Ewolucja atmosfery

Efekt cieplarniany na Ziemi istnieje odkąd powstała atmosfera. 4 miliardy lat temu, w archaiku, atmosfera ta miała zupełnie inny skład, w której przeważały gazy cieplarniane. Właśnie metan, dwutlenek węgla i para wodna. Ale również w pierwotnej atmosferze naszej planety było dużo amoniaku  i wodoru. Nie było z pewnością w ogóle tlenu. Było to środowisko niezbyt przyjazne do życia takie jakie mamy dziś. Zresztą oprócz pierwotnych form bakterii (organizmów jednokomórkowych) jeszcze nie istniały żadne istoty wielokomórkowe. Nie istniały też bakterie, które by posiadały jądra komórkowe. Były to tzw. prokarionty. Zaliczamy do nich archeony (dawniej archebakterie) i eubakterie.

Rysunek 1. Pierwotna atmosfera w archaiku. (żródło)

Ważnym wydarzeniem w historii Ziemi było pojawienie się 2,5-2,6 miliarda lat temu fotosyntezy oraz jednokomórkowych organizmów, już z jądrami komórkowymi, takich jak sinice i bakterie fotosyntetyzujące. Co też umożliwiło pojawienie się tlenu w atmosferze. Z biegiem czasu pojawiało się go w niej coraz więcej, aż mniej więcej jego poziom ustabilizował się, prawdopodobnie około 2,2 miliarda lat temu. Mówią o tym badania skał mających wiek około 2,5-2,0 miliarda lat, w  których jest zapis istotnych zmian zachodzących w tamtym czasie w ziemskiej atmosferze. Wszystkie te skomplikowane biogeochemiczne procesy występujące na dawnej Ziemi w proterozoiku zwane są wielkim zdarzeniem oksydacyjnym (ang. Great Oxygenation Event, w skrócie GOE) (Andrey Bekker, 2015). Zdarzeniem, które wstrząsnęło prawie całą biosferą organizmów beztlenowych. Ziemia wówczas również na tyle mocno ochłodziła się, że po raz pierwszy w jej historii wystąpiło w okresie 2,45-2,22 miliardy lat temu zlodowacenie zwane hurońskim. Wystąpiło ono prawie na całej kuli ziemskiej. Te zjawiska miały miejsce gdy zwolniły swoje tempo procesy magmatyczne, a więc związane z erupcjami wulkanicznymi. Konwekcja w płaszczu Ziemi spowolniła na tyle, że skały zaczęły ochładzać się tworząc nową skorupę Ziemi przypominającą dzisiejszą. W tym samym czasie atmosfera mocno wychładzała się wspomagając silnie natlenienie oceanów. Bo najpierw pierwsze tlenowe formy życia powstawały właśnie pod powierzchnią oceanów, które zaczęły już swoją strukturą fizykochemiczną przypominać nam współczesne.

Organizmy fotosyntetyzujące w tamtych pradawnych czasach zaczęły funkcjonować fizjologicznie podobnie jak współczesne glony i rośliny. W tym samym czasie również wyewoluowały formy bakterii przypominających swą fizjologią oddychające dziś zwierzęta i grzyby. W każdym razie to właśnie wtedy wykształcił się w atmosferze efekt cieplarniany względnie przypominający nasz obecny. A skład atmosferyczny mniej więcej przypominał nasz obecny. Poziom metanu i dwutlenku węgla wówczas zaczął drastycznie spadać do śladowych ilości, podobnie jak pierwiastki helu i neonu. A para wodna zarówno w tamtych czasach, jak i dziś odgrywa tylko zasadniczą rolę przy powierzchni Ziemi. Być może też nie miała tak dużego znaczenia jak dziś. W proterozoiku podczas eksplozji tlenowej najwięcej zaczęło pojawiać się w ziemskiej atmosferze azotu. Ilość tlenu wzrastała systematycznie wraz z przybywaniem organizmów fotosyntetyzujących. Z innych gazów dużą rolę od tamtej pory do dziś odgrywa szlachetny gaz – argon.

