Người ta luôn nói rằng khí hậu thay đổi tương đối hiện đại, phần lớn là do phát thải khí nhà kính lớn vào khí quyển, chẳng hạn như mêtan và CO2, bởi con người kể từ cuộc cách mạng công nghiệp. Tuy nhiên, bạn sẽ nghĩ gì nếu tôi nói với bạn rằng trong hàng tỷ năm kể từ khi Trái đất hình thành, đã có những biến đổi khí hậu khác?
Bầu khí quyển của Trái đất không phải lúc nào cũng giống như ngày nay. Nó đã trải qua nhiều kiểu sáng tác. Tiền sử của biến đổi khí hậu là gì?
Khi khí mê-tan điều chỉnh thời tiết
Khoảng 2.300 tỷ năm trước, các vi sinh vật lạ đã thổi luồng sinh khí mới vào hành tinh "trẻ" khi đó là Trái đất. Đó là về vi khuẩn lam. Chúng tràn ngập không khí khắp hành tinh. Tuy nhiên, người ta tin rằng rất lâu trước thời điểm này, một nhóm sinh vật đơn bào khác đã cư trú trên hành tinh và có thể khiến nó có thể sinh sống được. Chúng tôi nói về methanogens.
Methanogens là các sinh vật đơn bào chỉ có thể tồn tại trong các điều kiện không có oxy và chúng tổng hợp metan trong quá trình chuyển hóa như một chất thải. Ngày nay chúng ta chỉ có thể tìm thấy methanogens ở những nơi như ruột của động vật nhai lại, đáy trầm tích và những nơi khác trên hành tinh mà oxy không tồn tại.
Phân tử mêtan
Như chúng ta đã biết, mêtan là một khí nhà kính giữ nhiệt nhiều hơn 23 lần so với carbon dioxide, vì vậy có giả thuyết cho rằng trong hai tỷ năm đầu tiên của hành tinh Trái đất, methanogens đã thống trị. Khí mê-tan do những sinh vật này tổng hợp đã gây ra hiệu ứng nhà kính với những tác động to lớn lên khí hậu của toàn hành tinh.
Ngày nay, mêtan chỉ tồn tại trong khí quyển khoảng 10 năm, do sự hiện diện của ôxy. Tuy nhiên, nếu bầu khí quyển của Trái đất thiếu các phân tử oxy, khí metan có thể tồn tại trong khoảng 10.000 năm. Vào thời điểm đó, ánh sáng mặt trời không mạnh như bây giờ, vì vậy lượng bức xạ đến bề mặt Trái đất và do đó, làm ấm hành tinh, ít hơn nhiều. Đó là lý do tại sao, để tăng nhiệt độ của hành tinh và tạo ra một môi trường sống được, mêtan cần thiết để giữ nhiệt.
Hiệu ứng nhà kính của bầu khí quyển nguyên thủy
Khi Trái đất được hình thành khoảng 4.600 tỷ năm trước, Mặt trời có độ sáng tương đương 70% so với ngày nay. Đó là lý do tại sao, trước kỷ băng hà đầu tiên (khoảng 2.300 tỷ năm trước), bầu khí quyển hoàn toàn phụ thuộc vào hiệu ứng nhà kính.
Các chuyên gia về biến đổi khí hậu nghĩ trong amoniac là khí nhà kính giữ nhiệt trong bầu khí quyển nguyên thủy, vì đây là khí nhà kính mạnh. Tuy nhiên, trong điều kiện không có oxy trong khí quyển, bức xạ tia cực tím từ Mặt trời phá hủy nhanh chóng amoniac, khiến mêtan trở thành khí chiếm ưu thế vào thời điểm đó.
Đối với sự đóng góp của nhiệt trong khí quyển và hiệu ứng nhà kính, chúng ta cũng thêm CO2. Đến lúc đó, sự tập trung của anh ấy đã thấp hơn nhiều, đó là lý do tại sao nó không thể là nguyên nhân của hiệu ứng nhà kính. CO2 chỉ được thải vào khí quyển một cách tự nhiên, thông qua các ngọn núi lửa.
