Jordets utveckling
Likt den lapis lazuli-ädelsten som den liknar verkar den blå, molniga planeten som vi omedelbart känner igen från satellitbilder vara anmärkningsvärt stabil. Kontinenter och hav, omgivna av en syrerik atmosfär, stöder välkända livsformer. Ändå är denna beständighet en illusion som skapas av den mänskliga tidsupplevelsen. Jorden och dess atmosfär förändras ständigt. Plattentektonik förskjuter kontinenterna, höjer berg och flyttar havsbottnen medan processer som inte är helt förstådda förändrar klimatet.
En sådan ständig förändring har kännetecknat jorden sedan dess början för cirka 4,5 miljarder år sedan. Redan från början formade värme och gravitation planetens utveckling. Dessa krafter fick gradvis sällskap av de globala effekterna av livets uppkomst. Att utforska detta förflutna ger oss den enda möjligheten att förstå livets ursprung och, kanske, dess framtid.
Vetenskapsmännen brukade tro att stenplaneterna, däribland jorden, Merkurius, Venus och Mars, skapades genom den snabba gravitationella kollapsen av ett stoftmoln, en deation som gav upphov till ett tätt klot. På 1960-talet förändrade rymdprogrammet Apollo denna uppfattning. Studier av månkratrar avslöjade att dessa klyftor orsakades av nedslag av föremål som fanns i stor mängd för cirka 4,5 miljarder år sedan. Därefter tycktes antalet nedslag snabbt ha minskat. Denna observation föryngrade teorin om ackretion som Otto Schmidt hade postulerat. Den ryske geofysikern hade 1944 föreslagit att planeterna växte i storlek gradvis, steg för steg.
Enligt Schmidt klumpades kosmiskt damm ihop till partiklar, partiklar blev till grus, grus blev till små bollar, sedan till stora bollar, sedan till små planeter, eller planetesimaler, och slutligen blev dammet lika stort som månen. När planetesimaler blev större minskade deras antal. Följaktligen minskade antalet kollisioner mellan planetesimaler eller meteoriter. Färre föremål tillgängliga för ackretion innebar att det tog lång tid att bygga upp en stor planet. En beräkning gjord av George W. Wetherill vid Carnegie Institution i Washington tyder på att cirka 100 miljoner år kan gå mellan bildandet av ett objekt som mäter 10 kilometer i diameter och ett objekt i Jordens storlek.
Accretionsprocessen fick betydande termiska konsekvenser för jorden, konsekvenser som med kraft styrde dess utveckling. Stora kroppar som slog in i planeten producerade enorm värme i dess inre och smälte det kosmiska stoftet som fanns där. Den resulterande ugnen – som ligger 200-400 kilometer under jorden och kallas magmaocean – var aktiv i miljontals år och gav upphov till vulkanutbrott. När jorden var ung intensifierades värmen på ytan, som orsakades av vulkanism och lava från det inre, av det ständiga bombardemanget av enorma objekt, varav några kanske var lika stora som månen eller till och med Mars. Inget liv var möjligt under denna period.
Bortsett från att klargöra att jorden hade bildats genom ackretion tvingade Apolloprogrammet forskarna att försöka rekonstruera den tidsmässiga och fysiska utvecklingen av den tidiga jorden. Detta företag hade betraktats som omöjligt av geologins grundare, däribland Charles Lyell, till vilken följande fras tillskrivs: Ingen spår av en början, inga utsikter till ett slut. Detta uttalande förmedlar idén att den unga jorden inte kunde återskapas, eftersom dess rester förstördes av själva aktiviteten. Men utvecklingen av isotopgeologin på 1960-talet hade gjort denna uppfattning föråldrad. Geokemisterna, vars fantasi hade återuppväckts av Apollo och månens upptäckter, började tillämpa denna teknik för att förstå jordens utveckling.