Trudno powiedzieć kiedy wówczas występowało globalne ocieplenie. Na początku istnienia Ziemia pozbawiona wręcz lądów i oceanów była zwykłą nagrzaną bryłą stygnącą przez około 600 milionów lat. W tym czasie pojawiły się beztlenowe archeony i pierwotne bakterie. W ciągu wspomnianego okresu czasu nasz glob był bombardowany meteorytami, tak długo dopóki nie powstała pierwotna atmosfera składająca się w większości z gazów cieplarnianych. Tlenu wówczas nie było. Było dość gorąco na naszej planecie.

Od 4 do około 2,5 miliarda lat temu było jeszcze gorąco na Ziemi. Ale nasz glob ostygał. Pojawiła się pierwotna atmosfera i pierwotne oceany. Nasza planeta przestała być bombardowana przez meteoryty. Pojawiły się pierwsze lądy, choć oceany stanowiły dominujący krajobraz na naszej kuli ziemskiej. Atmosfera przypominała w zupełności tę jaka otacza dziś Wenus. Gazy cieplarniane takie jak, dobrze nam znane, dwutlenek węgla, metan, para wodna tworzyły taki klimat na Ziemi, który nie sprzyjałby dzisiaj utrzymywaniu się większej ilości tlenu niezbędnego do życia dla organizmów oddychających. Ale tworzyły już pierwotny efekt cieplarniany na naszej planecie. Nie było także ozonu w atmosferze. A więc nie było też stratosfery (James F. Casting i in., 1993).

Ziemia, gdyby była widoczna z kosmosu, sprzed 3 miliardów lat nie byłaby wcale błękitnego koloru jak dziś, ale zielonego. Zanim pojawiła się fotosynteza i tlen w atmosferze oraz w oceanach, to żelazo jako pierwiastek chemiczny było bardzo powszechne w wodzie. Występowało ono w nich w formie jonów żelazawych, powstałych wówczas wskutek działalności wulkanicznej.

Od około 2,5 miliarda lat do dziś pojawienie się fotosyntetyzujących organizmów oraz tlenu w atmosferze i w oceanach nie zaburzyło efektu cieplarnianego w atmosferze, tylko zmniejszyło jego natężenie. Ziemia ochłodziła się. Przyczyniło się też do tego utlenienie żelaza w osadach dennych oceanów świata. Wraz narastaniem ilości tlenu w wodach oraz w atmosferze Ziemi powstawały tak zwane wstęgowe formacje żelaziste. Występują one w formacji Isua na Grenlandii, gdzie występują najstarsze skały na Ziemi liczące ponad 3,8 miliarda lat.

Rysunek 2. Współczesna atmosfera Ziemi, która powstała w proterozoiku po wielkim zdarzeniu oksydacyjnym i w fanerozoiku trwa do dziś w prawie niezmienionym kształcie. (źródło)

W atmosferze gromadziło się coraz więcej ozonu specyficznego dla nowej formy atmosfery – stratosfery. Utworzyła się wówczas, trwająca po dziś dzień, warstwa ozonowa będąca warstwą chroniącą życie biologiczne składające się z organizmów tlenowych. Ozon pochłaniający promienie słoneczne osłabił też nagrzewanie Ziemi przez promienie słoneczne. Najprawdopodobniej ten filtr funkcjonował sprawnie do czasów dzisiejszych. Chyba, że w przyrodzie funkcjonowały w przeszłości związki chemiczne o takich samych właściwościach rozbijania ozonu w stratosferze jak dobrze nam znane współczesne freony i halony. Ale jeśli takich pierwiastków chemicznych nigdy nie było w historii Ziemi, no to mamy problem jako ludzkość.

