Tlenowa biosfera Ziemi jako samoregulujący się system planetarny

Dwutlenek węgla jest obok tlenu jednym z najważniejszych gazów, który naturalnie uczestniczy od co najmniej 2,5 miliarda lat w obiegu węgla. Głównie występuje w atmosferze (wysoko w troposferze), w hydrosferze (w oceanach), w biosferze (w procesie oddychania (początkowo) bakterii, w tym fotosyntetyzujących glonów, (a później) roślin, zwierząt i grzybów) oraz występuje w litosferze (tu procesy zachodzą w skali geologicznej trwającej miliony lat).

Bo to właśnie około 2,5 miliarda lat temu zapoczątkowana została fotosynteza. Proces, który natlenił ziemską atmosferę, zbliżając jej skład chemiczny do dzisiejszego. Wcześniej, przed nastaniem fotosyntezy, atmosfera była znacznie cieplejsza i bardziej zdominowana przez dwutlenek węgla, który wielokrotnie silniej podnosił efekt cieplarniany. Tlenu prawie w niej w ogóle nie było. Nie było absolutnie mowy o jakichś zlodowaceniach. W atmosferze dominował dwutlenek węgla z parą wodną, azotem, tlenkiem węgla i wodorem. Te dwa ostatnie gazy później fotosynteza usunęła z atmosfery. Zmniejszyła też efekt cieplarniany do klimatycznej huśtawki globalne ochłodzenie – globalne ocieplenie. W historii klimatu Ziemi to dwa gazy konkurowały z sobą: dwutlenek węgla i tlen. To dzięki fotosyntezie powiększała się, od początku proterozoiku do czasów sprzed rewolucji przemysłowej ilość O2.

Dzisiejszej biosferze raczej nie grozi nic, ale gatunkom ją zamieszkującym, już niestety tak. Po spaleniu wszystkich paliw kopalnych temperatura Ziemi podniesie się co najwyżej do 10 stopnie Celsjusza (Katarzyna B. Tokarska, 2016). Ale przecież tego nie zrobimy. Bo po pierwsze, prędzej nasz gatunek wymrze. A po drugie, raczej nie dopuścimy do tego. Zdajemy sobie coraz większą sprawę, że powodujemy ocieplanie się świata, choć jeszcze inwestujemy w paliwa kopalne. Ale to się powoli zmienia. Ale jednak zbyt powoli, bo klimat Ziemi ociepla się coraz szybciej.

Co nam grozi? W historii Ziemi mieliśmy trochę epizodów hipertermicznych, czyli 5 okresów wielkich wymierań i może jeszcze kilka-kilkanaście pomniejszych. W skali czasu geologicznego Ziemi 4,6 mld lat było jednak więcej stabilizacji niż zaburzeń w układzie klimatycznym oraz w biosferach, poczynając od początku proterozoiku do dzisiejszego fanerozoiku.
Współczesna biosfera w erze kenozoicznej przed 170 laty była jeszcze we względnej równowadze. Ale od tamtego czasu zmieniając skład atmosfery i ją ogrzewając wraz z oceanami, zaczynamy się w pewnym sensie cofać w czasie geologicznym. Koncentracją dwutlenku węgla już cofnęliśmy się do 410 ppm, która ostatni raz była 3,5 mln lat temu. Ale wtedy średnia temperatura powierzchni Ziemi w stosunku do 1750 roku była o 2-3 stopnie Celsjusza wyższa. A więc, glob ziemski wynosił 16-17 st.C. I niestety, ale może nawet do końca XXI wieku ona może urosnąć o tyle stopni bez antropogenicznych emisji gazów cieplarnianych, ale trudno przewidzieć jeszcze jak długo będą trwały emisje ze źródeł naturalnych jak lądowa i podmorska zmarzlina czy z zaburzonej roślinności Ziemi.

Obraz może zawierać: tekst

Rysunek 1. Schemat wolnego cyklu węglowego i działania termostatu węglowego. Reakcja 3) w zapisie skróconym.
Adaptacja grafiki Adison-Wesley Longman.

