Historia klimatu Ziemi

Część 1:

Biosfera – tlen i dwutlenek węgla (główny system wymienny tlenowych organizmów: fotosynteza – respiracja)

Jest to obecnie główny system dlatego, że organizmy tlenowe dominują obecnie na Ziemi. Beztlenowe organizmy utrzymują się obecnie w kominach hydrotermalnych w rowach oceanicznych tam gdzie jest wręcz znikoma, a nawet żadna ilość tlenu oraz na lądach w glebach, do których nie dochodzi powietrze atmosferyczne, w tym w bagiennych oraz w kriosferze, np. w lodowcach czy w wiecznej zmarzlinie.

Węgiel jako pierwiastek chemiczny, generalnie występuje w cząsteczkach dwutlenku węgla (C + O2). Ta trójatomowa utleniona cząsteczka składa się z atomu węgla i dwóch takich samych atomów (cząsteczki) tlenu. Odgrywa on niebagatelną rolę w biosferze, w atmosferze, w pedosferze (gleby) i hydrosferze (oceany, morza, jeziora i rzeki).

Atmosfera Ziemi zawiera 21 % tlenu i tylko 0,04 % dwutlenku węgla. Jednak ten układ w procentowej zawartości tych gazów zaczął sprzyjać powstawaniu życia na Ziemi podobnego do dzisiejszego.

Podczas tych 2,5 miliarda lat wzrastała przede wszystkim ilość tlenu w atmosferze.

Na lądach i w oceanach, w biosferze panuje układ wymienny: fotosynteza (pobieranie dwutlenku węgla przez rośliny i glony i oddawanie przez nie do atmosfery tlenu) i respiracja (pobieranie tlenu przez zwierzęta i grzyby i oddawanie do atmosfery dwutlenku węgla). Ten system biosferyczny po raz pierwszy miał miejsce 2,5 miliarda lat temu i trwa do dziś. Słońce wówczas świeciło 25 % mocniej niż na początku powstania Ziemi. Dziś ono świeci 45 % silniej. Prawdopodobnie, gdy po raz pierwszy pojawiła się fotosynteza i oddychanie komórkowe (respiracja), gdy zawartość tlenu w atmosferze zaczęła rosnąć, a dwutlenku węgla z pewnością spadała. I na odwrót. Jednak spadek zawartości tlenu i przyrost dwutlenku węgla w atmosferze, gdy pojawił się, już nie doprowadził do destrukcji organizmów fotosyntetyzujących i respirujących, czyli takich, które są tlenowymi organizmami. Od tamtej pory beztlenowe organizmy były w odwrocie w niszach ekologicznych gdzie nie było tlenu. Pierwszymi takimi siedliskami były kominy hydrotermalne.

Życie 2,5 miliarda lat temu powstało w wodzie. Przykładem takim w tamtych czasach są jednokomórkowe stromatolity, a 600 milionów lat temu w okresie zwanym ediakarem, pierwsze organizmy z planami budowy wielokomórkowej (tzw. fauna ediakariańska). Możliwe, że w całym proterozoiku (2,5 mld -540 mln lat temu) były zdarzenia, w których mogły występować spadki i przyrosty zarówno tlenu, jak i dwutlenku węgla w atmosferze Ziemi, ale zawartość tlenu w skali miliardów lat wzrastała. Tak samo Słońca. Pod koniec tego eonu Słońce świeciło 40 % mocniej i była zdecydowanie większa zawartość dwutlenku węgla w atmosferze, a tlenu mniejsza. Na kuli ziemskiej w ediakarze (630-540 mln lat temu) system wymienny: fotosynteza – respiracja z pewnością zmienił się pod wpływem tego, że zaczęło przybywać organizmów wielokomórkowych, zwłaszcza ze świata zoologicznego, co mogło przyczynić się do tego, że przybyło w atmosferze więcej dwutlenku węgla niż tlenu. Przy słabo świecącym Słońcu niż dziś, choć wielokrotnie silniej niż w proterozoiku, królestwie jądrowych komórek tlenowych (2,5 mld – 540 mln lat temu) czy jeszcze silniej niż w archaiku, królestwie organizmów jednokomórkowych, beztlenowych (4,0-2,5 mld lat temu), na kuli ziemskiej zawartość dwutlenku węgla oscylowała średnio w erze paleozoicznej (540-250 mln lat temu) około 2000-3000 ppm (parts per million) – cząsteczek dwutlenku węgla w milionie cząsteczek powietrza atmosferycznego.

W całym eonie fanerozoiku był silne przyrosty i spadki. Np. w kambrze około 525 mln lat temu przyrosty koncentracji CO2 podchodziły aż do 7000 ppm, a w drugiej połowie karbonu około 320 mln lat temu spadły silnie, do podobnej jak dziś koncentracji, czyli do 400 ppm. Nawet mniej niż dziś. W pierwszym przypadku życie na lądzie jeszcze nie istniało i więcej było w oceanach organizmów respirujących niż fotosyntetyzujących. Z pewnością dotyczyło to też organizmów jednokomórkowych. Choć musiały jakieś istnieć fotosyntetyzujące organizmy. A w drugim przypadku było więcej organizmów fotosyntetyzujących takich jak olbrzymie paprotniki: widłaki, skrzypy i paprocie drzewiaste. Klimatyczna huśtawka ociepleń i ochłodzeń dążyła jednak w kolejnej erze mezozoicznej do tego, że koncentracja dwutlenku węgla średnio utrzymywała się na poziomie 2000 ppm prawie przez cały ten przedział geologiczny.  Temperatura w mezozoiku była mniej więcej taka jak w paleozoiku. Możliwe, że wtedy przy koncentracji ponad 2000 ppm zawartość tlenu była najniższa w kredzie 80 mln lat temu. Ogólnie mówiąc, zawartość tlenu była zdecydowanie mniejsza w całej erze mezozoicznej aniżeli dziś. Zarówno organizmy respirujące (zwierzęta, głównie gady na lądach i w oceanach, zwłaszcza ogromna grupa dinozaurów), jak i fotosyntetyzujące (rośliny naczyniowe, początkowo iglaste, w triasie i w jurze, a potem w kredzie również liściaste) musiały być silnie zaadaptowane do niskiej koncentracji tlenu atmosferycznego. W tamtych czasach współczesna flora i fauna nie byłaby zdolna przetrwać. Było za gorąco i zbyt niska koncentracja tlenu.

Na początku kenozoiku koncentracja CO2 obniżyła się do 1000 ppm i na ogół już cały czas spadała, choć z temperaturą było różnie. Planetę Ziemię ogrzewa nie tylko Słońce (z zewnątrz systemu planetarnego do wewnątrz), ale również gazy cieplarniane (tylko wewnątrz systemu planetarnego i tylko w troposferze). Fundamentalne znaczenie w skali geologicznej odgrywa dwutlenek węgla, ale na przełomie paleocenu i eocenu, w okresie 58-52 mln lat temu coś się dziwnego stało (coś podobnego najwyraźniej wydarzyło się na przełomie er: paleozoicznej i mezozoicznej 250 mln lat temu). Wystąpiło wtedy tzw. Paleoceńsko-Eoceńskie Maksimum Termiczne (Paleocene-Eocene Thermal Maximum – PETM). I to nie dwutlenek węgla odegrał rolę w potężnym globalnym ociepleniu, ale metan. C + H4. Atom węgla nieorganicznego plus cztery atomy wodoru. Ta zredukowana cząsteczka węglowa ma 23 razy silniejszy tzw. Potencjał tworzenia silnego efektu cieplarnianego (Global Warming Potential – GWP). Zanotowano wówczas skoki temperatur o kilka stopni Celsjusza w skali globu w ciągu zaledwie kilku tysiącleci. To bardzo dużo. Obecnie naukowcy obawiają się powtórki z historii geologicznej. I niestety z winy człowieka. Wyginęły wówczas przede wszystkim gatunki fauny przystosowane do bentonicznych (dennych) warunków. Choć z pewnością nie mało ucierpiały gatunki żyjące bliżej powierzchni mórz i oceanów oraz na lądach. Możliwe, że znacząco ani nie wzrosła ilość dwutlenku węgla lub tlenu w atmosferze, ani tym bardziej nie zmalała. Obecnie potężne pokłady metanu spoczywają w wiecznej zmarzlinie, w hydratach na dnach mórz syberyjskich (klatkach lodowych metanu), a także pod spodem lądolodów Grenlandii i Antarktydy. Co wówczas spowodowało tą gigantyczną geologiczną anomalię klimatyczną? Czy to był impuls do wzmocnienia późniejszego olbrzymiego wietrzenia chemicznego około 50 mln lat temu, zwłaszcza po bardzo silnym zderzeniu płyt tektonicznych: małej indyjskiej z dużą eurazjatycką. To właśnie wtedy aż do dziś zaczęły formować się największe góry na Ziemi. Himalaje. Góry, które nadal rosną. Orogeneza w Środkowej Azji stworzyła warunki do potężnego globalnego wietrzenia, które trwa do dziś. Tworzenie się Indii sprzyjało jednoczesnemu utworzeniu się gigantycznego płaskowyżu – dzisiejszego Tybetu. Ten ogromny obszar wyżynny (najwyższa wyżyna świata) stał się istnym pochłaniaczem węgla. Od tamtej pory ilość dwutlenku węgla zaczęła spadać do 1769 r., z lekkimi fluktuacjami wzrostowymi.

Wielu przedstawicieli ze świata flory i fauny, we wczesnym kenozoiku nie przetrwało próby czasu. Wraz z powolnym spadkiem koncentracji dwutlenku węgla (wiązanego w nowo utworzonych glebach Tybetu i formowanych w procesie orogenezy Himalajów) i jednoczesnym wzrostem koncentracji tlenu atmosferycznego zaczęły tworzyć się ogromne przetasowania w świecie flor i faun. Rośliny liściaste, kwiatowe zdominowały krajobraz w jeszcze ciepłym eocenie 40 mln lat temu, a spośród zwierząt zdecydowany prym wiodła gromada ssaków. Były to organizmy, które zaczęły przystosowywać się do coraz bardziej ochładzających warunków w kenozoiku. Bioróżnorodność wtedy była znacznie wyższa niż 100 mln lat temu za ery gadów – mezozoiku. 35 mln lat temu, gdy zaczęła formować się pokrywa lodowa na Antarktydzie gatunki zwierząt i roślin musiały jeszcze silniej ewoluować do coraz chłodniejszego klimatu Ziemi. Tlenu było w atmosferze coraz więcej, a koncentracja CO2 również powolutku spadała. To wszystko sprzyjało globalnej ekspansji traw, dzięki którym powstały pierwotne formy stepów, prerii, pamp, buszów, sawann i tzw. muraw kserotermicznych. Szata roślinna w naturalny sposób przerzedzała się. Bujne lasy liściaste ustąpiły miejsca wielu siedliskom otwartym. Choć to właśnie lasy liściaste, zwłaszcza wilgotne i tropikalne najwięcej pochłaniają dwutlenku węgla. A przecież mamy jeszcze świat w oceanach. W paleozoiku i mezozoiku oceany były z reguły cieplejsze i więcej dwutlenku węgla z niego zapewne parowało do atmosfery ogrzewając ją. Były też inne prądy morskie, cyrkulacje atmosferyczne i oceaniczne i inne układy płyt tektonicznych, chociaż Słońce słabiej świeciło dawniej.

Tajemnicą Ziemi jest to, dlaczego w ciągu 50 milionów lat tak silnie schłodziła klimat podczas naszej ery kenozoicznej. Czy naprawdę PETM mógł przyczynić się do tego wraz z monstrualnym zderzeniem płyty indyjskiej z eurazjatycką? A może to zderzenie powstrzymało potężne emisje metanu podczas PETM?

