Afryce. Te relikty niebiesko-zielonych alg mają około 3,5 miliarda lat. Manfred Schidlowski z Instytutu Chemii Maxa Plancka w Moguncji badał formację Isua w Zachodniej Grenlandii i dowodził, że materia organiczna istniała już 3,8 miliarda lat temu. Ponieważ większość zapisów wczesnego życia została zniszczona przez działalność geologiczną, nie możemy powiedzieć dokładnie, kiedy się ono pojawiło – być może powstało bardzo szybko, może nawet 4,2 miliarda lat temu.
Historie z gazów
Jednym z najważniejszych aspektów ewolucji naszej planety jest formowanie się atmosfery, ponieważ to właśnie ta mieszanina gazów pozwoliła życiu wypełznąć z oceanów i utrzymać się. Od lat 50-tych XX wieku naukowcy wysuwają hipotezę, że ziemska atmosfera została stworzona przez gazy wydobywające się z wnętrza planety. Kiedy wulkan wyrzuca gazy, jest to przykład ciągłego odgazowywania, jak to się nazywa, Ziemi. Ale naukowcy zastanawiali się, czy proces ten nastąpił nagle – około 4,4 miliarda lat temu, kiedy jądro się zróżnicowało – czy też odbywał się stopniowo w czasie.
Aby odpowiedzieć na to pytanie, Allègre i jego koledzy badali izotopy rzadkich gazów. Gazy te – w tym hel, argon i ksenon – mają tę szczególną cechę, że są chemicznie obojętne, to znaczy, że nie reagują w przyrodzie z innymi pierwiastkami. Dwa z nich są szczególnie ważne dla badań atmosfery: argon i ksenon. Argon ma trzy izotopy, z których argon 40 powstaje w wyniku rozpadu potasu 40. Ksenon ma ich dziewięć, z czego ksenon 129 ma dwa różne pochodzenia. Ksenon 129 powstał w wyniku nukleosyntezy przed uformowaniem się Ziemi i Układu Słonecznego. Powstał również z rozpadu radioaktywnego jodu 129, który nie występuje już na Ziemi. Ta forma jodu była obecna bardzo wcześnie, ale od tego czasu wymarła, a ksenon 129 urósł jej kosztem.
Jak większość par, zarówno argon 40 i potas 40, jak i ksenon 129 i jod 129 mają do opowiedzenia swoje historie. Są one doskonałymi chronometrażystami. Chociaż atmosfera powstała w wyniku odgazowania płaszcza, nie zawiera ona ani potasu 40, ani jodu 129. Wszystkie argon 40 i ksenon 129, powstałe w Ziemi i uwolnione, znajdują się dziś w atmosferze. Ksenon został wyrzucony z płaszcza i zatrzymany w atmosferze, dlatego stosunek tego pierwiastka w atmosferze do płaszcza pozwala ocenić wiek różnicowania. Argon i ksenon uwięzione w płaszczu wyewoluowały w wyniku rozpadu promieniotwórczego potasu 40 i jodu 129. Tak więc, gdyby całkowite odgazowanie płaszcza nastąpiło na początku formowania się Ziemi, atmosfera nie zawierałaby argonu 40, ale zawierałaby ksenon 129.
Głównym wyzwaniem stojącym przed badaczem, który chce zmierzyć takie proporcje rozpadu, jest uzyskanie wysokich stężeń rzadkich gazów w skałach płaszcza, ponieważ są one niezwykle ograniczone. Na szczęście na grzbietach śródoceanicznych występuje naturalne zjawisko, podczas którego lawa wulkaniczna przenosi niektóre krzemiany z płaszcza na powierzchnię. Niewielkie ilości gazów uwięzionych w minerałach płaszcza unoszą się wraz z roztopionym materiałem na powierzchnię i są koncentrowane w małych pęcherzykach w zewnętrznych szklistych brzegach skał lawowych. Proces ten powoduje koncentrację ilości gazów płaszczowych o współczynniku 104 lub 105. Zbieranie tych skał poprzez pogłębianie morza, a następnie rozdrabnianie ich pod próżnią w czułym spektrometrze masowym pozwala geochemikom określić stosunek izotopów w płaszczu. Wyniki są dość zaskakujące. Obliczenia stosunków wskazują, że między 80 a 85 procent atmosfery został odgazowany podczas Earths rst jeden milion lat; reszta została zwolniona powoli, ale stale w ciągu najbliższych 4,4 miliardów lat.