Problemem jest też identyfikacja globalnych ociepleń w historii Ziemi. Efekt cieplarniany od co najmniej 2,2 miliarda lat przypomina już nam współczesny. Globalne ocieplenie jest wzmocnieniem natężenia ciepła na naszej planecie poprzez blokadę tejże energii cieplnej w podczerwieni będącej wcześniej energią słoneczną – widzialną. W tym samym czasie duża część energii cieplnej w nadfiolecie zatrzymuje cały czas warstwa ozonowa. Ozon zarówno pochłania fale krótkie biegnące od Słońca, jak i absorbuje fale długie emitowane prosto z Ziemi, tworząc naturalny „koc” ochronny na Ziemi z łagodną i przyjazną średnią temperaturą powietrza. W proterozoiku, wyjątkowo chłodnym w porównaniu z ciepłym paleozoikiem, mezozoikiem i pierwszymi co najmniej 40 milionami lat kenozoiku, temperatura średnia powierzchni Ziemi była względnie niska. Możliwe, że oscylowała wokół współczesnej wynoszącej dziś +15 stopni Celsjusza.

Prawdopodobnie z globalnymi ociepleniami mieliśmy do czynienia w dawnych czasach, gdy w atmosferze obniżały się koncentracje tlenu, a podwyższały się dwutlenku węgla i pewnie nieznacznie metanu. Choć przy katastrofach typu wielkie permskie wymieranie gatunków 250 milionów lat temu czy podczas Paleoceńsko-Eoceńskiego Maksimum Termicznego 52 miliony lat temu (James C. Zachos i in., 2008), dochodziło do ogromnych erupcji wulkanicznych, które powodowały nie tylko tworzenie się gigantycznych ilości toksycznego dla organizmów tlenowych siarkowodoru, ale i również dobrze nam znanych gazów cieplarnianych jak dwutlenek węgla i metanu. Pomimo, że ten pierwszy jest niezbędny w mniejszych ilościach w normalnych funkcjach cyklu węglowego: fotosyntezy i oddychania komórkowego. Ten drugi z kolei odegrał potężną rolę podczas destabilizacji wiecznej zmarzliny (Robert DeConto, 2011) i klatratów z mórz, prawdopodobnie syberyjskich (Hans Renssen i in., 2004), we wczesnym kenozoiku na przełomie paleocenu i eocenu.

Dziś mamy też do czynienia z globalnym ociepleniem, które jest po prostu silnym wzmocnieniem efektu cieplarnianego i zaburzeniem powodującym zakłócenie bilansu energetycznego Ziemi. Jeszcze 250 lat temu tyle ile energii (słonecznej – widzialnej) wchodziło do układu ziemskiego (docierało do powierzchni Ziemi), tyle samo energii (w podczerwieni) wychodziło z układu ziemskiego (uciekało w przestrzeń kosmiczną). Zatrzymywana była tylko względnie umiarkowana ilość podczerwieni potrzebna do utrzymywania stabilnego efektu cieplarnianego utworzonego, w podobnej formie jak dziś, 2,2 miliarda lat temu.

Od co najmniej połowy XIX wieku koncentracja CO2 wzrasta w atmosferze, w wyniku naszej działalności przemysłowej, komunalnej, transportowej i rolnej powodującej emisje gazów cieplarnianych antropogenicznego pochodzenia. Jej przyrost z dekady na dekadę wzrasta bardzo niebezpiecznie. Pod koniec XX wieku wynosił on około 2 ppm (parts per million) – 2 cząsteczki dwutlenku węgla na milion cząsteczek powietrza. Od początku XXI wieku do 2016 roku przyrost oscylował około 2,5 ppm. Teraz już dobija do 3 ppm. Coraz większa koncentracja dwutlenku węgla powoduje wzmocnienie efektu cieplarnianego, czyli wzrost globalnego ocieplenia. To szaleństwo ocieplania Ziemi staje się coraz bardziej niebezpieczne dla wszystkich form tlenowego życia biologicznego.

https://phys.org/news/2017-06-hot-oceans-life-evolved.html

https://pl.wikipedia.org/wiki/Archeony

https://pl.wikipedia.org/wiki/Katastrofa_tlenowa

https://pl.wikipedia.org/wiki/Wstęgowe_rudy_żelaziste

https://pl.wikipedia.org/wiki/Atmosfera_Ziemi

https://pl.wikipedia.org/wiki/Efekt_cieplarniany

https://pl.wikipedia.org/wiki/Globalne_ocieplenie

http://www.noaa.gov/news/carbon-dioxide-levels-rose-at-record-pace-for-2nd-straight-year

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *