Obrazový kredit: Stanford
Kdyby nás stroj času mohl vzít zpět o 4,6 miliardy let zpět na Zemi, viděli bychom, že naše slunce svítí o 20 až 25 procent méně jasně než dnes. Bez pozemského skleníku, který by zachytil sluneční energii a zahřát atmosféru, by byl náš svět rotující ledovou kouli. Život se možná nikdy nevyvinul.
Ale život se vyvíjel, takže skleníkové plyny musely být kolem, aby zahřály Zemi. Důkazy z geologického záznamu ukazují na množství oxidu uhličitého ve skleníku. Pravděpodobně byl přítomen i metan, ale tento skleníkový plyn nezanechává dost geologické stopy, aby se s jistotou zjistil. Molekulární kyslík nebyl kolem, naznačovaly horniny z doby, které místo oxidu železa obsahují uhličitan železa. Kamenné otisky tekoucích proudů, tekutých oceánů a minerálů vytvořených odpařováním potvrzují, že Země byla před 3 miliardami let dostatečně teplá na tekutou vodu.
Geologický záznam odhalený v některých z nejstarších hornin Země nyní ukazuje překvapivý příběh o zhroucení tohoto skleníku - a jeho následné regeneraci. Ještě překvapivější je však, že vědci ze Stanfordu, kteří uvádějí tato zjištění v čísle 25. května časopisu Geologie, jsou kritickou úlohou, kterou hrály skály ve vývoji rané atmosféry.
"Je to opravdu poprvé, co jsme se pokusili dát dohromady obrázek o tom, jak šla ruka v ruce raná atmosféra, rané klima a časný kontinentální vývoj," řekl Donald R. Lowe, profesor geologické a environmentální vědy, který napsal referát s Michaelem M. Ticeem, postgraduálním studentem zkoumajícím raný život. Jejich práce financovala Exobiologický program NASA. "V geologické minulosti byly klima a atmosféra skutečně hluboce ovlivněny vývojem kontinentů."
Záznam ve skalách
Aby Lowe, polní geolog, shromáždil geologické stopy o tom, jaká byla raná atmosféra a jak se vyvinula, strávil prakticky každé léto od roku 1977 v Jižní Africe nebo západní Austrálii shromažďováním hornin, které jsou doslova starší než hory. Některé z nejstarších hornin Země jsou staré asi 3,2 až 3,5 miliardy let.
"Čím dále se vracíš, tím těžší je najít věrný záznam, skály, které nebyly zkroucené a vymačkané a metamorfované a jinak pozměněné," říká Lowe. "Ohlížíme se zpět, pokud jde o sedimentární záznam."
Po měření a mapování hornin Lowe přivede vzorky zpět do Stanfordu, aby se rozřezaly na části tak tenké, že jejich vlastnosti lze odhalit pod mikroskopem. Spolupracovníci se účastní geochemických a izotopových analýz a počítačového modelování, které dále odhalují historii hornin.
Geologický záznam vypráví příběh, ve kterém kontinenty odstranily oxid uhličitý ze skleníkových plynů z rané atmosféry, která mohla být horká až 70 stupňů Celsia (158 ° F). V této době byla Země většinou oceán. Bylo příliš horké na to, abych měl nějaké polární ledové čepice. Lowe odhaduje, že déšť kombinovaný s atmosférickým oxidem uhličitým vytváří kyselinu uhličitou, která zvětrale vyčnívala z hor nově vytvořené kontinentální kůry. Kyselina uhličitá se disociovala za vzniku vodíkových iontů, které se dostaly do struktur povětrnostních minerálů, a bikarbonátu, který byl nesen dolů řeky a potoky, aby byly uloženy jako vápenec a další minerály v mořských sedimentech.
Postupem času byly velké pláty oceánské kůry staženy nebo tlumeny do zemského pláště. Uhlík, který byl v této kůře zablokován, byl v podstatě ztracen, svázán po dobu přibližně 60 milionů let, takže bylo zapotřebí minerálů, aby se recyklovaly zpět na povrch nebo vyplavily sopkami.
