Pretpovijest klimatskih promjena. Kad je metan regulirao vrijeme

Oduvijek se to govorilo klimatske promjene relativno je moderan, a uzrokovan je uglavnom velikim emisijama stakleničkih plinova u atmosferu, poput metan i CO2, ljudi od industrijske revolucije. Međutim, što biste pomislili kad bih vam rekao da su tijekom milijardi godina od nastanka Zemlje postojale i druge klimatske promjene?

Zemljina atmosfera nije uvijek bila ista kao danas. Prošao je kroz mnoge vrste skladbi. Koja je pretpovijest klimatskih promjena?

Kad je metan regulirao vrijeme

Prije otprilike 2.300 milijarde godina čudni mikroorganizmi udahnuli su novi život tadašnjoj "mladoj" planeti Zemlji. Riječ je o cijanobakterijama. Ispunili su planet zrakom. Međutim, vjeruje se da je mnogo prije ovog vremena druga skupina jednoćelijskih organizama naselila planet i mogla ga učiniti useljivim. Govorimo o metanogenima.

Metanogeni su jednoćelijski organizmi koji mogu preživjeti samo u uvjetima kada nema kisika i oni tijekom metabolizma sintetiziraju metan kao otpadni produkt. Danas metanogene možemo pronaći samo na mjestima poput crijeva preživača, dna sedimenata i drugim mjestima na planeti gdje kisik ne postoji.

Kao što znamo, metan je staklenički plin koji zadržava 23 puta više topline od ugljičnog dioksida, pa se pretpostavlja da su u prve dvije milijarde godina planete Zemlje vladali metanogeni. Metan koji su sintetizirali ovi organizmi izazvao je efekt staklenika s ogromnim posljedicama na klimu cijelog planeta.

Danas metan u atmosferi ostaje samo oko 10 godina, zbog prisutnosti kisika. Međutim, ako Zemljinoj atmosferi nedostaju molekule kisika, metan bi mogao postojati oko 10.000 XNUMX godina. U to vrijeme sunčeva svjetlost nije bila toliko jaka kao sada, pa je količina zračenja koja je dopirala do Zemljine površine i time zagrijavala planet bila mnogo manja. Zbog toga, da bismo povećali temperaturu planeta i stvorili naseljivo okruženje, metan je bio potreban za zadržavanje topline.

Efekt staklenika primitivne atmosfere

Kad je Zemlja nastala prije otprilike 4.600 milijardi godina, Sunce je davalo sjaj ekvivalentan 70% onoga što radi danas. Zbog toga je prije prvog ledenog doba (prije oko 2.300 milijarde godina) atmosfera u potpunosti ovisila o efektu staklenika.

Mislili su stručnjaci za klimatske promjene u amonijaku kao staklenički plin koji je zadržao toplinu u primitivnoj atmosferi, budući da je ovo moćan staklenički plin. Međutim, u nedostatku atmosferskog kisika, ultraljubičasto zračenje Sunca brzo uništava amonijak, čineći metan prevladavajućim plinom u to vrijeme.

Doprinosu topline u atmosferi i efektu staklenika dodajemo i CO2. Do tada, koncentracija mu je bila mnogo manja, zato ne bi mogao biti uzrok efekta staklenika. CO2 se u atmosferu emitirao samo prirodno, putem vulkana.

Uloga metana i magle koja je rashladila planet

Uloga metana u regulaciji rane klime započela je prije otprilike 3.500 milijarde godina, kada su metanozi sintetizirali plin metan u oceanima kao otpadni proizvod. Ovaj je plin zarobio sunčevu toplinu u širokom području elektromagnetskog spektra. Također je omogućio prolazak ultraljubičastog zračenja, pa je među tim čimbenicima dodanim sa postojećim CO2, održavali su planet na uobičajenoj temperaturi.

Metanogeni su bolje preživjeli na višim temperaturama. Kako su se temperature pojačavale, tako je i ciklus vode i erozija stijena pojačana. Ovaj proces erozije stijena izvlači CO2 iz atmosfere. Dakle oboje koncentracija metana i koncentracije CO2 u atmosferi postala je jednaka.

Kemija atmosfere uzrokovala je polimerizaciju molekula metana (tvoreći lance molekula metana povezanih zajedno) i tvoreći složene ugljikovodike. Ti se ugljikovodici kondenzirali u čestice koje se na velikoj nadmorskoj visini tvorili su narančastu maglu.  Ovaj oblak organske prašine kompenzirao je efekt staklenika upijajući vidljivu svjetlost od sunčevog zračenja i emitirajući je natrag u svemir. Na taj je način smanjio količinu topline koja je dopirala do površine planeta i pridonio hlađenju klime i usporio proizvodnju metana.