Datering av stenar med hjälp av så kallade radioaktiva klockor gör det möjligt för geologer att arbeta med gammal terräng som inte innehåller fossiler. Visarna på en radioaktiv klocka är isotoper – atomer av samma grundämne som har olika atomvikter – och geologisk tid mäts genom den hastighet med vilken en isotop sönderfaller till en annan . Bland de många klockorna är de som bygger på uran 238:s sönderfall till bly 206 och uran 235:s sönderfall till bly 207 speciella. Geokronologer kan bestämma åldern på prover genom att endast analysera dotterprodukten – i det här fallet bly – av den radioaktiva moderprodukten, uran.
Söka efter zirkoner
ISOTOPE GEOLOGI har gjort det möjligt för geologer att fastställa att jordens ackretion kulminerade i en differentiering av planeten: skapandet av kärnan – källan till jordens magnetfält – och början av atmosfären. I Claire C. Pattersons klassiska arbete från California Institute of Technology från 1953 användes uranblyklockan för att fastställa en ålder på 4,55 miljarder år för jorden och många av de meteoriter som bildade den. I början av 1990-talet ledde dock arbete av en av oss (Allègre) på blyisotoper till en något ny tolkning.
Som Patterson hävdade bildades faktiskt vissa meteoriter för cirka 4,56 miljarder år sedan, och deras spillror utgjorde jorden. Men jorden fortsatte att växa genom bombning av planetesimaler fram till cirka 120 miljoner till 150 miljoner år senare. Vid den tidpunkten – för 4,44 till 4,41 miljarder år sedan – började jorden behålla sin atmosfär och skapa sin kärna. Denna möjlighet hade redan föreslagits av Bruce R. Doe och Robert E. Zartman från U.S. Geological Survey i Denver för två decennier sedan och stämmer överens med Wetherills uppskattningar.
Kontinenternas uppkomst kom något senare. Enligt teorin om plattektonik är dessa landmassor den enda del av jordskorpan som inte återvinns och följaktligen förstörs under den geotermiska cykeln som drivs av konvektionen i manteln. Kontinenterna utgör således en form av minne, eftersom det tidiga livets spår kan avläsas i deras stenar. Geologisk aktivitet, inklusive plattentektonik, erosion och metamorfism, har dock förstört nästan alla forntida stenar. Mycket få fragment har överlevt detta geologiska maskineri.
Under de senaste decennierna har dock flera viktiga nds gjorts, återigen med hjälp av isotopgeokemi. En grupp, ledd av Stephen Moorbath vid universitetet i Oxford, upptäckte terräng i västra Grönland som är mellan 3,7 och 3,8 miljarder år gammal. Dessutom har Samuel A. Bowring från Massachusetts Institute of Technology utforskat ett litet område i Nordamerika – Acasta gnejs – som tros vara 3,96 miljarder år gammalt.
Sluttningsvis ledde sökandet efter mineralet zirkon andra forskare till ännu äldre terräng. Zirkon, som vanligtvis finns i kontinentala bergarter, löses inte upp under erosionsprocessen utan deponeras i partikelform i sediment. Några få bitar av zirkon kan därför överleva i miljarder år och kan fungera som ett vittne till jordens äldre skorpa. Sökandet efter gamla zirkoner började i Paris med Annie Vitrac och Jol R. Lancelot, senare vid universitetet i Marseille respektive nu vid universitetet i Nmes, samt med insatser av Moorbath och Allgre. Det var en grupp vid Australian National University i Canberra, under ledning av William Compston, som slutligen blev framgångsrik. Gruppen upptäckte zirkoner i västra Australien som var mellan 4,1 och 4,3 miljarder år gamla.