Jednak, nawet to współczesne globalne ocieplenie, tak jak ostatnie 56 mln lat temu w paleoceńsko-eoceńskim maksimum termicznym, również będzie miało swój kres. Niestety odbędzie się to kosztem wymierania wielu gatunków, rodzajów, rodzin, a może nawet rzędów, ale będzie miało ono swój kres, gdyż jest w pewnym sensie samoregulacja systemu ziemskiego. Czynnikiem tym regulującym klimat Ziemi jest termostat węglowy, który uruchamia się po setkach tysięcy-milionach lat i gazy cieplarniane zamiast być emitowane przez nas, wulkany czy lądową i podmorską zmarzlinę, zaczynają być absorbowane przez wietrzejące skały krzemianowe. I co najmniej po kilkuset tysiącach-kilku milionach lat planeta wraca do swojej pierwotnego stanu taki jaki był jeszcze 170 lat temu.
Wszystkie wymierania na Ziemi były spowodowane zmasowanym wulkanizmem, zwłaszcza największe permskie 252 mln lat temu, i niektóre z nich jak kredowe 66 mln lat temu, jeszcze zostały zwieńczone upadkiem dużej asteroidy. Ale i tu przez wiele milionów lat termostat węglowy w końcu się pojawiał i powoli usuwał katastrofalne zdarzenia dzięki wspomnianemu wcześniej masowemu wietrzeniu krzemianów. Następowała wówczas silna specjacja taksonów, w tym gatunków, prowadząca do odbudowy ekosystemów, biocenoz, populacji, ale w pewnym sensie już nowatorskich. Tak więc, po takich krótkotrwałych kryzysach w skali geologicznej biosfera z powrotem się odbudowywała.
Jedyna katastrofa nieodwołalna była 2,4 mld lat temu kiedy organizmy eukariotyczne (tlenowe) wyparły organizmy prokariotyczne (beztlenowe). Wtedy organizmy beztlenowe żyły od 4,5 do 2,4 mld lat. To była wtedy ta słynna katastrofa tlenowa. Od tamtej pory do dziś Ziemia z nową tlenową biosferą i atmosferą, a także litosferą jest taką jaką mamy obecnie. Epizody hipertermiczne z wielkimi wymieraniami właściwie dopiero wystąpiły faktycznie w okresie naszego fanerozoiku (542 mln lat temu do dziś). I były to krótkookresowe epizody, gdzie termostat węglowy stabilizował biosferę.
Tak więc reasumując krótko, system ziemski wraz z biosferą jest samoregulujący. Po obecnym globalnym ociepleniu też termostat węglowy ureguluje wszystko. A w jakim czasie, to zależy też od impulsu węglowego, a w szczególności od tempa usuwania węgla z szybkiego do wolnego cyklu węglowego z atmosfery na dna oceanów i do płaszcza Ziemi, a stamtąd przez wulkany z powrotem do atmosfery. Na szczęście obecne wulkaniczne emisje są małe i zdominowane przez dwutlenek siarki. Tak więc dwutlenek węgla emitowany przez wulkany ma marginalne znaczenie. I w ciągu roku są to emisje 100 razy mniejsze niż antropogeniczne.

Brak dostępnego opisu zdjęcia.

Rysunek 2. Ilustracja głównych mechanizmów naturalnych procesów usuwania CO2 z atmosfery. Skala czasowa ~100 tys. lat.
Źródło Lord i in., 2015

A więc, wszystko zależy teraz od tego ile jeszcze my jako ludzkość wpompujemy dwutlenku węgla i innych gazów cieplarnianych do atmosfery oraz od tego jak długo będą uruchomione dodatnie sprzężenia zwrotne ze wspomnianych zmarzlin: lądowej i podmorskiej oraz od tego jak zareaguje biosfera, a w szczególności roślinność, to znaczy, np. jak długo będzie jeszcze ona więcej emitować dwutlenku węgla do atmosfery niż go z niej pochłaniać.
A czy jeszcze nasz gatunek będzie istniał na Ziemi po ustąpieniu impulsu węglowego, trudno powiedzieć. Jednak jest to już na 100 % pewne, że poprzez naszą rabunkową działalność (zwłaszcza spalanie paliw kopalnych i wylesianie) doprowadzimy do wymarcia ogromną ilość gatunków na naszej planecie.
—————-
Rysunek 1. Schemat wolnego cyklu węglowego i działania termostatu węglowego. Reakcja 3) w zapisie skróconym.
Adaptacja grafiki Adison-Wesley Longman.
Rysunek 2. Ilustracja głównych mechanizmów naturalnych procesów usuwania CO2 z atmosfery. Skala czasowa ~100 tys. lat.
Źródło Lord i in., 2015.
https://naukaoklimacie.pl/aktualnosci/wolny-cykl-weglowy-i-termostat-weglowy-380
https://naukaoklimacie.pl/aktualnosci/impuls-weglowy-i-jego-usuwanie-z-atmosfery-382

Dodaj komentarz

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