Núi lửa sinh ra CO2 và hydro
Vai trò của mêtan và sương mù đã làm lạnh hành tinh
Vai trò của mêtan trong việc điều hòa khí hậu sơ khai bắt đầu từ khoảng 3.500 tỷ năm trước, khi các chất gây mêtan tổng hợp khí mêtan trong đại dương như một chất thải. Khí này giữ nhiệt từ Mặt trời trên một vùng rộng của quang phổ điện từ. Nó cũng cho phép bức xạ tia cực tím đi qua, vì vậy trong số các yếu tố này được bổ sung thêm CO2 hiện có, họ đã giữ cho hành tinh ở nhiệt độ có thể sinh sống được.
Methanogens tồn tại tốt hơn ở nhiệt độ cao hơn. Khi nhiệt độ tăng lên, chu kỳ nước và xói mòn đá cũng được tăng cường. Quá trình xói mòn đá này, thải CO2 từ khí quyển. Cả hai nồng độ của mêtan và của CO2 trong khí quyển trở nên bằng nhau.
Quá trình hóa học của khí quyển đã khiến các phân tử metan trùng hợp (tạo thành các chuỗi phân tử metan liên kết với nhau) và tạo thành các hydrocacbon phức tạp. Các hydrocacbon này ngưng tụ thành các hạt, ở độ cao lớn, chúng tạo thành màn sương màu cam. Đám mây bụi hữu cơ này đã bù đắp hiệu ứng nhà kính bằng cách hấp thụ ánh sáng nhìn thấy từ bức xạ mặt trời tới và phát xạ trở lại không gian. Bằng cách này, nó làm giảm lượng nhiệt đến bề mặt hành tinh và góp phần làm mát khí hậu và làm chậm quá trình sản sinh khí mê-tan.
Các methanogens ưa nhiệt
Các methanogens ưa nhiệt là những chất tồn tại trong khoảng nhiệt độ khá cao. Vì lý do này, khi sương mù hydrocacbon được hình thành, khi nhiệt độ toàn cầu nguội đi và giảm xuống, các methanogens ưa nhiệt không thể tồn tại trong điều kiện như vậy. Với khí hậu lạnh hơn và một quần thể methanogen ưa nhiệt bất lợi, điều kiện trên hành tinh đã thay đổi.
Khí quyển chỉ có thể giữ cho nồng độ khí mê-tan cao như vậy nếu khí mê-tan sẽ được tạo ở tốc độ tương đương với hiện tại. Tuy nhiên, methanogens không tạo ra nhiều methane như con người trong các hoạt động công nghiệp của chúng ta.
Các methanogens ưa nhiệt
Methanogens về cơ bản ăn hydro và CO2, tạo ra methane như một chất thải. Một số người khác tiêu thụ axetat và các hợp chất khác từ quá trình phân hủy kỵ khí của chất hữu cơ. Đó là lý do tại sao ngày nay methanogens Chúng chỉ phát triển mạnh trong dạ dày của động vật nhai lại, lớp phù sa làm ngập ruộng lúa và các môi trường thiếu khí khác. Nhưng kể từ khi bầu khí quyển nguyên thủy thiếu oxy, tất cả hydro do núi lửa thải ra đều được lưu trữ trong đại dương và được sử dụng bởi methanogens, vì nó không có oxy để tạo thành nước.
Sương mù của hiệu ứng "chống nhà kính"
Do chu kỳ phản hồi tích cực này (nhiệt độ cao hơn, nhiều methanogens, nhiều metan, nhiều nhiệt hơn, nhiều nhiệt độ hơn…) hành tinh trở thành một nhà kính nóng đến nỗi chỉ có các vi sinh vật ưa nhiệt mới thích nghi được với môi trường mới này. Tuy nhiên, như tôi đã đề cập trước đây, một màn sương được hình thành từ các hydrocacbon mang đi bức xạ tia cực tím sự cố làm cho thời tiết mát mẻ. Bằng cách này, quá trình sản xuất khí mêtan bị dừng lại và nhiệt độ cũng như thành phần khí quyển sẽ bắt đầu ổn định.
