Prazgodovina podnebnih sprememb. Ko je metan urejal vreme

Od nekdaj je bilo tako rečeno sprememba podnebja gre za nekaj relativno modernega, ki ga povzročajo predvsem velike emisije toplogrednih plinov v ozračje, kot npr metan in CO2 od ljudi po industrijski revoluciji. Kaj pa bi si mislili, če bi vam povedal, da so se milijarde let od nastanka Zemlje zgodile druge podnebne spremembe?

Zemeljsko ozračje ni bilo vedno enako kot danes. Preživel je številne vrste skladb. Kakšna je prazgodovina podnebnih sprememb?

Ko je metan urejal vreme

Pred približno 2.300 milijardami let so čudni mikroorganizmi vdahnili novo življenje takratnemu "mlademu" planetu Zemlja. Gre za cianobakterije. Planet so napolnili z zrakom. Verjame pa se, da je že pred tem časom na planetu naselila druga skupina enoceličnih organizmov, ki bi lahko postala primerna za bivanje. Govorimo o metanogenih.

Metanogeni so enocelični organizmi, ki lahko preživijo le v pogojih, ko kisika ni in med presnovo sintetizirajo metan kot odpadni produkt. Danes lahko najdemo metanogene le v krajih, kot so črevesje prežvekovalcev, dno sedimentov in druga mesta na planetu, kjer kisik ne obstaja.

Kot vemo, je metan toplogredni plin, ki zadržuje 23-krat več toplote kot ogljikov dioksid, zato se domneva, da sta v prvih dveh milijardah let planeta Zemlja vladali metanogeni. Metan, ki so ga sintetizirali ti organizmi, je povzročil toplogredni učinek z ogromnimi posledicami na podnebje celotnega planeta.

Danes metan zaradi prisotnosti kisika v ozračju vztraja le približno 10 let. Če pa v zemeljski atmosferi primanjkuje molekul kisika, bi metan lahko vztrajal približno 10.000 let. Takrat sončna svetloba ni bila tako močna kot zdaj, zato je bila količina sevanja, ki je dosegla zemeljsko površino in s tem ogrevala planet, veliko manjša. Zato, da bi povečali temperaturo planeta in ustvarili bivalno okolje, metan je bil potreben za zajemanje toplote.

Učinek tople grede v primitivnem ozračju

Ko je Zemlja nastala pred približno 4.600 milijardami let, je Sonce oddajalo svetilnost, ki ustreza 70% tistega, kar počne danes. Zato je bilo ozračje pred prvo ledeno dobo (pred približno 2.300 milijardami let) v celoti odvisno od učinka tople grede.

Mislili so strokovnjaki za podnebne spremembe v amoniaku kot toplogredni plin, ki je zadrževal toploto v primitivnem ozračju, saj je to močan toplogredni plin. Vendar v odsotnosti atmosferskega kisika ultravijolično sevanje Sonca hitro uniči amoniak, zaradi česar je metan takrat prevladujoč plin.

K prispevanju toplote v ozračju in učinku tople grede dodajamo tudi CO2. Do takrat, njegova koncentracija je bila precej nižja, zato ne more biti vzrok učinka tople grede. CO2 je bil v ozračje izpuščen samo naravno, prek vulkanov.

Vloga metana in megla, ki je ohladila planet

Vloga metana pri uravnavanju primitivnega podnebja se je začela pred približno 3.500 milijardami let, ko so metanoge v oceanih sintetizirali plin metan kot odpadni produkt. Ta plin je ujel sončno toploto v širokem območju elektromagnetnega spektra. Omogočil je tudi prehod ultravijoličnega sevanja, zato je med temi dejavniki, dodanim obstoječemu CO2, obdržali so planet na bivalni temperaturi.

Metanogeni so bolje preživeli pri višjih temperaturah. Ko so se temperature stopnjevale, se je povečeval tudi vodni krog in erozija kamnin. Ta proces erozije kamnin črpa CO2 iz ozračja. Zelo koncentracija metana in CO2 v ozračju je postala enaka.

Kemija ozračja je povzročila, da se molekule metana polimerizirajo (tvorijo verige molekul metana, povezane med seboj) in tvorijo kompleksne ogljikovodike. Ti ogljikovodiki se kondenzirajo v delce, ki na visoki nadmorski višini tvorili so oranžno meglo.  Ta oblak organskega prahu je kompenziral učinek tople grede tako, da je absorbiral vidno svetlobo iz sončnega sevanja in jo oddajal nazaj v vesolje. Na ta način je zmanjšal količino toplote, ki je prišla na površje planeta, prispeval k ohlajanju podnebja in upočasnil proizvodnjo metana.

