Передісторія зміни клімату. Коли метан регулював погоду

Завжди це говорили зміна клімату є відносно сучасним, спричиненим здебільшого великими викидами парникових газів в атмосферу, такими як метан і CO2, людиною після промислової революції. Однак що б ви подумали, якби я сказав вам, що протягом мільярдів років з моменту утворення Землі відбувалися інші кліматичні зміни?

Атмосфера Землі не завжди була такою, як сьогодні. Це пройшло безліч типів композицій. Яка передісторія зміни клімату?

Коли метан регулював погоду

Близько 2.300 мільярда років тому дивні мікроорганізми вдихнули нове життя в тодішню "молоду" планету Земля. Йдеться про ціанобактерії. Вони наповнили планету повітрям. Однак вважається, що задовго до цього часу інша група одноклітинних організмів заселяла планету і могла зробити її придатною для життя. Мова йде про метаногени.

Метаногени - це одноклітинні організми, які можуть вижити лише в умовах, коли кисню немає, і вони синтезують метан під час свого метаболізму як відхідний продукт. Сьогодні ми можемо знайти метаногени лише в таких місцях, як кишечник жуйних тварин, дно осадів та інші місця на планеті, де кисню не існує.

Як ми знаємо, метан - це парниковий газ зберігає в 23 рази більше тепла, ніж вуглекислий газ, тому висувається гіпотеза, що протягом перших двох мільярдів років планети Земля правили метаногени. Метан, синтезований цими організмами, спричинив парниковий ефект із величезними наслідками для клімату всієї планети.

Сьогодні метан зберігається в атмосфері лише близько 10 років через наявність кисню. Однак якби в атмосфері Землі не вистачало молекул кисню, метан міг би зберігатися близько 10.000 XNUMX років. У той час сонячне світло було не таким сильним, як зараз, тому кількість радіації, що досягала поверхні Землі і, таким чином, нагрівала планету, була набагато меншою. Ось чому, щоб підвищити температуру планети і створити середовище для проживання, метан був необхідний для утримання тепла.

Парниковий ефект примітивної атмосфери

Коли Земля утворилася приблизно 4.600 мільярда років тому, Сонце видавало світність, еквівалентну 70% того, що вона робить сьогодні. Ось чому до першого льодовикового періоду (близько 2.300 мільярда років тому) атмосфера повністю залежала від парникового ефекту.

Подумали фахівці з питань клімату в аміаку як парниковий газ, який утримував тепло в примітивній атмосфері, оскільки це потужний парниковий газ. Однак за відсутності атмосферного кисню ультрафіолетове випромінювання Сонця швидко руйнує аміак, роблячи метан переважаючим на той час газом.

До внеску тепла в атмосферу та парникового ефекту ми також додаємо CO2. До того часу, його концентрація була набагато нижчою, тому це не могло бути причиною парникового ефекту. СО2 викидався в атмосферу лише природним шляхом, через вулкани.

Роль метану та туману, який охолоджував планету

Роль метану в регулюванні раннього клімату розпочалася приблизно 3.500 мільярда років тому, коли метаногени синтезували метановий газ в океанах як продукт відходів. Цей газ затримував тепло від Сонця в широкій області електромагнітного спектра. Це також дозволило проходження ультрафіолетового випромінювання, тому серед цих факторів, доданих до існуючого СО2, вони підтримували планету придатною для життя температурою.

Метаногени виживали краще при більш високих температурах. У міру посилення температурного режиму посилювався кругообіг води та посилювалася ерозія гірських порід. Цей процес ерозії гірських порід витягує CO2 з атмосфери. Так багато концентрація метану та СО2 в атмосфері стала рівною.

Хімія атмосфери змусила молекули метану полімеризуватися (утворюють ланцюги молекул метану, з’єднаних між собою) і утворювати складні вуглеводні. Ці вуглеводні конденсуються в частинки, які на великій висоті вони утворили помаранчевий туман.  Ця хмара органічного пилу компенсувала парниковий ефект, поглинаючи видиме світло від падаючої сонячної радіації та випромінюючи його назад у космос. Таким чином, це зменшило кількість тепла, що надходить на поверхню планети, і сприяло охолодженню клімату та уповільненню виробництва метану.