Nếu chúng ta so sánh sương mù với Titan, vệ tinh lớn nhất của sao Thổ, chúng ta thấy rằng nó cũng có màu da cam đặc trưng tương ứng với lớp dày đặc của các hạt hydrocacbon, được hình thành khi metan phản ứng với ánh sáng mặt trời. Tuy nhiên, lớp hydrocacbon đó khiến bề mặt của Titan ở nhiệt độ -179 độ C. Bầu khí quyển này lạnh hơn hành tinh Trái đất trong toàn bộ lịch sử của nó.
Nếu đám mây hydrocacbon của Trái đất đạt đến mật độ của Titan, nó sẽ làm lệch hướng đủ ánh sáng mặt trời để chống lại hiệu ứng nhà kính mạnh mẽ của khí mêtan. Toàn bộ bề mặt của hành tinh sẽ bị đóng băng, do đó phá hủy tất cả các methanogens. Sự khác biệt giữa Titan và Trái đất là mặt trăng này của Sao Thổ không có CO2 và nước, vì vậy khí metan dễ bay hơi.
Titan, vệ tinh lớn nhất của sao Thổ
Sự kết thúc của kỷ nguyên mêtan
Sương mù hình thành từ khí mê-tan không tồn tại mãi mãi. Đã có ba băng hà kể từ Đại nguyên sinh và mêtan có thể giải thích tại sao chúng xảy ra.
Băng hà đầu tiên được gọi là băng hà Huronian và dưới những tảng đá lâu đời nhất được tìm thấy dưới lớp trầm tích băng của nó là mảnh vụn của uraninit và pyrit, hai khoáng chất cho thấy mức độ oxy trong khí quyển rất thấp. Tuy nhiên, phía trên các lớp băng, người ta quan sát thấy một loại đá sa thạch màu đỏ có chứa hematit, một khoáng chất được hình thành trong môi trường giàu oxy. Tất cả những điều này chỉ ra rằng quá trình băng hà ở Huronian xảy ra chính xác khi nồng độ oxy trong khí quyển lần đầu tiên bắt đầu tăng vọt.
Trong môi trường mới ngày càng giàu oxy này, methanogens và các sinh vật kỵ khí khác từng thống trị hành tinh, dần biến mất hoặc ngày càng bị giới hạn trong các môi trường sống hạn chế hơn. Trên thực tế, nồng độ khí mê-tan có thể vẫn giữ nguyên hoặc cao hơn hiện nay, nếu mức ôxy được giữ ở mức thấp hơn.
Điều này giải thích tại sao trên Trái đất, trong thời Đại Nguyên sinh, không có băng hà trong gần 1.500 tỷ năm, mặc dù Mặt trời vẫn còn khá yếu. Người ta đã suy đoán khả năng rằng sự gia tăng lần thứ hai của oxy trong khí quyển, hoặc trong sulfat hòa tan, cũng sẽ gây ra các đợt băng hà, bằng cách làm giảm tác dụng bảo vệ của mêtan.
Như bạn có thể thấy, bầu khí quyển của Trái đất không phải lúc nào cũng như ngày nay. Nó tình cờ không có oxy (một phân tử mà chúng ta cần ngày nay để sống) và là nơi khí metan điều hòa khí hậu và thống trị hành tinh. Hơn nữa, sau quá trình băng hà, nồng độ oxy đã tăng lên cho đến khi nó trở nên ổn định và bằng với nồng độ hiện tại, trong khi khí metan được giảm đến những nơi hạn chế hơn. Hiện nay, nồng độ khí mêtan ngày càng gia tăng do khí thải từ các hoạt động của con người và góp phần gây ra hiệu ứng nhà kính, biến đổi khí hậu hiện nay.