Zirkoner har varit avgörande inte bara för att förstå kontinenternas ålder utan också för att fastställa när livet först uppstod. De tidigaste fossilerna med obestridd ålder hittades i Australien och Sydafrika. Dessa kvarlevor av blågröna alger är cirka 3,5 miljarder år gamla. Manfred Schidlowski från Max Planck-institutet för kemi i Mainz studerade Isua-formationen i västra Grönland och hävdade att organiskt material existerade redan för 3,8 miljarder år sedan. Eftersom det mesta av dokumentationen om tidigt liv har förstörts av geologisk aktivitet kan vi inte säga exakt när det första gången dök upp – kanske uppstod det mycket snabbt, kanske till och med för 4,2 miljarder år sedan.
Sagor från gaser
En av de viktigaste aspekterna av planetens utveckling är bildandet av atmosfären, eftersom det är denna samling av gaser som gjorde det möjligt för livet att krypa upp ur oceanerna och att upprätthållas. Forskare har sedan 1950-talet antagit att den jordiska atmosfären skapades av gaser som kom från planetens inre. När en vulkan spyr ut gaser är det ett exempel på den kontinuerliga utgasningen, som det kallas, av jorden. Men forskare har ifrågasatt om denna process skedde plötsligt – för cirka 4,4 miljarder år sedan när kärnan differentierades – eller om den skedde gradvis över tid.
För att besvara denna fråga studerade Allègre och hans kollegor isotoper av sällsynta gaser. Dessa gaser – däribland helium, argon och xenon – har den speciella egenskapen att de är kemiskt inerta, det vill säga att de i naturen inte reagerar med andra grundämnen. Två av dem är särskilt viktiga för studier av atmosfären: argon och xenon. Argon har tre isotoper, varav argon 40 bildas genom sönderfall av kalium 40. Xenon har nio, varav xenon 129 har två olika ursprung. Xenon 129 uppstod som ett resultat av nukleosyntesen innan jorden och solsystemet bildades. Det skapades också genom sönderfall av radioaktivt jod 129, som inte längre finns på jorden. Denna form av jod fanns mycket tidigt men har dött ut sedan dess och xenon 129 har vuxit på dess bekostnad.
Likt de flesta par har både argon 40 och kalium 40 och xenon 129 och jod 129 historier att berätta. De är utmärkta kronometrar. Även om atmosfären bildades genom utgasning från manteln innehåller den varken kalium 40 eller jod 129. Allt argon 40 och xenon 129, som bildats på jorden och släppts ut, finns i atmosfären idag. Xenon utvisades från manteln och behölls i atmosfären; därför gör förhållandet mellan atmosfären och manteln av detta grundämne det möjligt för oss att utvärdera differentieringens ålder. Argon och xenon som fångades i manteln utvecklades genom det radioaktiva sönderfallet av kalium 40 och jod 129. Om den totala utgasningen av manteln skedde i början av jordens bildning skulle atmosfären således inte innehålla något argon 40 men däremot xenon 129.
Den stora utmaning som en forskare som vill mäta sådana sönderfallskvoter står inför är att få fram höga koncentrationer av sällsynta gaser i mantelsbergarter eftersom de är extremt begränsade. Lyckligtvis inträffar ett naturligt fenomen vid mellanoceaniska ryggar under vilket vulkanisk lava överför vissa silikater från manteln till ytan. De små mängder gaser som är instängda i mantelmineraler stiger med smältan upp till ytan och koncentreras i små vesiklar i den yttre glasaktiga kanten av lavaåsar. Denna process tjänar till att koncentrera mängderna mantelgaser med en faktor 104 eller 105. Genom att samla in dessa stenar genom att muddra havsörat och sedan krossa dem under vakuum i en känslig masspektrometer kan geokemisterna bestämma förhållandet mellan isotoperna i manteln. Resultaten är ganska överraskande. Beräkningar av förhållandena visar att mellan 80 och 85 procent av atmosfären avgasades under jordens första en miljon år; resten frigjordes långsamt men konstant under de följande 4,4 miljarder åren.