Skład tej prymitywnej atmosfery był najbardziej na pewno zdominowany przez dwutlenek węgla, z azotu jako drugi gaz najbardziej obfite. Śladowe ilości metanu, amoniaku, dwutlenku siarki i kwasu solnego były również obecne, ale nie było tlenu. Z wyjątkiem obecności dużej ilości wody, atmosfera była podobna do tej na Wenus lub Marsie. Szczegóły ewolucji pierwotnej atmosfery są dyskutowane, szczególnie dlatego, że nie wiemy, jak silne było wtedy Słońce. Niektóre fakty są jednak bezsporne. Oczywiste jest, że kluczową rolę odegrał dwutlenek węgla. Ponadto wielu naukowców uważa, że ewoluująca atmosfera zawierała wystarczające ilości gazów takich jak amoniak i metan, aby dać początek materii organicznej.
Nadal problem słońca pozostaje nierozwiązany. Jeden hipoteza trzymać że podczas the Archean eon, che trwać od wokoło 4.5 miliard 2.5 miliard rok temu, the słońces władza być tylko 75 procent co ono być dzisiaj. Ta możliwość rodzi dylemat: Jak życie mogło przetrwać w stosunkowo zimnym klimacie, który powinien towarzyszyć słabszemu słońcu? Rozwiązanie paradoksu słabego wczesnego słońca, jak to się nazywa, zostało zaproponowane przez Carla Sagana i George’a Mullena z Uniwersytetu Cornell w 1970 roku. Dwaj naukowcy zasugerowali, że metan i amoniak, które są bardzo skuteczne w zatrzymywaniu promieniowania podczerwonego, były dość obfite. Gazy te mogły stworzyć super efekt cieplarniany. Pomysł został skrytykowany na podstawie tego, że takie gazy są wysoce reaktywne i mają krótki czas życia w atmosferze.
Co kontrolowane?
Pod koniec lat 70. Veerabhadran Ramanathan, obecnie w Scripps Institution of Oceanography, oraz Robert D. Cess i Tobias Owen ze Stony Brook University zaproponowali inne rozwiązanie. Postulowali oni, że metan nie był potrzebny we wczesnej atmosferze, ponieważ dwutlenek węgla był wystarczająco obfity, by wywołać efekt superzieleni. I znów ten argument wywołał inne pytanie: Ile dwutlenku węgla znajdowało się we wczesnej atmosferze? Ziemski dwutlenek węgla jest obecnie pochowany w skałach węglanowych, takich jak wapień, chociaż nie jest jasne, kiedy został tam uwięziony. Obecnie węglan wapnia jest tworzony głównie podczas aktywności biologicznej; w eonie archeańskim węgiel mógł być głównie usuwany podczas reakcji nieorganicznych.
Gwałtowne odgazowanie planety uwolniło ogromne ilości wody z płaszcza, tworząc oceany i cykl hydrologiczny. Kwasy, które prawdopodobnie były obecne w atmosferze, erodowały skały, tworząc skały bogate w węglany. Względne znaczenie takiego mechanizmu jest jednak dyskusyjne. Heinrich D. Holland z Uniwersytetu Harvarda uważa, że ilość dwutlenku węgla w atmosferze gwałtownie spadła podczas Archeanu i pozostała na niskim poziomie.