Termofilni metanogeni

Termofilni metanogeni so tisti, ki preživijo v dokaj visokih temperaturnih območjih. Zaradi tega, ko se ogljikovodikova megla oblikuje, ko se globalne temperature ohlajajo in znižujejo, termofilni metanogeni ne morejo preživeti takih razmer. S hladnejšim podnebjem in škodljivo termofilno populacijo metanogena, razmere na planetu so se spremenile.

Vzdušje bi lahko koncentracije metana obdržalo tako visoke le, če bi metan bi nastala pri hitrostih, primerljivih s trenutnimi. Vendar metanogeni v naših industrijskih dejavnostih niso proizvedli toliko metana kot ljudje.

Metanogeni se v osnovi hranijo z vodikom in CO2, pri čemer nastajajo metan kot odpadni produkt. Nekateri drugi uživajo acetat in različne druge spojine zaradi anaerobne razgradnje organske snovi. Zato danes metanogeni Uspevajo le v želodcih prežvekovalcev, mulju, ki je podlaga poplavljenih riževih polj in drugih anoksičnih okoljih. Ker pa primitivnemu ozračju primanjkuje kisika, je bil ves vodik, ki so ga oddajali vulkani, shranjen v oceanih in so ga uporabljali metanogeni, saj ni imel na voljo kisika za tvorjenje vode.

Megla učinka "toplogrednih plinov"

Zaradi tega kroga pozitivnih povratnih informacij (višja temperatura, več metanogenov, več metana, več toplote, več temperature ...) je planet postal tako vroč toplogredni plin, da so se samo termofilni mikroorganizmi uspeli prilagoditi temu novemu okolju. Kot sem že omenil, je iz ogljikovodikov nastala megla, ki je odnesla upadajoče ultravijolično sevanje da se vreme ohladi. Na ta način se je ustavila proizvodnja metana in temperature in sestava zraka se bodo začele stabilizirati.

Če primerjamo meglice s tistimi iz Titan, največji Saturnov satelit, vidimo, da ima tudi enako značilno oranžno barvo, ki ustreza gosti plasti delcev ogljikovodikov, ki nastane, ko metan reagira na sončno svetlobo. Vendar ta plast ogljikovodikov naredi Titanovo površino pri -179 stopinjah Celzija. To ozračje je hladnejše, kot je bil planet Zemlja v celotni zgodovini.

Če bi zemeljski oblak ogljikovodikov dosegel gostoto, ki jo ima Titan, bi odbil dovolj sončne svetlobe, da bi preprečil močan učinek tople grede metana. Celotna površina planeta bi zmrznila in tako ubila vse metanogene. Razlika med Titanom in Zemljo je v tem, da ta Saturnova luna nima ne CO2 ne vode, zato metan zlahka izhlapi.

Konec dobe metana

Megla, ki je nastala iz metana, ni trajala večno. Od proterozoika so prihajale do treh poledenitev, metan pa lahko razloži, zakaj so se pojavile.

Prva poledenitev se imenuje huronska poledenitev in pod najstarejšimi kamninami, ki jih najdemo pod ledeniškimi nahajališči, je detritus uraninita in pirita, dveh mineralov, ki kažeta na zelo nizko stopnjo atmosferskega kisika. Vendar pa nad ledeniškimi plastmi opazimo rdečkast peščenjak, ki vsebuje hematit, mineral, ki nastane v okolja, bogata s kisikom. Vse to kaže na to, da je do huronskega poledenitve prišlo ravno takrat, ko so se ravni atmosferskega kisika prvič začele povečevati.

V tem novem okolju, ki je vedno bolj bogato s kisikom, metanogeni in drugi anaerobni organizmi, ki so nekoč prevladovali na planetu, so postopoma izginili ali pa so bili vse bolj omejeni na bolj omejene habitate. Pravzaprav bi koncentracija metana ostala enaka ali višja kot danes, če bi bile ravni kisika nižje.

To pojasnjuje, zakaj je na Zemlji med proterozoikom skoraj 1.500 milijarde let ni bilo poledenitev, čeprav je bilo Sonce še vedno precej šibko. Ugibalo se je, da bi lahko drugi dvig atmosferskega kisika ali raztopljenega sulfata sprožil epizode poledenitve z zmanjšanjem zaščitnega učinka metana.

Kot lahko vidite, Zemljina atmosfera ni bila vedno takšna, kot je danes. Zgodilo se je, da je brez kisika (molekula, ki jo danes potrebujemo za življenje) in kjer je metan uravnaval podnebje in prevladoval na planetu. Poleg tega se je po ledenih dobah koncentracija kisika povečevala, dokler ni postala stabilna in enaka sedanji, medtem ko je bil metan znižan na bolj omejena mesta. Trenutno koncentracija metana narašča zaradi emisij iz človeških dejavnosti in prispeva k učinku tople grede in trenutnim podnebnim spremembam.