Sammansättningen av denna primitiva atmosfär dominerades med största säkerhet av koldioxid, med kväve som den näst vanligaste gasen. Spår av metan, ammoniak, svaveldioxid och saltsyra förekom också, men det fanns inget syre. Med undantag för förekomsten av rikligt med vatten liknade atmosfären Venus eller Mars. Detaljerna kring utvecklingen av den ursprungliga atmosfären är omdiskuterade, särskilt eftersom vi inte vet hur stark solen var vid den tiden. Vissa fakta är dock oomtvistade. Det är uppenbart att koldioxid spelade en avgörande roll. Dessutom tror många forskare att den evolverande atmosfären innehöll tillräckliga mängder gaser som ammoniak och metan för att ge upphov till organiskt material.
Sedan dess är problemet med solen fortfarande olöst. Enligt en hypotes var solens kraft under den arkeiska eon, som varade från cirka 4,5 miljarder till 2,5 miljarder år sedan, endast 75 procent av vad den är i dag. Denna möjlighet ger upphov till ett dilemma: Hur skulle livet kunna ha överlevt i det relativt kalla klimat som borde följa med en svagare sol? En lösning på paradoxen med den svaga tidiga solen, som den kallas, erbjöds av Carl Sagan och George Mullen från Cornell University 1970. De två forskarna föreslog att metan och ammoniak, som är mycket effektiva när det gäller att fånga in infraröd strålning, fanns i riklig mängd. Dessa gaser kunde ha skapat en superväxthuseffekt. Idén kritiserades med motiveringen att sådana gaser var mycket reaktiva och hade kort livslängd i atmosfären.
Vad styrde co?
I slutet av 1970-talet föreslog Veerabhadran Ramanathan, som nu arbetar vid Scripps Institution of Oceanography, samt Robert D. Cess och Tobias Owen från Stony Brook University en annan lösning. De postulerade att det inte fanns något behov av metan i den tidiga atmosfären eftersom det fanns tillräckligt mycket koldioxid för att åstadkomma en superväxthuseffekt. Även detta argument väckte en annan fråga: Hur mycket koldioxid fanns det i den tidiga atmosfären? Koldioxid på jorden ligger nu begravd i karbonatsten, t.ex. kalksten, även om det inte är klart när den fastnade där. I dag skapas kalciumkarbonat främst under biologisk aktivitet; under den arkeiska eon kan kolet främst ha avlägsnats under oorganiska reaktioner.
Den snabba utgasningen av planeten frigjorde enorma mängder vatten från manteln, vilket skapade oceanerna och den hydrologiska cykeln. De syror som troligen fanns i atmosfären eroderade bergarter och bildade karbonatrika bergarter. Den relativa betydelsen av en sådan mekanism är dock omdiskuterad. Heinrich D. Holland från Harvard University anser att mängden koldioxid i atmosfären snabbt minskade under arkeisk tid och stannade på en låg nivå.
Förståelsen av koldioxidhalten i den tidiga atmosfären är central för att förstå klimatkontrollen. Två motstridiga läger har lagt fram idéer om hur denna process fungerar. Den första gruppen menar att de globala temperaturerna och koldioxidhalten styrdes av oorganiska geokemiska återkopplingar, medan den andra gruppen hävdar att de styrdes av biologiskt avlägsnande.
James C. G. Walker, James F. Kasting och Paul B. Hays, som då arbetade vid University of Michigan i Ann Arbor, föreslog den oorganiska modellen 1981. De postulerade att nivåerna av gasen var höga i början av arkeisk tid och att de inte föll brant. Trion föreslog att när klimatet blev varmare förångades mer vatten och den hydrologiska cykeln blev kraftigare, vilket ökade nederbörd och avrinning. Koldioxiden i atmosfären blandades med regnvattnet för att skapa kolsyra och utsätta mineraler på ytan för vittring. Silikatmineraler kombinerades med det kol som hade funnits i atmosfären och binder det i sedimentära bergarter. Mindre koldioxid i atmosfären innebar i sin tur mindre växthuseffekt. Den oorganiska negativa återkopplingsprocessen uppvägde ökningen av solenergi.
Denna lösning står i kontrast till ett andra paradigm: biologiskt avlägsnande. En teori som fördes fram av James E. Lovelock, en av upphovsmännen till Gaia-hypotesen, antog att fotosyntetiserande mikroorganismer, t.ex. fytoplankton, skulle vara mycket produktiva i en miljö med hög koldioxidhalt. Dessa varelser tog långsamt bort koldioxid från luften och haven och omvandlade den till kalciumkarbonatsediment. Kritiker replikerade att fytoplankton inte ens hade utvecklats under större delen av den tid som jorden har haft liv. (Gaia-hypotesen menar att livet på jorden har förmågan att reglera temperaturen och sammansättningen av jordens yta och hålla den behaglig för levande organismer.)
I början av 1990-talet föreslog Tyler Volk från New York University och David W. Schwartzman från Howard University en annan gaiansk lösning. De konstaterade att bakterier ökar koldioxidhalten i marken genom att bryta ner organiskt material och genom att generera humussyror. Båda aktiviteterna påskyndar vittring, vilket tar bort koldioxid från atmosfären. På denna punkt blir dock kontroversen akut. Vissa geokemister, däribland Kasting, nu vid Pennsylvania State University, och Holland, hävdar att även om livet kan stå för en del av koldioxidavskiljningen efter arkeisk tid, så kan oorganiska geokemiska processer förklara det mesta av avskiljningen. Dessa forskare ser livet som en ganska svag klimatstabiliserande mekanism under större delen av den geologiska tiden.
Syre från alger
KOLFRÅGAN förblir avgörande för hur livet påverkade atmosfären. Kolbegravning är en nyckel till den livsviktiga processen att bygga upp atmosfärens syrekoncentrationer – en förutsättning för utvecklingen av vissa livsformer. Dessutom sker den globala uppvärmningen nu som ett resultat av att människan släpper ut detta kol. Under en miljard eller två miljarder år producerade algerna i haven syre. Men eftersom denna gas är mycket reaktiv och eftersom det fanns många reducerade mineraler i de gamla haven – järn, till exempel, oxideras lätt – förbrukades en stor del av det syre som producerades av levande varelser helt enkelt innan det nådde atmosfären, där det skulle ha stött på gaser som skulle ha reagerat med det.
Även om evolutionära processer hade gett upphov till mer komplicerade livsformer under denna anaeroba era, skulle de inte ha haft något syre. Dessutom skulle obehandlat ultraviolett solljus troligen ha dödat dem om de lämnat havet. Forskare som Walker och Preston Cloud, då vid University of California i Santa Barbara, har föreslagit att atmosfäriskt syre ackumulerades först för cirka två miljarder år sedan, efter att de flesta reducerade mineralerna i havet oxiderats. Mellan en och två miljarder år sedan nådde syret dagens nivåer, vilket skapade en nisch för utvecklande liv.
Genom att undersöka stabiliteten hos vissa mineraler, såsom järnoxid eller uranoxid, har Holland visat att syrehalten i den arkeiska atmosfären var låg före två miljarder år sedan. Det råder stor enighet om att dagens syrehalt på 20 procent är ett resultat av fotosyntetisk aktivitet. Frågan är ändå om syrehalten i atmosfären ökade gradvis med tiden eller plötsligt. Nya studier tyder på att ökningen av syre började plötsligt mellan 2,1 och 2,03 miljarder år sedan och att den nuvarande situationen uppnåddes för 1,5 miljarder år sedan.
