Klimatförändringens förhistoria. När metan reglerade vädret

Det har alltid sagts klimatförändring är relativt modern, främst orsakad av stora växthusgasutsläpp till atmosfären, t.ex. metan och CO2, av människor sedan den industriella revolutionen. Men vad skulle du tänka om jag berättade att det har skett andra klimatförändringar under miljarder år sedan jorden bildades?

Jordens atmosfär har inte alltid varit densamma som den är idag. Det har gått igenom många typer av kompositioner. Vad är förhistorien för klimatförändringar?

När metan reglerade vädret

För cirka 2.300 miljarder år sedan blåste konstiga mikroorganismer nytt liv i den då "unga" planeten Jorden. Det handlar om cyanobakterier. De fyllde planeten med luft. Man tror dock att långt före denna tid befolkade en annan grupp av encelliga organismer planeten och kunde ha gjort den beboelig. Vi pratar om metanogener.

Metanogener är encelliga organismer som bara kan överleva under förhållanden där det finns inget syre och de syntetiserar metan under metabolismen som en avfallsprodukt. Idag kan vi bara hitta metanogener på platser som tarmarna hos idisslare, botten av sediment och andra platser på planeten där syre inte finns.

Som vi vet är metan en växthusgas som behåller 23 gånger mer värme än koldioxid, så det antas att metanogener styrde under de första två miljarder åren av planeten Jorden. Metanet som syntetiserats av dessa organismer orsakade en växthuseffekt med enorma återverkningar på klimatet på hela planeten.

Idag kvarstår metan bara i atmosfären i cirka 10 år på grund av syre. Men om jordens atmosfär saknade syremolekyler, kunde metan kvarstå i cirka 10.000 XNUMX år. Vid den tiden var solljuset inte så starkt som det är nu, så mängden strålning som når jordens yta och därmed värmer planeten var mycket mindre. Det är därför att öka temperaturen på planeten och skapa en beboelig miljö, metan behövdes för att fånga värme.

Växthuseffekt av en primitiv atmosfär

När jorden bildades för cirka 4.600 miljarder år sedan avgav solen en ljusstyrka motsvarande 70% av vad den gör idag. Därför var atmosfären helt före den första istiden (cirka 2.300 miljarder år sedan) beroende av växthuseffekten.

Klimatförändringsspecialister tänkte i ammoniak som växthusgasen som behöll värmen i den primitiva atmosfären, eftersom detta är en kraftfull växthusgas. I frånvaro av atmosfäriskt syre förstör ultraviolett strålning från solen snabbt ammoniak, vilket gör metan till den dominerande gasen vid den tiden.

Till bidraget av värme i atmosfären och växthuseffekten tillför vi också koldioxid. Då, hans koncentration var mycket lägre, det är därför det inte kan vara orsaken till växthuseffekten. CO2 släpptes bara ut i atmosfären naturligt genom vulkaner.

Rollen av metan och dimman som svalnade planeten

Metans roll för att reglera det tidiga klimatet började för cirka 3.500 miljarder år sedan, när metanogener syntetiserade metangas i haven som en avfallsprodukt. Denna gas fångade upp värme från solen över ett brett område av det elektromagnetiska spektrumet. Det tillät också passage av ultraviolett strålning, så bland dessa faktorer som läggs till med befintligt CO2, de höll planeten vid en beboelig temperatur.

Metanogener överlevde bättre vid högre temperaturer. När temperaturen intensifierades ökade vattencykeln och berget erosion. Denna process av erosion av klipporna extraherar koldioxid från atmosfären. Så mycket koncentrationen av metan och CO2 i atmosfären blev lika.

Atmosfärens kemi fick metanmolekyler att polymerisera (bilda kedjor av metanmolekyler kopplade ihop) och bilda komplexa kolväten. Dessa kolväten kondenserade till partiklar som vid hög höjd de bildade en orange dimma.  Detta moln av organiskt damm kompenserade för växthuseffekten genom att absorbera det synliga ljuset från infallande solstrålning och avge det tillbaka till rymden. På detta sätt minskade den mängden värme som når planetens yta och bidrog till att kyla klimatet och sakta ner produktionen av metan.