Horká časná atmosféra pravděpodobně obsahovala také metan, říká Lowe. Jak hladiny oxidu uhličitého klesaly kvůli povětrnostním vlivům, v určitém okamžiku se hladiny oxidu uhličitého a metanu staly přibližně stejné, dohaduje se. To způsobilo, že se metan aerosolizoval na jemné částice a vytvořil zákal podobný tomu, který je dnes přítomen v atmosféře Saturnova měsíce Titan. K tomuto „Titanovému efektu“ došlo na Zemi před 2,7 až 2,8 miliardami let.
Titanův efekt odstranil metan z atmosféry a zákal odfiltroval světlo; oba způsobili další ochlazení, možná pokles teploty o 40 až 50 stupňů Celsia. Nakonec, asi před 3 miliardami let, se skleník právě zhroutil, Loweova a Ticeova teorie, a k prvnímu zaľadnění Země mohlo dojít před 2,9 miliardami let.
Vzestup po pádu
Zde skály odhalují zvláštní příběh - eventuální regeneraci skleníku. Připomeňme, že před 3 miliardami let byla Země v podstatě Waterworld. Na ovzduší nebyly žádné rostliny ani zvířata. Ani řasy se ještě nevyvinuli. Byly přítomny primitivní fotosyntetické mikroby a mohly hrát roli při tvorbě metanu a menší spotřebě oxidu uhličitého.
Dokud pokračovalo rychlé kontinentální zvětrávání, byl na oceánskou kůru uložen uhličitan a byl ponořen do toho, co Lowe nazývá „velké skladovací zařízení…, které většinu oxidu uhličitého chránilo před atmosférou.“
Ale jakmile byl oxid uhličitý odstraněn z atmosféry a začleněn do horniny, počasí se zpomalilo - k erodování hor bylo méně kyseliny uhličité a hory klesaly. Sopky však do atmosféry stále chrlily velké množství uhlíku z recyklované oceánské kůry.
"Nakonec hladina oxidu uhličitého opět stoupá," říká Lowe. "Možná se nikdy nevrátí do své plné slavné úrovně 70 stupňů Celsia, ale pravděpodobně se vyšplhalo, aby se Země opět zahřála."
Letos v létě shromáždí Lowe a Tice vzorky, které jim umožní určit teplotu tohoto časového intervalu, asi před 2,6 až 2,7 miliardami let, aby získali lepší představu o tom, jak horká Země se dostala.
Nové kontinenty se utvářely a zvětraly a znovu vypouštěly oxid uhličitý z atmosféry. Asi před 3 miliardami let se vytvořilo asi 10 nebo 15 procent současné oblasti Země v kontinentální kůře. Před 2,5 miliardami let se vytvořilo obrovské množství nové kontinentální kůry - asi 50 až 60 procent současné oblasti kontinentální kůry. Během tohoto druhého cyklu způsobilo zvětrávání většího množství hornin ještě větší atmosférické chlazení a vyvolalo hluboké zaľadnění asi před 2,3 až 2,4 miliardami let.
Během několika posledních miliónů let oscilujeme mezi glaciálními a interglaciálními epochami, říká Lowe. Právě jsme v meziglacialním období. Je to přechod - a vědci se stále snaží pochopit velikost globálních klimatických změn způsobených lidmi v nedávné historii ve srovnání s přírodními procesy v průběhu věků.
"Narušujeme systém rychlostí, která výrazně převyšuje ty, které v minulosti charakterizovaly klimatické změny," řekl Lowe. "Nicméně, doslova všechny experimenty, prakticky všechny variace a všechny změny klimatu, kterým se dnes snažíme porozumět, se staly. Příroda už většinu těchto experimentů provedla. Dokážeme-li analyzovat starověké podnebí, atmosférické kompozice a souhru mezi kůží, atmosférou, životem a podnebím v geologické minulosti, můžeme podniknout několik prvních kroků k pochopení toho, co se dnes děje a pravděpodobně se stane zítra. “
Původní zdroj: Stanford News Release