Närvaron av syre i atmosfären hade en annan viktig fördel för en organism som försökte leva vid eller ovanför ytan: den skyddade mot ultraviolett strålning. Ultraviolett strålning bryter ner många molekyler – från DNA och syre till de klorkolväten som är inblandade i stratosfärisk ozonnedbrytning. Sådan energi splittrar syre till den mycket instabila atomformen O, som kan kombineras tillbaka till O2 och till den mycket speciella molekylen O3, eller ozon. Ozon absorberar i sin tur ultraviolett strålning. Det var inte förrän syre fanns i tillräcklig mängd i atmosfären för att möjliggöra bildandet av ozon som livet ens hade en chans att få ett rotfäste eller ett fotfäste på land. Det är ingen tillfällighet att livets snabba utveckling från prokaryoter (encelliga organismer utan kärna) till eukaryoter (encelliga organismer med kärna) och metazoer (flercelliga organismer) ägde rum under den miljardåriga eran av syre och ozon.
Trots att atmosfären nådde en ganska stabil syrehalt under denna period var klimatet knappast enhetligt. Det fanns långa skeden av relativ värme eller kyla under övergången till modern geologisk tid. Sammansättningen av fossila planktonskal som levde nära havsbottnen ger ett mått på temperaturen i bottenvattnet. Uppgifterna tyder på att bottenvattnet under de senaste 100 miljoner åren har svalnat med nästan 15 grader Celsius. Havsnivåerna sjönk med hundratals meter och kontinenterna gled isär. För ungefär 20 miljoner år sedan tycks permanent is ha byggts upp på Antarktis.
För ungefär två till tre miljoner år sedan börjar de paleoklimatiska uppgifterna att visa på betydande utvidgningar och minskningar av varma och kalla perioder i cykler på ungefär 40 000 år. Denna periodicitet är intressant eftersom den motsvarar den tid det tar för jorden att slutföra en svängning av rotationsaxelns lutning. Det har länge spekulerats, och nyligen beräknats, att kända förändringar i bangeometrin skulle kunna förändra mängden solljus som kommer in mellan vinter och sommar med cirka 10 procent eller så och skulle kunna vara ansvarig för att istider inleds eller avslutas.
Människans varma hand
MEST INTERESSANT och förbryllande är upptäckten att den dominerande cykeln för 600 000-800 000 år sedan övergick från 40 000-årsperioder till 100 000-årsintervaller med mycket stora uctuationer. Den sista stora fasen av istid upphörde för cirka 10 000 år sedan. När den var som störst för 20 000 år sedan täckte isar som var omkring två kilometer tjocka stora delar av norra Europa och Nordamerika. Glaciärer bredde ut sig på högplatåer och berg över hela världen. Tillräckligt mycket is låstes in på land för att havsnivåerna skulle sjunka mer än 100 meter under dagens nivå. Massiva istäcken sköljde marken och förändrade jordens ekologiska yta, som i genomsnitt var ve grader C kallare än vad den är idag.
De exakta orsakerna till de längre intervallen mellan varma och kalla perioder är ännu inte klarlagda. Vulkanutbrott kan ha spelat en betydande roll, vilket framgår av effekterna av El Chichón i Mexiko och Pinatubo i Filippinerna. Tektoniska händelser, t.ex. utvecklingen av Himalaya, kan ha påverkat världsklimatet. Även kometers inverkan kan påverka kortsiktiga klimattrender med katastrofala följder för livet. Det är anmärkningsvärt att klimatet trots våldsamma, episodiska störningar har varit tillräckligt buffrat för att upprätthålla livet i 3,5 miljarder år.
En av de senaste 30 årens mest centrala klimatupptäckter har kommit från iskärnor på Grönland och Antarktis. När snö faller på dessa frusna kontinenter fångas luften mellan snökornen upp i form av bubblor. Snön komprimeras gradvis till is, tillsammans med dess inneslutna gaser. Vissa av dessa register kan gå mer än 500 000 år bakåt i tiden. Forskarna kan analysera det kemiska innehållet i isen och bubblorna från issektioner som ligger så djupt som 3 600 meter under ytan.
