Klimata pārmaiņu aizvēsture. Kad metāns regulēja laika apstākļus

Tas vienmēr ir teikts klimata izmaiņas ir salīdzinoši moderna, ko galvenokārt izraisa lielas siltumnīcefekta gāzu emisijas atmosfērā, piemēram, metāns un CO2, ko cilvēki ir radījuši kopš rūpnieciskās revolūcijas. Tomēr, ko jūs domājat, ja es jums teiktu, ka miljardu gadu laikā kopš Zemes veidošanās ir notikušas citas klimata izmaiņas?

Zemes atmosfēra ne vienmēr ir bijusi tāda pati kā šodien. Tas ir bijis daudzu veidu skaņdarbos. Kāda ir klimata pārmaiņu aizvēsture?

Kad metāns regulēja laika apstākļus

Apmēram pirms 2.300 miljardiem gadu dīvaini mikroorganismi deva jaunu dzīvību toreiz "jaunajai" planētai Zeme. Tas ir par cianobaktērijām. Viņi piepildīja planētu ar gaisu. Tomēr tiek uzskatīts, ka ilgi pirms šī laika planētu apdzīvoja vēl viena vienšūnu organismu grupa, kas varēja padarīt to apdzīvojamu. Mēs runājam par metanogēniem.

Metanogēni ir vienšūnas organismi, kas var izdzīvot tikai apstākļos, kur skābekļa nav, un vielmaiņas laikā viņi metānu sintezē kā atkritumus. Mūsdienās metanogēnus varam atrast tikai tādās vietās kā atgremotāju zarnas, nogulumu dibens un citas vietas uz planētas, kur skābekļa nav.

Kā mēs zinām, metāns ir siltumnīcefekta gāze, kas saglabā 23 reizes vairāk siltuma nekā oglekļa dioksīds, tāpēc tiek izvirzīta hipotēze, ka Zemes planētas pirmajos divos miljardos gados valdīja metanogēni. Šo organismu sintezētais metāns izraisīja siltumnīcas efektu ar milzīgām sekām visas planētas klimatam.

Mūsdienās skābekļa klātbūtnes dēļ metāns atmosfērā saglabājas tikai apmēram 10 gadus. Tomēr, ja Zemes atmosfērā trūkst skābekļa molekulu, metāns varētu saglabāties apmēram 10.000 XNUMX gadu. Tajā laikā saules gaisma nebija tik spēcīga kā tagad, tāpēc radiācijas daudzums, kas sasniedza Zemes virsmu un tādējādi sasildīja planētu, bija daudz mazāks. Tāpēc, lai paaugstinātu planētas temperatūru un radītu apdzīvojamu vidi, metāns bija vajadzīgs siltuma slazdošanai.

Primitīvas atmosfēras siltumnīcas efekts

Kad Zeme izveidojās pirms apmēram 4.600 miljardiem gadu, Saule izstaroja spilgtumu, kas līdzvērtīgs 70% no tā, ko tā dara šodien. Tāpēc pirms pirmā ledus laikmeta (apmēram pirms 2.300 miljardiem gadu) atmosfēra bija pilnībā atkarīga no siltumnīcas efekta.

Klimata pārmaiņu speciālisti domāja amonjakā kā siltumnīcefekta gāze, kas saglabāja siltumu primitīvajā atmosfērā, jo šī ir spēcīga siltumnīcefekta gāze. Tomēr, ja trūkst atmosfēras skābekļa, Saules ultravioletais starojums ātri iznīcina amonjaku, padarot metānu par dominējošo gāzi tajā laikā.

Siltuma ietekmei atmosfērā un siltumnīcas efektam mēs pievienojam arī CO2. Līdz tam, viņa koncentrācija bija daudz mazāka, tāpēc tas nevarētu būt siltumnīcefekta cēlonis. CO2 atmosfērā izdalījās tikai dabiski, caur vulkāniem.

Metāna loma un migla, kas atvēsināja planētu

Metāna loma agrīnā klimata regulēšanā sākās apmēram pirms 3.500 miljardiem gadu, kad metanogēni metānogāzi sintezēja okeānos kā atkritumus. Šī gāze aizturēja Saules siltumu plašā elektromagnētiskā spektra apgabalā. Tas arī ļāva pāriet ultravioletajam starojumam, tāpēc starp šiem faktoriem, kas pievienoti esošajam CO2, viņi uzturēja planētu dzīves temperatūrā.

Metanogēni labāk izdzīvoja augstākā temperatūrā. Palielinoties temperatūrai, palielinājās arī ūdens cikls un pastiprinājās klinšu erozija. Šis iežu erozijas process no atmosfēras iegūst CO2. Tik daudz metāna un CO2 koncentrācija atmosfērā kļuva vienāda.

Atmosfēras ķīmija izraisīja metāna molekulu polimerizāciju (veido savienotas metāna molekulu ķēdes) un veidoja sarežģītus ogļūdeņražus. Šie ogļūdeņraži kondensējas daļiņās, kas lielā augstumā tie veidoja oranžu miglu.  Šis organisko putekļu mākonis kompensēja siltumnīcas efektu, absorbējot redzamo gaismu no notiekošā saules starojuma un izstarojot to atpakaļ kosmosā. Tādā veidā tas samazināja siltuma daudzumu, kas sasniedz planētas virsmu, un veicināja klimata atdzišanu un palēnināja metāna ražošanu.

