Prehistoria zmian klimatycznych. Kiedy metan regulował pogodę

Zawsze tak mówiono zmiana klimatu jest czymś stosunkowo nowoczesnym, spowodowanym głównie dużą emisją gazów cieplarnianych do atmosfery, np metan i CO2 przez ludzi od czasów rewolucji przemysłowej. A co byś pomyślał, gdybym powiedział, że przez miliardy lat od powstania Ziemi nastąpiły inne zmiany klimatyczne?

Atmosfera ziemska nie zawsze była taka sama jak obecnie. Przeszedł przez wiele rodzajów kompozycji. Jaka jest prehistoria zmian klimatycznych?

Kiedy metan regulował pogodę

Około 2.300 miliarda lat temu dziwne mikroorganizmy tchnęły nowe życie w ówczesną „młodą” planetę Ziemię. Chodzi o cyjanobakterie. Wypełnili planetę powietrzem. Uważa się jednak, że na długo przed tym okresem planetę zamieszkiwała inna grupa organizmów jednokomórkowych, która mogła nadać jej do zamieszkania. Mówimy o metanogenach.

Metanogeny to organizmy jednokomórkowe, które mogą przetrwać tylko w określonych warunkach nie ma tlenu, a podczas metabolizmu syntetyzują metan jako produkt odpadowy. Dzisiaj metanogeny możemy znaleźć tylko w miejscach takich jak jelita przeżuwaczy, dno osadów i inne miejsca na naszej planecie, gdzie nie ma tlenu.

Jak wiemy, metan jest tym gazem cieplarnianym zatrzymuje 23 razy więcej ciepła niż dwutlenek węgla, więc istnieje hipoteza, że ​​przez pierwsze dwa miliardy lat na Ziemi rządziły metanogeny. Metan syntetyzowany przez te organizmy spowodował efekt cieplarniany, który miał ogromne konsekwencje dla klimatu całej planety.

Obecnie metan utrzymuje się w atmosferze tylko przez około 10 lat z powodu obecności tlenu. Jednak gdyby w atmosferze Ziemi brakowało cząsteczek tlenu, metan mógłby przetrwać około 10.000 XNUMX lat. W tamtym czasie światło słoneczne nie było tak silne jak obecnie, więc ilość promieniowania docierającego do powierzchni Ziemi i tym samym ogrzewająca planetę była znacznie mniejsza. Dlatego, aby podnieść temperaturę planety i stworzyć nadające się do zamieszkania środowisko, do zatrzymania ciepła potrzebny był metan.

Efekt cieplarniany prymitywnej atmosfery

Kiedy Ziemia uformowała się około 4.600 miliarda lat temu, Słońce emitowało jasność odpowiadającą 70% tego, co robi dzisiaj. Dlatego przed pierwszą epoką lodowcową (około 2.300 miliarda lat temu) atmosfera była całkowicie zależna od efektu cieplarnianego.

Myśl specjaliści od zmiany klimatu w amoniaku jako gaz cieplarniany, który zatrzymywał ciepło w pierwotnej atmosferze, ponieważ jest to silny gaz cieplarniany. Jednak przy braku tlenu atmosferycznego promieniowanie ultrafioletowe ze Słońca szybko niszczy amoniak, czyniąc metan dominującym gazem w tym czasie.

Do udziału ciepła w atmosferze i efektu cieplarnianego dodajemy również CO2. Do tego czasu, jego koncentracja była znacznie niższa, dlatego nie mógł być przyczyną efektu cieplarnianego. CO2 był emitowany do atmosfery jedynie w sposób naturalny, przez wulkany.

Rola metanu i mgły, która ochłodziła planetę

Rola metanu w regulacji prymitywnego klimatu rozpoczęła się około 3.500 miliarda lat temu, kiedy metanogeny syntetyzowały metan w oceanach jako produkt odpadowy. Gaz ten uwięził ciepło Słońca w szerokim obszarze widma elektromagnetycznego. Pozwoliło to również na przejście promieniowania ultrafioletowego, więc wśród tych czynników dodano do istniejącego CO2, utrzymywali planetę w temperaturze nadającej się do zamieszkania.

Metanogeny przetrwały lepiej w wyższych temperaturach. Wraz ze wzrostem temperatury poprawił się cykl wodny i erozja skał. Ten proces erozji skał powoduje wydobycie CO2 z atmosfery. Tak wiele stężenie metanu i CO2 w atmosferze zrównało się.

Chemia atmosfery spowodowała polimeryzację cząsteczek metanu (tworzenie łańcuchów połączonych ze sobą cząsteczek metanu) i utworzenie złożonych węglowodorów. Te węglowodory skondensowały się w cząstki, które na dużych wysokościach utworzyli pomarańczową mgłę.  Ta chmura pyłu organicznego skompensowała efekt cieplarniany pochłaniając widzialne światło padającego promieniowania słonecznego i wysyłając je z powrotem w przestrzeń kosmiczną. W ten sposób zmniejszył ilość ciepła docierającego do powierzchni planety i przyczynił się do ochłodzenia klimatu i spowolnienia produkcji metanu.

Termofilne metanogeny

Termofilne metanogeny to te, które przetrwają w dość wysokich zakresach temperatur. Z tego powodu, gdy tworzyła się mgła węglowodorowa wraz z ochłodzeniem i spadkiem globalnych temperatur, termofilne metanogeny nie mogły przetrwać takich warunków. Przy chłodniejszym klimacie i szkodliwej termofilnej populacji metanogenu, warunki na planecie uległy zmianie.

Atmosfera mogłaby tylko utrzymać tak wysokie stężenie metanu, gdyby był metan zostałby wygenerowany przy prędkościach porównywalnych z prądem. Jednak metanogeny nie wytwarzają tak dużo metanu, jak ludzie w naszej działalności przemysłowej.

Metanogeny zasadniczo żywią się wodorem i CO2, generując metan jako produkt odpadowy. Inni konsumują octan i różne inne związki z beztlenowej degradacji materii organicznej. Dlatego dzisiaj metanogeny Rozwijają się tylko w żołądkach przeżuwaczy, w mułu, który leży u podłoża zalanych pól ryżowych i innych środowisk beztlenowych. Ale ponieważ prymitywna atmosfera nie miała tlenu, cały wodór emitowany przez wulkany był przechowywany w oceanach i był używany przez metanogeny, ponieważ nie dysponował tlenem do tworzenia wody.

Mgła z efektem „anty cieplarnianym”

Z powodu tego cyklu dodatnich sprzężeń zwrotnych (wyższa temperatura, więcej metanogenów, więcej metanu, więcej ciepła, wyższa temperatura…) planeta stała się tak gorącą szklarnią, że tylko termofilne mikroorganizmy potrafiły przystosować się do tego nowego środowiska. Jednak, jak wspomniałem wcześniej, z węglowodorów utworzyła się mgła, która odprowadziła padające promieniowanie ultrafioletowe dzięki czemu pogoda jest chłodna. W ten sposób zatrzymano produkcję metanu, a temperatura i skład atmosfery zaczęły się stabilizować.

Jeśli porównamy mgły z Titan, największy satelita Saturna, widzimy, że ma również ten sam charakterystyczny pomarańczowy kolor, odpowiadający gęstej warstwie cząstek węglowodorów, która powstaje, gdy metan reaguje ze światłem słonecznym. Jednak ta warstwa węglowodorów sprawia, że ​​powierzchnia Tytana ma temperaturę -179 stopni Celsjusza. Ta atmosfera jest zimniejsza niż planeta Ziemia w całej swojej historii.

Gdyby ziemska chmura węglowodorów osiągnęła taką gęstość, jaką ma Tytan, odbiłaby wystarczająco dużo światła słonecznego, aby przeciwdziałać potężnemu efektowi cieplarnianemu metanu. Cała powierzchnia planety zamarzłaby, zabijając w ten sposób wszystkie metanogeny. Różnica między Tytanem a Ziemią polega na tym, że ten księżyc Saturna nie ma ani CO2, ani wody, więc metan łatwo wyparowuje.

Koniec ery metanu

Mgła, która utworzyła się z metanu, nie trwała wiecznie. Odkąd proterozoik i metan mogą wyjaśnić, dlaczego wystąpiły, miały miejsce trzy zlodowacenia.

Pierwsze zlodowacenie nazywa się zlodowaceniem hurońskim a pod najstarszymi skałami znalezionymi pod złożami lodowcowymi znajdują się szczątki uraninitu i pirytu, dwóch minerałów, które wskazują na bardzo niski poziom tlenu w atmosferze. Jednak ponad warstwami lodowcowymi obserwuje się czerwonawy piaskowiec zawierający hematyt, minerał, który tworzy się w środowiska bogate w tlen. Wszystko to wskazuje, że zlodowacenie hurońskie miało miejsce właśnie wtedy, gdy poziom tlenu w atmosferze zaczął gwałtownie rosnąć.

W tym nowym środowisku, coraz bardziej bogatym w tlen, metanogeny i inne organizmy beztlenowe, które kiedyś dominowały na planecie, stopniowo zanikały lub były coraz bardziej ograniczone do bardziej ograniczonych siedlisk. W rzeczywistości stężenie metanu pozostałoby takie samo lub wyższe niż obecnie, gdyby poziom tlenu był niższy.

To wyjaśnia, dlaczego na Ziemi podczas proterozoiku nie było zlodowacenia przez prawie 1.500 miliarda lat, mimo że Słońce wciąż było dość słabe. Spekulowano, że drugi wzrost stężenia tlenu w atmosferze lub rozpuszczonego siarczanu mógłby również wywołać epizody zlodowacenia, zmniejszając ochronne działanie metanu.

Jak widać, atmosfera Ziemi nie zawsze była taka, jaka jest dzisiaj. Okazało się, że był pozbawiony tlenu (cząsteczki, której dziś potrzebujemy do życia), a metan regulował klimat i zdominował planetę. Ponadto po epokach lodowcowych stężenie tlenu rosło, aż stało się stabilne i równe obecnemu, podczas gdy metan został zredukowany do bardziej ograniczonych miejsc. Obecnie stężenie metanu rośnie z powodu emisji pochodzących z działalności człowieka i przyczynia się do efektu cieplarnianego i obecnych zmian klimatycznych.