Tym razem to geologia wywarła silny wpływ na biosferę Ziemi we wczesnym kenozoiku. 35 milionów ukształtowała kriosferę na Antarktydzie, a potem również zróżnicowaną pedosferę nie tylko dla lasów, ale i dla siedlisk otwartych, która z kolei stała się początkiem utworzenia świata przedstawicieli flory i fauny przystosowanego do nowych glebowych warunków. Chłodniejsze gleby są znacznymi pochłaniaczami dwutlenku węgla. A więc, można powiedzieć, że nakręcało się wówczas do XVIII w. globalne odwrócone sprzężenie zwrotne. Podobnie oceany schładzały się jeszcze intensywniej, bo będąc chłodniejszymi pochłaniały masowo dwutlenek węgla i rozpuszczały go. Klimat non stop się ochładzał. Lasy iglaste przystosowały się jakimś trafem do chłodniejszych warunków. Możliwe, że do takich jakie były w karbonie. Wtedy w paleozoiku już byli pierwsi przedstawiciele klasy iglastych – nagozalążkowych. I możliwe, że chłodniejszy klimat z koncentracją CO2 około 400 ppm wówczas 300 mln lat temu był adekwatny do rozwoju tej grupy roślin. Podobnie pewnie rozwijały się osobniki 30 mln lat temu, gdy na planecie była ogromna liczba siedlisk trawiastych w strefach zwrotnikowych, chłodnych pustyń w centralnej Azji oraz intensywna ewolucja ssaków podobnych do dzisiaj, takich jak rząd drapieżnych i rząd kopytnych. A klimat non stop się ochładzał. Jeszcze w pliocenie 3-5 mln lat temu było cieplej niż dziś, ale pod koniec tego okresu powoli powstawała pokrywa lodowa w Arktyce.

Glob ziemski jeszcze silniej się ochładzał. Cały czas występowała ewolucja roślin i zwierząt przystosowanych do coraz chłodniejszych warunków klimatycznych. Na pewno koncentracja dwutlenku węgla systematycznie spadała, ale koncentracja tlenu być może tak silnie nie wzrastała. Być może ustabilizowała się.

2,5 mln lat temu nastąpił dziwny okres czasu geologicznego w kenozoiku: cykl glacjalno-interglacjalny, w którym w okresach cieplejszych koncentracja dwutlenku węgla utrzymywała się na poziomie 280-300 ppm, a w okresach chłodniejszych spadała nawet do 180 ppm. Były takie tysiąclecia, że świat był chłodniejszy niż dziś nawet o 6 stopni Celsjusza. Np. ostatni taki przedział czasowy był podczas ostatniego maksimum glacjalnego (Last Glacial Maximum – LGM). I właśnie wtedy prawdopodobnie, w glacjałach, tworzyły się nowe gatunki roślin i zwierząt, z których część dostosowywała się do kolejnego interglacjału, a część po prostu wymierała. Pod koniec plejstocenu pojawił się nasz ekspansywny rodzaj Homo, który po raz pierwszy z całej rodziny człowiekowatych zaczął przekształcać ekosystemy Ziemi. I to właśnie my, gatunek Homo sapiens sapiens częściowo przyczyniliśmy się do wymarcia megafauny w okresie plejstoceńskim, a częściowo klimat. Taki los spotkał między innymi olbrzymie włochate mastodonty i mamuty. Pierwsze wyginęły 11 tys. lat temu, na początku holocenu, a drugie wymarły dopiero 4,5 tys. lat temu (2,5 tys. lat przed Chrystusem).

Nadejście holocenu, obecnego interglacjału, oznacza ustabilizowanie koncentracji dwutlenku węgla na poziomie 280-300 ppm. Temperatura globalna 10 tys. lat temu była chłodniejsza niż dziś o co najmniej 1 stopień Celsjusza. Wiele gatunków, które żyło w poprzednim interglacjale eemie (130-115 tys. lat temu), gdy nastała kolejna epoka lodowa wraz z nasuwaniem się lądolodów: Laurentyńskiego, Skandynawskiego i Tajmyrskiego. wycofywało się  daleko na południe, tam gdzie nie sięgały już lądolody. Koncentracja CO2 w atmosferze spadała wówczas nawet do 180 ppm. Oceany pochłonęły wówczas ogromne ilości dwutlenku węgla i go rozpuściły w swoich chłodnych wodach. Gdy nastąpił ponownie nasz interglacjał – holocen, znowu gatunki klimatu umiarkowanego powracały na swoje refugia obecne tylko w okresie interglacjalnym.