Termofilie metanogēni

Termofilie metanogēni ir tie, kas izdzīvo diezgan augstos temperatūras diapazonos. Šī iemesla dēļ, veidojoties ogļūdeņražu miglai, globālajai temperatūrai atdziestot un pazeminoties, termofilie metanogēni šādos apstākļos neizturēja. Ar vēsāku klimatu un kaitīgu termofilo metanogēnu populāciju mainījās apstākļi uz planētas.

Atmosfēra varēja uzturēt tik augstu metāna koncentrāciju tikai metāna gadījumā būtu radīti ar ātrumu, kas ir salīdzināms ar strāvu. Tomēr metanogēni mūsu rūpnieciskajā darbībā neradīja tik daudz metāna kā cilvēki.

Metanogēni galvenokārt barojas no ūdeņraža un CO2, radot metānu kā atkritumu produktu. Daži citi patērē acetātu un dažādus citus organisko vielu anaerobās noārdīšanās savienojumus. Tāpēc šodien metanogēni Viņi plaukst tikai atgremotāju vēderos, dūņas, kas ir pamatā, pārpludināja rīsu laukus un citu anoksisku vidi. Bet, tā kā primitīvajā atmosfērā trūka skābekļa, viss vulkānu emitētais ūdeņradis tika uzglabāts okeānos un to izmantoja metanogēni, jo ūdens veidošanai tās rīcībā nebija skābekļa.

"Anti siltumnīcas" efekta migla

Pateicoties šim pozitīvajam atgriezeniskās saites ciklam (augstāka temperatūra, vairāk metanogēnu, vairāk metāna, vairāk siltuma, vairāk temperatūras ...), planēta kļuva par tik karstu siltumnīcu, ka tikai termofīliem mikroorganismiem izdevās pielāgoties šai jaunajai videi. Tomēr, kā jau minēju iepriekš, no ogļūdeņražiem izveidojās migla, kas aiznesa notikušo ultravioleto starojumu padarot laikapstākļus vēsus. Tādā veidā metāna ražošana tika pārtraukta, un temperatūra un atmosfēras sastāvs sāks stabilizēties.

Ja mēs salīdzinām miglas ar Titāns, lielākais Saturna pavadonis, mēs redzam, ka tai ir arī tāda pati raksturīgā oranža krāsa, kas atbilst blīvajam ogļūdeņraža daļiņu slānim, kas veidojas, metānam reaģējot ar saules gaismu. Tomēr šis ogļūdeņražu slānis Titāna virsmu padara -179 grādos pēc Celsija. Šī atmosfēra ir vēsāka nekā planēta Zeme visā tās vēsturē.

Ja Zemes ogļūdeņražu mākonis būtu sasniedzis Titāna blīvumu, tas būtu novirzījis pietiekami daudz saules gaismas, lai neitralizētu spēcīgo metāna siltumnīcas efektu. Visa planētas virsma būtu sasalusi, tādējādi iznīcinot visus metanogēnus. Atšķirība starp Titānu un Zemi ir tāda, ka šim Saturna pavadonim nav ne CO2, ne ūdens, tāpēc metāns viegli iztvaiko.

Metāna ēras beigas

Migla, kas izveidojās no metāna, nebija mūžīga. Kopš proterozoja un metāna var izskaidrot, kāpēc tie radušies, ir bijuši trīs apledojumi.

Pirmo apledojumu sauc par Huronijas apledojumu un zem senākajiem akmeņiem, kas atrasti zem tā ledāju nogulsnēm, ir uraninīta un pirīta detrits, divi minerāli, kas norāda uz ļoti zemu atmosfēras skābekļa līmeni. Tomēr virs ledāja slāņiem tiek novērots sarkanīgi smilšakmens, kas satur hematītu, minerālu, kas veidojas ar skābekli bagāta vide. Tas viss norāda, ka Huronijas apledojums notika tieši tad, kad atmosfēras skābekļa līmenis pirmo reizi sāka pieaugt.

Šajā jaunajā vidē, kurā arvien vairāk ir skābekļa, metanogēni un citi anaerobi organismi, kas kādreiz dominēja uz planētas, pamazām izzuda vai tika novēroti arvien vairāk tikai ierobežotākos biotopos. Faktiski metāna koncentrācija būtu palikusi tāda pati vai lielāka nekā šodien, ja skābekļa līmenis būtu turēts zemāks.

Tas izskaidro, kāpēc uz Zemes proterozoja laikā gandrīz 1.500 miljardus gadu nebija apledojumu, kaut arī Saule joprojām bija diezgan vāja. Ir pieļauta iespēja, ka arī otra atmosfēras skābekļa vai izšķīdušā sulfāta līmeņa paaugstināšanās būtu izraisījusi apledojuma epizodes, samazinot metāna aizsargājošo iedarbību.

Kā redzat, Zemes atmosfēra ne vienmēr ir bijusi tāda, kāda tā ir šodien. Gadījās, ka tajā nav skābekļa (molekulas, kas mums šodien ir vajadzīga, lai dzīvotu) un kur metāns regulēja klimatu un dominēja uz planētas. Turklāt pēc ledus laikmetiem skābekļa koncentrācija ir palielinājusies, līdz tā kļūst stabila un vienāda ar pašreizējo, savukārt metāns ir samazināts uz ierobežotākām vietām. Pašlaik metāna koncentrācija palielinās cilvēka darbības radīto emisiju dēļ un veicina siltumnīcas efektu un pašreizējās klimata pārmaiņas.