Zrozumienie zawartości dwutlenku węgla we wczesnej atmosferze jest kluczowe dla zrozumienia kontroli klimatycznej. Dwa sprzeczne obozy wysunęły pomysły na to, jak ten proces działa. Pierwsza grupa utrzymuje, że globalne temperatury i dwutlenek węgla były kontrolowane przez nieorganiczne geochemiczne sprzężenia zwrotne; druga twierdzi, że były one kontrolowane przez biologiczne usuwanie.
James C. G. Walker, James F. Kasting i Paul B. Hays, wtedy na Uniwersytecie Michigan w Ann Arbor, zaproponowali model nieorganiczny w 1981 roku. Postulowali oni, że poziom gazu był wysoki na początku Archeanu i nie spadł gwałtownie. Trio zasugerowało, że wraz z ociepleniem klimatu więcej wody wyparowało, a cykl hydrologiczny stał się bardziej energiczny, zwiększając opady i spływy. Dwutlenek węgla w atmosferze zmieszał się z wodą deszczową, tworząc spływ kwasu węglowego, narażając minerały na powierzchni na wietrzenie. Minerały krzemianowe połączyły się z węglem, który był w atmosferze, sekwestrując go w skałach osadowych. Mniej dwutlenku węgla w atmosferze oznaczało, z kolei, mniejszy efekt cieplarniany. Nieorganiczny proces ujemnego sprzężenia zwrotnego zrównoważył wzrost energii słonecznej.
To rozwiązanie kontrastuje z drugim paradygmatem: biologicznym usuwaniem. Jedna z teorii wysuniętych przez Jamesa E. Lovelocka, twórcę hipotezy Gai, zakładała, że mikroorganizmy fotosyntetyzujące, takie jak fitoplankton, będą bardzo produktywne w środowisku o wysokiej zawartości dwutlenku węgla. Stworzenia te powoli usuwały dwutlenek węgla z powietrza i oceanów, przekształcając go w osady węglanu wapnia. Krytycy ripostowali, że fitoplankton nie ewoluował nawet przez większość czasu, w którym na Ziemi istniało życie. (Hipoteza Gai utrzymuje, że życie na Ziemi ma zdolność regulowania temperatury i składu powierzchni Ziemi oraz utrzymywania jej w stanie komfortowym dla organizmów żywych.)
W początkach lat 90-tych Tyler Volk z New York University i David W. Schwartzman z Howard University zaproponowali inne gaińskie rozwiązanie. Zauważyli, że bakterie zwiększają zawartość dwutlenku węgla w glebie, rozkładając materię organiczną i wytwarzając kwasy humusowe. Obie te czynności przyspieszają wietrzenie, usuwając dwutlenek węgla z atmosfery. W tym punkcie jednak kontrowersje stają się ostre. Niektórzy geochemicy, w tym Kasting, obecnie pracujący na Pennsylvania State University, oraz Holland, postulują, że podczas gdy życie może odpowiadać za pewne usuwanie dwutlenku węgla po epoce Archeanu, nieorganiczne procesy geochemiczne mogą wyjaśnić większość sekwestracji. Badacze ci postrzegają życie jako raczej słaby mechanizm stabilizujący klimat przez większą część czasu geologicznego.
Tlen z alg
ZAGADNIENIE WĘGLA pozostaje kluczowe dla tego, jak życie wpłynęło na atmosferę. Grzebanie węgla jest kluczem do ważnego procesu budowania atmosferycznych stężeń tlenu – warunku koniecznego do rozwoju pewnych form życia. Ponadto, globalne ocieplenie ma miejsce obecnie w wyniku uwalniania tego węgla przez ludzi. Przez miliard lub dwa miliardy lat, algi w oceanach produkowały tlen. Ale ponieważ ten gaz jest wysoce reaktywny i ponieważ w starożytnych oceanach było wiele zredukowanych minerałów – żelazo, na przykład, łatwo się utlenia – duża część tlenu produkowanego przez żywe istoty po prostu została zużyta, zanim mogła dotrzeć do atmosfery, gdzie napotkałaby gazy, które mogłyby z nią reagować.