Теплолюбні метаногени

Термофільні метаногени - це ті, які виживають у досить високих температурних інтервалах. З цієї причини, коли вуглеводневий туман утворювався, коли глобальні температури охолоджувались і знижувались, теплофільні метаногени не могли пережити таких умов. З більш холодним кліматом і згубною теплолюбною популяцією метаногену, умови на планеті змінилися.

Атмосфера могла б підтримувати настільки високі концентрації метану, якби метан генерувався б зі швидкістю, порівнянною зі струмом. Однак метаногени не виробляли стільки метану, скільки люди в нашій промисловій діяльності.

Метаногени в основному харчуються воднем і СО2, утворюючи метан як відхідний продукт. Деякі інші споживають ацетат та різні інші сполуки в результаті анаеробної деградації органічної речовини. Ось чому сьогодні метаногени Вони процвітають лише в шлунках жуйних тварин, мулі, що лежить в основі затоплених рисових полів, та інших безводних середовищах. Але оскільки в первісній атмосфері не вистачало кисню, весь водень, що виділяється вулканами, зберігався в океанах і використовувався метаногенами, оскільки в його розпорядженні не було кисню для утворення води.

Туман ефекту "проти парникових"

Завдяки цьому циклу позитивних зворотних зв’язків (вища температура, більше метаногенів, більше метану, більше тепла, більше температури ...) планета стала настільки гарячою теплицею, що лише теплолюбні мікроорганізми зуміли пристосуватися до цього нового середовища. Однак, як я вже згадував раніше, із вуглеводнів утворювався туман, який відносив падаюче ультрафіолетове випромінювання роблячи погоду прохолодною. Таким чином, видобуток метану було зупинено, і температури та склад атмосфери почали стабілізуватися.

Якщо порівняти тумани з туманом Титан, найбільший супутник Сатурна, ми бачимо, що він також має той самий характерний оранжевий колір, що відповідає щільному шару вуглеводневих частинок, який утворюється при реакції метану на сонячне світло. Однак цей шар вуглеводнів робить поверхню Титану при -179 градусах Цельсія. Ця атмосфера холодніша, ніж планета Земля за всю її історію.

Якби вуглеводнева хмара Землі досягла щільності, яку має Титан, вона відхилила б достатньо сонячного світла, щоб протидіяти потужному парниковому ефекту метану. Вся поверхня планети замерзла б, тим самим загинувши всі метаногени. Різниця між Титаном і Землею полягає в тому, що у цього місяця Сатурна немає ні СО2, ні води, тому метан легко випаровується.

Кінець ери метану

Туман, що утворився з метану, не тривав вічно. З часів протерозою і метану було три заледеніння, які можуть пояснити, чому вони відбулися.

Перше зледеніння називається гуронським зледенінням а під найдавнішими гірськими породами, знайденими під його льодовиковими відкладеннями, є детрит уранініту та піриту, двох мінералів, які свідчать про дуже низький рівень атмосферного кисню. Однак над льодовиковими шарами спостерігається червонуватий пісковик, який містить гематит, мінерал, що утворюється в середовища, багаті киснем. Все це свідчить про те, що заледеніння Гуронів відбулося саме тоді, коли атмосферний рівень кисню вперше почав стрімко зростати.

У цьому новому середовищі, що все більше збагачується киснем, метаногенами та іншими анаеробними організмами, які колись домінували на планеті, поступово зникали або все частіше були приурочені до більш обмежених середовищ існування. Насправді концентрація метану залишилася б такою ж або вищою, ніж сьогодні, якби рівень кисню був нижчим.

Це пояснює, чому на Землі, під час протерозою, майже 1.500 мільярда років не було зледенінь, хоча Сонце все ще було досить слабким. Існує припущення, що друге підвищення атмосферного кисню або розчиненого сульфату також може спричинити епізоди заледеніння, зменшивши захисну дію метану.

Як бачите, атмосфера Землі не завжди була такою, як сьогодні. Випало, що воно позбавлене кисню (молекули, яка нам потрібна сьогодні для життя) і де метан регулював клімат і домінував на планеті. Крім того, після льодовикових періодів концентрація кисню зростала до тих пір, поки вона не стала стабільною і дорівнювала поточній, а метан знизили до більш обмежених місць. В даний час концентрація метану збільшується внаслідок викидів від людської діяльності та сприяє парниковому ефекту та поточним змінам клімату.