Iskärnborrarna har fastställt att den luft som andades av forntida egyptier och anasaziindianer var mycket lik den som vi andas in i dag – med undantag för en mängd luftföroreningar som införts under de senaste 100 eller 200 åren. De viktigaste av dessa tillförda gaser, eller föroreningar, är extra koldioxid och metan. Sedan omkring 1860 – den industriella revolutionens expansion – har koldioxidhalterna i atmosfären ökat med mer än 30 procent till följd av industrialisering och avskogning; metanhalterna har mer än fördubblats på grund av jordbruk, markanvändning och energiproduktion. Det är den ökade mängden av dessa gaser som kan fånga upp värme som är orsaken till oron för klimatförändringarna under 2000-talet.
Isborrhålen har visat att de ihållande naturliga temperaturförändringarna i hela världen vanligtvis är ungefär en grad C per årtusende. Dessa förändringar är fortfarande tillräckligt betydande för att radikalt förändra var arter lever och för att potentiellt ha bidragit till utrotningen av sådana karismatiska megafaunaarter som mammutar och sabeltandade tigrar. Men den mest extraordinära berättelsen från iskärnorna är inte klimatets relativa stabilitet under de senaste 10 000 åren. Det visar sig att det under den senaste istidens höjdpunkt för 20 000 år sedan fanns 50 procent mindre koldioxid och mindre än hälften så mycket metan i luften än vad som har funnits under vår epok, holocen. Detta tyder på en positiv återkoppling mellan koldioxid, metan och klimatförändringar.
Redovisningen som stöder idén om detta destabiliserande återkopplingssystem går till på följande sätt. När världen var kallare var koncentrationen av växthusgaser mindre, och därför fångades mindre värme in. När jorden blev varmare ökade koldioxid- och metanhalterna, vilket påskyndade uppvärmningen. Om livet hade haft ett finger med i spelet skulle det ha varit för att driva på klimatförändringarna, snarare än att motarbeta dem. Det verkar alltmer troligt att när människan blev en del av detta kretslopp bidrog hon också till att påskynda uppvärmningen. Denna uppvärmning har varit särskilt uttalad sedan mitten av 1800-talet på grund av utsläpp av växthusgaser från industrialisering, förändrad markanvändning och andra fenomen. Återigen kvarstår dock osäkerheter.
De flesta forskare är dock överens om att livet mycket väl kan vara den viktigaste faktorn i den positiva återkopplingen mellan klimatförändringar och växthusgaser. Det skedde en snabb ökning av den genomsnittliga globala yttemperaturen i slutet av 1900-talet . Perioden från 1980-talet och framåt har faktiskt varit den varmaste under de senaste 2 000 åren. Nitton av de 20 varmaste åren har inträffat sedan 1980, och de tolv varmaste åren har alla inträffat sedan 1990. Det högsta rekordåret genom tiderna var 1998, och 2002 och 2003 låg på andra respektive tredje plats. Det finns goda skäl att tro att 1990-talets årtionde skulle ha varit ännu varmare om inte Mount Pinatubo hade haft ett utbrott: denna vulkan lade tillräckligt mycket damm i den höga atmosfären för att blockera en del av det infallande solljuset, vilket orsakade en global avkylning på några tiondels grader under flera år.
Kan uppvärmningen under de senaste 140 åren ha uppstått naturligt? Med allt större säkerhet är svaret nej.
Rutan till höger visar en anmärkningsvärd studie där man försökte skjuta tillbaka temperaturregistret för norra halvklotet med hela 1 000 år. Klimatologen Michael Mann från University of Virginia och hans kollegor utförde en komplicerad statistisk analys som omfattade cirka 112 olika faktorer med anknytning till temperaturen, däribland trädringar, bergsglaciärernas utbredning, förändringar i korallrev, solfläcksaktivitet och vulkanism.
Det resulterande temperaturregistret är en rekonstruktion av vad som skulle ha kunnat erhållas om termometerbaserade mätningar hade funnits tillgängliga. (Faktiska temperaturmätningar används för åren efter 1860.) Som framgår av konfidensintervallet finns det en betydande osäkerhet för varje år i denna 1 000-åriga temperaturrekonstruktion. Men den övergripande trenden är tydlig: en gradvis temperatursänkning under de första 900 åren, följt av en kraftig temperaturuppgång under 1900-talet. Denna graf tyder på att 1990-talets årtionde inte bara var det varmaste under århundradet utan under hela det senaste årtusendet.