Nawet gdyby procesy ewolucyjne dały początek bardziej skomplikowanym formom życia podczas tej beztlenowej ery, nie miałyby one tlenu. Ponadto, un ltered ultrafioletowe światło słoneczne prawdopodobnie zabiłoby je, gdyby opuścili ocean. Naukowcy tacy jak Walker i Preston Cloud, pracujący wówczas na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Barbara, zasugerowali, że dopiero około dwóch miliardów lat temu, po tym jak większość zredukowanych minerałów w morzu uległa utlenieniu, doszło do akumulacji tlenu atmosferycznego. Między miliardem a dwoma miliardami lat temu tlen osiągnął obecny poziom, tworząc niszę dla rozwijającego się życia.
Badając stabilność niektórych minerałów, takich jak tlenek żelaza lub tlenek uranu, Holland wykazał, że zawartość tlenu w atmosferze Archean była niska przed dwoma miliardami lat temu. W dużej mierze zgodzono się, że obecna zawartość tlenu wynosząca 20 procent jest wynikiem aktywności fotosyntetycznej. Pozostaje jednak pytanie, czy zawartość tlenu w atmosferze wzrastała stopniowo w czasie, czy też gwałtownie. Ostatnie badania wskazują, że wzrost ilości tlenu rozpoczął się gwałtownie między 2,1 mld a 2,03 mld lat temu i że obecna sytuacja została osiągnięta 1,5 mld lat temu.
Obecność tlenu w atmosferze miała jeszcze jedną ważną zaletę dla organizmów próbujących żyć na powierzchni lub ponad nią: ograniczała promieniowanie ultrafioletowe. Promieniowanie ultrafioletowe rozbija wiele cząsteczek – od DNA i tlenu do chloropochodnych węglowodorów, które są odpowiedzialne za niszczenie ozonu w stratosferze. Taka energia rozszczepia tlen na wysoce niestabilną formę atomową O, która może łączyć się z powrotem w O2 i w bardzo szczególną cząsteczkę O3, czyli ozon. Ozon z kolei pochłania promieniowanie ultrafioletowe. Życie miało szansę zakorzenić się na lądzie dopiero wtedy, gdy tlenu w atmosferze było wystarczająco dużo, by umożliwić powstawanie ozonu. Nie jest przypadkiem, że szybka ewolucja życia od prokariotów (jednokomórkowych organizmów bez jądra) do eukariotów (jednokomórkowych organizmów z jądrem) do metazoa (organizmów wielokomórkowych) miała miejsce w trwającej miliard lat erze tlenu i ozonu.
Pomimo że atmosfera osiągała w tym okresie dość stabilny poziom tlenu, klimat prawie nie był jednolity. Istniały długie etapy względnego ciepła lub chłodu podczas przejścia do współczesnego czasu geologicznego. Skład skamieniałych muszli planktonu, który żył w pobliżu oceanu, dostarcza miary temperatury wody na dnie. Zapis ten sugeruje, że w ciągu ostatnich 100 milionów lat wody denne ochłodziły się o prawie 15 stopni Celsjusza. Poziomy mórz spadły o setki metrów, a kontynenty oddaliły się od siebie. Morza śródlądowe w większości zniknęły, a klimat ochłodził się średnio o 10 do 15 stopni C. Mniej więcej 20 milionów lat temu stały lód wydaje się budować na Antarktydzie.
Około dwa miliony do trzech milionów lat temu zapis paleoklimatyczny zaczyna pokazywać znaczące ekspansje i kurczenie się ciepłych i zimnych okresów w cyklach 40 000-letnich lub tak. Ta okresowość jest interesująca, ponieważ odpowiada czasowi, jaki zajmuje Ziemi ukończenie oscylacji nachylenia jej osi obrotu. Ono długo spekulować, i ostatnio obliczać, że znać zmiana w orbitalny geometria móc the kwota światło słoneczne w między zima i lato wokoło 10 procent lub w ten sposób i móc odpowiedzialny dla inicjowanie lub ending epoka lodowcowa.
Ciepły ręka mężczyzna
MOST INTERESUJĄCY i zakłopotanie być the odkrycie że między 600,000 i 800,000 rok temu the dominujący cykl przełączać od 40,000-rok okresy 100,000-rok interwał z bardzo duży uctuations. Ostatnia większa faza zlodowacenia zakończyła się około 10 000 lat temu. W szczytowym okresie, 20 000 lat temu, lądolody o grubości około dwóch kilometrów pokrywały większą część północnej Europy i Ameryki Północnej. Lodowce rozprzestrzeniały się na płaskowyżach i w górach na całym świecie. Na lądzie zgromadziło się wystarczająco dużo lodu, by poziom mórz spadł o ponad 100 metrów poniżej dzisiejszego poziomu. Masywne arkusze lodu scoured ziemi i reorganizacji ekologicznej twarzy Ziemi, która była ve stopni C chłodniejsze średnio niż to jest obecnie.
Dokładne przyczyny dłuższych przerw między ciepłych i zimnych okresów nie są jeszcze sortowane out. Erupcje wulkaniczne mogły odegrać znaczącą rolę, jak pokazuje efekt El Chichón w Meksyku i Mount Pinatubo na Filipinach. Wydarzenia tektoniczne, takie jak rozwój Himalajów, mogły mieć wpływ na klimat świata. Nawet oddziaływanie komet może wpływać na krótkoterminowe trendy klimatyczne z katastrofalnymi skutkami dla życia. To niezwykłe, że pomimo gwałtownych, epizodycznych perturbacji, klimat został wystarczająco zbuforowany, by podtrzymywać życie przez 3,5 miliarda lat.
Jedno z najbardziej przełomowych odkryć klimatycznych ostatnich 30 lat pochodzi z rdzeni lodowych na Grenlandii i Antarktydzie. Kiedy na te zamarznięte kontynenty spada śnieg, powietrze pomiędzy ziarnami śniegu jest uwięzione w postaci pęcherzyków. Śnieg jest stopniowo kompresowany do lodu, wraz z wychwyconymi gazami. Niektóre z tych zapisów mogą sięgać ponad 500,000 lat wstecz; naukowcy mogą analizować chemiczną zawartość lodu i pęcherzyków powietrza z sekcji lodu, które leżą tak głęboko jak 3,600 metrów (2.2 mil) pod powierzchnią.
Odkrywcy rdzeni lodowych ustalili, że powietrze, którym oddychali starożytni Egipcjanie i Indianie Anasazi było bardzo podobne do tego, które wdychamy dzisiaj – z wyjątkiem mnóstwa zanieczyszczeń powietrza wprowadzonych w ciągu ostatnich 100 lub 200 lat. Głównymi z tych dodanych gazów, czyli zanieczyszczeń, są dodatkowy dwutlenek węgla i metan. Od około 1860 roku – ekspansji rewolucji przemysłowej – poziom dwutlenku węgla w atmosferze wzrósł o ponad 30 procent w wyniku uprzemysłowienia i wylesiania; poziom metanu wzrósł ponad dwukrotnie z powodu rolnictwa, użytkowania ziemi i produkcji energii. Zdolność zwiększonych ilości tych gazów do zatrzymywania ciepła jest tym, co napędza obawy o zmiany klimatyczne w XXI wieku .
Rdzenie lodowe wykazały, że trwałe naturalne tempo zmian temperatury na świecie wynosi zazwyczaj około jednego stopnia C na tysiąclecie. Zmiany te są jednak wystarczająco znaczące, by radykalnie zmienić miejsce życia gatunków i potencjalnie przyczynić się do wyginięcia takich charyzmatycznych megafauny jak mamuty i tygrysy szablozębne. Jednak najbardziej niezwykła historia z rdzeni lodowych nie dotyczy względnej stabilności klimatu w ciągu ostatnich 10 000 lat. Okazuje się, że podczas ostatniej epoki lodowcowej 20 000 lat temu w powietrzu było o 50 procent mniej dwutlenku węgla i o połowę mniej metanu niż w naszej epoce, holocenie. Ten nding sugeruje dodatnie sprzężenie zwrotne między dwutlenkiem węgla, metanem i zmianami klimatycznymi.
Rozumowanie, które wspiera ideę tego destabilizującego systemu sprzężenia zwrotnego idzie w następujący sposób. Kiedy świat był zimniejszy, była mniejsza koncentracja gazów cieplarnianych, a więc mniej ciepła zostało uwięzione. Gdy Ziemia się ociepliła, poziom dwutlenku węgla i metanu wzrósł, przyspieszając ocieplenie. Jeśli życie miało swój udział w tej historii, to raczej po to, by napędzać zmiany klimatyczne, niż by się im przeciwstawiać. Wydaje się coraz bardziej prawdopodobne, że kiedy ludzie stali się częścią tego cyklu, oni również przyczynili się do przyspieszenia ocieplenia. Takie ocieplenie jest szczególnie wyraźne od połowy XIX wieku z powodu emisji gazów cieplarnianych w wyniku industrializacji, zmiany sposobu użytkowania gruntów i innych zjawisk. Po raz kolejny jednak pozostają wątpliwości.
Niemniej jednak większość naukowców zgodziłaby się, że życie może być głównym czynnikiem w dodatnim sprzężeniu zwrotnym między zmianami klimatycznymi a gazami cieplarnianymi. Nastąpił gwałtowny wzrost średniej globalnej temperatury powierzchni pod koniec XX wieku. W istocie okres od lat 80. ubiegłego wieku był najcieplejszy w ciągu ostatnich 2000 lat. Dziewiętnaście z 20 najcieplejszych zarejestrowanych lat miało miejsce od 1980 roku, a 12 najcieplejszych lat miało miejsce od 1990 roku. Rekordowy w historii był rok 1998, a lata 2002 i 2003 zajęły odpowiednio drugie i trzecie miejsce. Istnieje dobry powód, aby wierzyć, że dekada lat 90-tych byłaby jeszcze gorętsza, gdyby nie wybuchła góra Pinatubo: wulkan ten wprowadził wystarczającą ilość pyłu do wysokich warstw atmosfery, aby zablokować niektóre padające promienie słoneczne, powodując globalne ochłodzenie o kilka dziesiątych stopnia przez kilka lat.
Czy ocieplenie w ciągu ostatnich 140 lat mogło wystąpić naturalnie? Z coraz większą pewnością, odpowiedź brzmi nie.
Pudełko po prawej stronie pokazuje niezwykłe badanie, które próbowało przesunąć rekord temperatury półkuli północnej o całe 1000 lat. Klimatolog Michael Mann z Uniwersytetu Wirginii i jego koledzy przeprowadzili złożoną analizę statystyczną obejmującą około 112 różnych czynników związanych z temperaturą, w tym słoje drzew, zasięg lodowców górskich, zmiany w rafach koralowych, aktywność plam słonecznych i wulkanizm.
Wynikający z tego zapis temperatury jest rekonstrukcją tego, co mogłoby zostać uzyskane, gdyby pomiary oparte na termometrach były dostępne. (Rzeczywiste pomiary temperatury są używane dla lat po 1860 r.) Jak pokazuje przedział ufności, istnieje znaczna niepewność w każdym roku tej 1000-letniej rekonstrukcji temperatury. Jednak ogólny trend jest jasny: stopniowy spadek temperatury przez pierwsze 900 lat, po którym nastąpił gwałtowny wzrost temperatury w XX wieku. Wykres ten sugeruje, że dekada lat 90. była nie tylko najcieplejsza w tym stuleciu, ale w całym minionym tysiącleciu.
Badając przejście od atmosfery Archeanu o wysokiej zawartości dwutlenku węgla i niskiej zawartości tlenu do ery wielkiego postępu ewolucyjnego około pół miliarda lat temu, staje się jasne, że życie mogło być czynnikiem stabilizującym klimat. W innym przykładzie – podczas epok lodowcowych i cykli międzylodowcowych – życie wydaje się pełnić odwrotną funkcję: raczej przyspiesza zmiany niż je osłabia. Ta obserwacja doprowadziła jednego z nas (Schneider) do twierdzenia, że klimat i życie koewoluowały raczej niż życie służyło wyłącznie jako negatywne sprzężenie zwrotne dla klimatu.
Jeśli my, ludzie, uważamy się za część życia – to znaczy, część naturalnego systemu – to można argumentować, że nasz zbiorowy wpływ na Ziemię oznacza, że możemy mieć znaczącą współewolucyjną rolę w przyszłości planety. Obecne trendy wzrostu populacji, żądania podwyższonego standardu życia oraz wykorzystanie technologii i organizacji do osiągnięcia tych zorientowanych na wzrost celów – wszystko to przyczynia się do zanieczyszczenia. Kiedy cena zanieczyszczania jest niska, a atmosfera jest używana jako wolny ściek, dwutlenek węgla, metan, chlorowęglowodory, podtlenki azotu, tlenki siarki i inne toksyny mogą się gromadzić.
Drastyczne zmiany przed nami
W RAPORCIE Zmiany klimatu 2001, eksperci ds. klimatu z Międzyrządowego Zespołu ds. Zmian Klimatu oszacowali, że świat ociepli się o 1,4 do 5,8 stopnia C do 2100 roku. Łagodny koniec tego przedziału – tempo ocieplenia wynoszące 1,4 stopnia C na 100 lat – jest nadal 14 razy szybsze niż jeden stopień C na 1000 lat, który historycznie był średnim tempem naturalnych zmian w skali globalnej. Jeśli wystąpiłaby wyższa wartość, moglibyśmy zaobserwować tempo zmian klimatycznych prawie 60 razy szybsze niż średnie warunki naturalne, co mogłoby doprowadzić do zmian, które wielu uznałoby za niebezpieczne. Zmiany zachodzące w takim tempie niemal na pewno zmusiłyby wiele gatunków do podjęcia prób przesunięcia swoich zasięgów, podobnie jak miało to miejsce w przypadku przejścia między epoką lodowcową a interglacjałem 10 000 a 15 000 lat temu. Nie dość, że gatunki musiałyby reagować na zmiany klimatyczne w tempie od 14 do 60 razy szybszym, to niewiele z nich miałoby niezakłócone, otwarte szlaki migracyjne, tak jak miało to miejsce pod koniec epoki lodowcowej i na początku epoki międzylodowcowej. Negatywne skutki tego znaczącego ocieplenia – dla zdrowia, rolnictwa, geografii wybrzeża i miejsc dziedzictwa, by wymienić tylko kilka – mogłyby być również poważne.
Aby dokonać krytycznych prognoz przyszłych zmian klimatycznych, potrzebnych do zrozumienia losu ekosystemów na Ziemi, musimy przekopać się przez ląd, morze i lód, by dowiedzieć się jak najwięcej z zapisów geologicznych, paleoklimatycznych i paleoekologicznych. Te zapisy stanowią tło, na którym można skalibrować surowe instrumenty, których musimy użyć, aby zajrzeć w mroczną przyszłość środowiska, przyszłość, na którą w coraz większym stopniu wpływamy my sami.
THE AUTHORS
CLAUDE J. ALLGRE i STEPHEN H. SCHNEIDER badają różne aspekty geologicznej historii Ziemi i jej klimatu. Allgre jest profesorem na Uniwersytecie w Paryżu i kieruje działem geochemii w Instytucie Geofizycznym w Paryżu. Jest zagranicznym członkiem Narodowej Akademii Nauk. Schneider jest profesorem w departamencie nauk biologicznych na Uniwersytecie Stanforda i współdyrektorem Centrum Nauki i Polityki Środowiskowej. W 1992 r. został uhonorowany stypendium Nagrody MacArthura, a w 2002 r. wybrano go na członka Narodowej Akademii Nauk.