Termofilni metanogeni

Termofilni metanogeni su oni koji opstaju u prilično visokim rasponima temperatura. Iz tog razloga, kad se ugljikovodična magla stvorila, kako su se globalne temperature hladile i smanjivale, termofilni metanogeni nisu mogli preživjeti takve uvjete. S hladnijom klimom i štetnom termofilnom populacijom metanogena, uvjeti na planetu su se promijenili.

Atmosfera je koncentraciju metana mogla održavati samo tako visokom ako je bio metan generirao bi se brzinama usporedivima sa trenutnim. Međutim, metanogeni nisu generirali toliko metana kao ljudi u našim industrijskim djelatnostima.

Metanogeni se u osnovi hrane vodikom i CO2, stvarajući metan kao otpadni proizvod. Neki drugi konzumiraju acetat i razne druge spojeve iz anaerobne razgradnje organske tvari. Zato danas metanogeni Uspijevaju samo u želudcu preživača, mulju koji leži u podlozi poplavljenih rižinih polja i drugih anoksičnih sredina. No budući da je primitivnoj atmosferi nedostajalo kisika, sav vodik koji su vulkani emitirali bio je uskladišten u oceanima, a koristili su ga metanogeni, jer nije imao na raspolaganju kisik za stvaranje vode.

Magla s efektom "staklenika"

Zahvaljujući ovom ciklusu pozitivnih povratnih informacija (viša temperatura, više metanogena, više metana, više topline, više temperature ...) planet je postao toliko vruć staklenik da su se samo termofilni mikroorganizmi uspjeli prilagoditi novom okruženju. Međutim, kao što sam već spomenuo, magla se stvorila od ugljikovodika koji su odnijeli upadljivo ultraljubičasto zračenje čineći vrijeme hladnim. Na taj je način zaustavljena proizvodnja metana i temperature i atmosferski sastav počeli bi se stabilizirati.

Ako usporedimo maglu s onom od Titan, najveći Saturnov satelit, vidimo da također ima istu karakterističnu narančastu boju koja odgovara gustom sloju čestica ugljikovodika, koji nastaje kad metan reagira sa sunčevom svjetlošću. Međutim, taj sloj ugljikovodika čini Titanovu površinu na -179 Celzijevih stupnjeva. Ova je atmosfera hladnija nego što je planet Zemlja bio u cijeloj svojoj povijesti.

Da je Zemljin oblak ugljikovodika postigao gustoću koju ima Titan, odbio bi dovoljno sunčeve svjetlosti da se suprotstavi snažnom efektu staklenika metana. Cijela bi se površina planeta smrznula i tako ubila sve metanogene. Razlika između Titana i Zemlje je u tome što ovaj Saturnov mjesec nema ni CO2 ni vodu, pa metan lako isparava.

Kraj metanske ere

Magla koja se stvorila od metana nije trajala vječno. Od proterozoika i metana postoje tri poledice koje mogu objasniti zašto su se dogodile.

Prvo ledenje naziva se glaurocija Huronia a ispod najstarijih stijena pronađenih ispod njegovih ledenjačkih naslaga nalazi se detritus uraninita i pirita, dva minerala koji ukazuju na vrlo nisku razinu atmosferskog kisika. Međutim, iznad ledenjačkih slojeva uočava se crvenkasti pješčenjak koji sadrži hematit, mineral koji nastaje u okruženja bogata kisikom. Sve to ukazuje na to da se glaurocija Hurona dogodila upravo kad su atmosferske razine kisika počele rasti u nebo.

U ovom novom okruženju koje je sve više bogato kisikom, metanogeni i drugi anaerobni organizmi koji su nekada dominirali planetom, postupno su nestajali ili su bili viđeni sve više ograničeni na staništa. Zapravo, koncentracija metana ostala bi ista ili veća nego danas, da se razina kisika održavala nižom.

To objašnjava zašto na Zemlji, tijekom proterozoika, gotovo pola milijarde godina nije bilo glacijacija, iako je Sunce još uvijek bilo prilično slabo. Pretpostavlja se da bi drugi porast atmosferskog kisika ili otopljenog sulfata također pokrenuo epizode ledenog doba, smanjenjem zaštitnog učinka metana.

Kao što vidite, Zemljina atmosfera nije uvijek bila takva kakva je danas. Dogodilo se da je bez kisika (molekule koja nam je danas potrebna za život) i tamo gdje je metan regulirao klimu i dominirao planetom. Nadalje, nakon ledenog doba koncentracija kisika povećavala se dok nije postala stabilna i jednaka trenutnoj, dok je metan smanjen na ograničenija mjesta. Trenutno se koncentracija metana povećava zbog emisija od ljudskih aktivnosti i doprinosi efektu staklenika i trenutnim klimatskim promjenama.