Termofila metanogener

Termofila metanogener är de som överlever i ganska höga temperaturintervall. Av denna anledning, när kolväte dimman bildades, när de globala temperaturerna svalnade och sjönk, kunde de termofila metanogenerna inte överleva sådana förhållanden. Med ett kallare klimat och en skadlig termofil metanogenpopulation, förhållandena på planeten förändrades.

Atmosfären kunde bara ha hållit metankoncentrationerna så höga om metan skulle ha genererats vid hastigheter som är jämförbara med strömmen. Men metanogener genererade inte lika mycket metan som människor i vår industriella verksamhet.

Metanogener matar i princip väte och CO2 och genererar metan som en avfallsprodukt. Vissa andra konsumerar acetat och olika andra föreningar från den anaeroba nedbrytningen av organiskt material. Det är därför i dag metanogener De trivs bara i idisslarnas magar, slammet som ligger bakom översvämmade risfält och andra anoxiska miljöer. Men eftersom den primitiva atmosfären saknade syre lagrades allt vätgas från vulkaner i haven och användes av metanogener, eftersom det inte hade syre till sitt förfogande för att bilda vatten.

Dimma av "anti växthuseffekt"

På grund av denna positiva återkopplingscykel (högre temperatur, mer metanogener, mer metan, mer värme, mer temperatur ...) blev planeten ett så varmt växthus att endast termofila mikroorganismer lyckades anpassa sig till denna nya miljö. Men som jag nämnde tidigare bildades en dimma från kolväten som förde bort den infallande ultravioletta strålningen gör kylan vädret. På detta sätt stoppades metanproduktionen och temperaturer och atmosfärskomposition började stabiliseras.

Om vi ​​jämför dimma med Titan, Saturnus största satellit, vi ser att den också har samma karakteristiska orange färg som motsvarar det täta skiktet av kolvätepartiklar, som bildas när metan reagerar med solljus. Det lagret av kolväten gör emellertid Titans yta vid -179 grader Celsius. Denna atmosfär är kallare än planeten Jorden har varit under hela dess historia.

Om jordens kolväte-moln hade nått den densitet som Titans har, skulle det ha avböjt tillräckligt med solljus för att motverka den kraftfulla växthuseffekten av metan. Hela ytan på planeten skulle ha frusit och därmed dödat alla metanogener. Skillnaden mellan Titan och jorden är att denna mån av Saturn inte har CO2 eller vatten, så metan avdunstar lätt.

Slutet av metan-eran

Dimman som bildades av metan varade inte för evigt. Det har skett tre glacieringar sedan proterozoikum och metan kan förklara varför de inträffade.

Den första istiden kallas Huronisk isbildning och under de äldsta stenarna som finns under dess glaciala avlagringar finns det avfall av uraninit och pyrit, två mineraler som indikerar en mycket låg nivå av atmosfäriskt syre. Ovanför glacialskikten observeras en rödaktig sandsten som innehåller hematit, ett mineral som bildas i syrerika miljöer. Allt detta tyder på att den isländska glacieringen inträffade precis när syrehalten i atmosfären först började skjuta i höjden.

I denna nya miljö som är allt mer rik på syre, metanogener och andra anaeroba organismer som en gång dominerade planeten, försvann gradvis eller sågs alltmer begränsade till mer begränsade livsmiljöer. Faktum är att metankoncentrationen skulle ha varit densamma eller högre än den är idag om syrenivåerna hade hållits lägre.

Detta förklarar varför på jorden under proterozoiken, det fanns inga glacieringar på nästan 1.500 miljarder år, även om solen fortfarande var ganska svag. Det har spekulerats i möjligheten att en andra ökning av atmosfäriskt syre, eller i upplöst sulfat, också skulle ha utlöst glaciationsepisoder genom att minska den skyddande effekten av metan.

Som du kan se har jordens atmosfär inte alltid varit som den är idag. Det råkade sakna syre (en molekyl som vi behöver idag för att leva) och där metan reglerade klimatet och dominerade planeten. Dessutom har syrekoncentrationen efter istiderna ökat tills den blir stabil och lika med den nuvarande, medan metan har reducerats till mer begränsade platser. För närvarande ökar koncentrationen av metan på grund av utsläpp från mänskliga aktiviteter och bidrar till växthuseffekten och den aktuella klimatförändringen.