Człowiek, zanim zaczął prowadzić osiadły tryb życia, dość skutecznie zaczął pustoszyć przyrodę. Być może karczując i wypalając lasy przyczyniał się stopniowo do zaburzeń w systemie klimatycznym Ziemi. W holocenie było więcej dwutlenku węgla w atmosferze

aniżeli w glacjale – wurmie (115-12,5 tys. lat temu). Koncentracja tlenu była i nadal jest również wyższa niż w okresie zlodowacenia. Temperatura była też wyższa co najmniej o 5 stopni Celsjusza. Oceany były znacznie cieplejsze i wzmagało się większe parowanie oceanów wraz z emisją dwutlenku węgla do atmosfery, zwłaszcza w równikowych i podzwrotnikowych, czyli cieplejszych strefach geograficznych. System biosferyczny: fotosynteza – respiracja funkcjonował jak należy, do czasu. Do co najmniej XIX w. Przez tysiąclecia człowiek wylesiał i wylesia planetę oraz osuszał i osusza bagna, rzeki i jeziora. W zupełności przekształca biosferę w taki sposób, że coraz silniej narusza system klimatyczny Ziemi. Od co najmniej 1830 r. przemysł w Europie Zachodniej, Nowej Anglii (płn-wsch. część USA) skutecznie wpływa na rozregulowanie układu fotosynteza-respiracja. Koncentracja CO2 wynosiła wtedy około 280-285 ppm Proces ten jest do dziś wzmacniany również niekontrolowanymi deforestacjami w zakresie lokalnym, regionalnym i globalnym. Od tamtej pory, w minimalnym stopniu ubywa w atmosferze tlenu O2, kosztem fuzji spalanego węgla C jako pierwiastka chemicznego, nieorganicznego (węgiel kamienny i brunatny), organicznego (ropa naftowa).

C + O2 = CO2

W 1900 r. było już około 305-306 ppm. A w 1959 r., w roku pierwszych pomiarów w spektrometrii masowej, było 316 ppm. W 2000 r. było już 370 ppm, a w 2016 r. przekroczona została liczba 400 ppm.

Generalnie, węgiel w procesie fotosynteza-respiracja (oddychanie komórkowe) krąży w systemie klimatycznym Ziemi bez większych zakłóceń. Globalne ocieplenie od co najmniej pół wieku sprawia, że wzmaga się parowanie, które zaczyna przeważać nad opadami atmosferycznymi. Zwłaszcza dzieje się to w obszarach bardzo ubogich w szatę roślinną. Choć obszarów z bujnymi, wilgotnymi lasami jeszcze nie brakuje. Jeśli nadal są zachowane w pierwotnej czy w naturalnej formie to opady atmosferyczne przeważają nad parowaniem. Tak jest w szczególności blisko jezior, rzek, mórz i oceanów. Jednak niekontrolowane wylesianie wielu cennych, newralgicznych obszarów, może grozić w przyszłości większym pustynnieniem globu ziemskiego niż zawilgoceniem spowodowanym przez chociażby gwałtowne wezbrania fal powodziowych czy też przez podnoszący się poziom wód oceanicznych, dzięki topniejącym coraz szybciej w nieprzewidziany sposób lądolodom Grenlandii i Antarktydy.

Coraz szybsze ocieplanie oceanów i mórz przyczynia się też do masowych zakwitów glonów, które przecież są pochłaniaczami CO2. A jednak nie jest to zbyt efektywny pomysł na redukcję dwutlenku węgla z atmosfery. Chłodniejsze oceany bez glonów lepiej spełniały tę rolę. Pompa biotyczna po prostu szwankuje. I to coraz poważniej. Zarówno na samych oceanach, jak i w interakcji: ocean-ląd. Np. Coraz słabsze pasaty wiejące znad Afryki Zachodniej do wybrzeży północnej Brazylii nie przynoszą z sobą odpowiednio dużych ilości pary wodnej, która by stabilizowała klimat wybrzeży nadoceanicznych. Coraz bardziej suche powietrze, pozbawione pary wodnej, przyczynia się do przesuwania się lasów w głąb kontynentu. To wszystko wpływa na zmianę wybrzeży oceanicznych. Niestety zanikanie w ten sposób lasów, tak jak wyręby czy wypalanie, prowadzi do coraz silniejszych zaburzeń w systemie biosferycznym: fotosynteza-respiracja. A niestety, człowiek przekształca coraz silniej system klimatyczny Ziemi. I nadal nie ma ochoty zatrzymać swojego szaleństwa podboju naszej jedynej planety. A szkoda?!

https://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_dioxide_in_Earth%27s_atmosphere

Dodaj komentarz

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