Genom att studera övergången från atmosfären med hög koldioxidhalt och låg syrehalt under arkeisk tid till en epok med stora evolutionära framsteg för ungefär en halv miljard år sedan, blir det tydligt att livet kan ha varit en faktor i stabiliseringen av klimatet. I ett annat exempel – under istiderna och de interglaciala cyklerna – tycks livet ha haft den motsatta funktionen: det har påskyndat förändringen snarare än minskat den. Denna observation har fått en av oss (Schneider) att hävda att klimatet och livet har utvecklats tillsammans snarare än att livet enbart har fungerat som en negativ återkoppling på klimatet.
Om vi människor betraktar oss själva som en del av livet – det vill säga en del av det naturliga systemet – kan man hävda att vår kollektiva påverkan på jorden innebär att vi kan ha en betydelsefull medevolutionär roll för planetens framtid. De nuvarande trenderna med befolkningstillväxt, krav på ökad levnadsstandard och användning av teknik och organisationer för att uppnå dessa tillväxtorienterade mål bidrar alla till föroreningar. När priset för förorening är lågt och atmosfären används som en gratis avloppsledning kan koldioxid, metan, klorkolväten, kväveoxider, svaveloxider och andra giftiga ämnen ansamlas.
Drastiska förändringar framöver
I SIN RAPPORT Klimatförändringar 2001 uppskattade klimatexperterna i den mellanstatliga panelen för klimatförändringar att världen kommer att värmas upp med mellan 1,4 och 5,8 grader C fram till år 2100. Den milda delen av detta intervall – en uppvärmningstakt på 1,4 grader C per 100 år – är fortfarande 14 gånger snabbare än den 1 grad C per 1 000 år som historiskt sett har varit den genomsnittliga takten för naturliga förändringar på global nivå. Om den övre delen av intervallet skulle inträffa kan vi få se klimatförändringar som är nästan 60 gånger snabbare än de naturliga genomsnittsförhållandena, vilket skulle kunna leda till förändringar som många skulle betrakta som farliga. Förändringar i denna takt skulle med största sannolikhet tvinga många arter att försöka flytta sina utbredningsområden, precis som de gjorde vid övergången mellan istid och mellanistid för 10 000 och 15 000 år sedan. Inte bara skulle arterna vara tvungna att reagera på klimatförändringarna 14 till 60 gånger snabbare, utan få arter skulle ha ostörda, öppna vandringsvägar som de hade i slutet av istiden och i början av mellanglaciärerna. De negativa effekterna av denna betydande uppvärmning – på hälsa, jordbruk, kustgeografi och kulturarv, för att nämna några – skulle också kunna bli allvarliga.
För att kunna göra de kritiska prognoser av framtida klimatförändringar som behövs för att förstå ödet för ekosystemen på jorden måste vi gräva genom land, hav och is för att lära oss så mycket som möjligt från geologiska, paleoklimatiska och paleoekologiska register. Dessa uppgifter utgör den bakgrund mot vilken vi kan kalibrera de grova instrument som vi måste använda för att se in i en skuggig miljöframtid, en framtid som i allt högre grad påverkas av oss.
Författarna
CLAUDE J. ALLGRE och STEPHEN H. SCHNEIDER studerar olika aspekter av jordens geologiska historia och dess klimat. Allgre är professor vid universitetet i Paris och leder avdelningen för geokemi vid Paris geofysiska institut. Han är utländsk medlem av National Academy of Sciences. Schneider är professor vid institutionen för biologiska vetenskaper vid Stanford University och meddirektör för Center for Environmental Science and Policy. Han hedrades med ett MacArthur Prize Fellowship 1992 och valdes in i National Academy of Sciences 2002.