Zemlja že milijarde let ohranja razmere, v katerih lahko obstaja tekoča voda, pri tem pa pomembno vlogo igra počasno preperevanje kamnin, ki iz ozračja odstranjuje ogljikov dioksid. Nova raziskava kaže, da ta naravni podnebni “termostat” ni vedno deloval enako. V obdobju superceline Pangee je bilo preperevanje verjetno bolj odvisno od količine vode kot od temperature.
Ogljikov dioksid je eden najpomembnejših toplogrednih plinov, ki na dolgih časovnih lestvicah uravnava Zemljino temperaturo. Ko ga je v ozračju več, se planet segreva. Ko se njegova količina zmanjša, se podnebje ohlaja.
Del ogljikovega dioksida iz ozračja odstranjuje kemično preperevanje silikatnih kamnin. Raziskovalci ta proces pogosto opisujejo kot planetarni termostat, saj se lahko okrepi, ko se podnebje segreje, in oslabi, ko se ohladi.
Toda nova raziskava znanstvenikov z Univerze v Chicagu in Univerze v Southamptonu kaže, da način njegovega delovanja skozi geološko zgodovino morda ni bil stalen.
Rezultati so objavljeni v reviji Nature Communications.
Kako kamnine hladijo planet?
Ogljikov dioksid se v deževnici raztaplja in jo naredi nekoliko bolj kislo. Takšna voda prodira v tla in kemično razgrajuje silikatne kamnine.
Pri tem nastajajo raztopljene snovi, ki jih reke odnašajo v morje. V oceanih sodelujejo pri nastanku karbonatnih mineralov, ki se odlagajo na morskem dnu. Ogljik je tako lahko za zelo dolgo odstranjen iz ozračja.
S premikanjem tektonskih plošč se del teh kamnin čez milijone let potopi v Zemljino notranjost. Vulkani nato del ogljika ponovno sprostijo v ozračje v obliki ogljikovega dioksida.
Če se zaradi višjih temperatur preperevanje pospeši, se iz ozračja odstrani več ogljikovega dioksida in planet se začne ohlajati. Ob ohlajanju se preperevanje upočasni, zato se odstranjevanje ogljikovega dioksida zmanjša.
Takšna negativna povratna zanka pomaga preprečevati, da bi Zemlja na geoloških časovnih lestvicah ostala trajno prevroča ali prehladna.
Je pomembnejša toplota ali voda?
Znanstveniki že dolgo razpravljajo, kaj v največji meri določa hitrost preperevanja: temperatura ali količina vode.
Po prvi razlagi so glavni dejavnik temperature. Kemijske reakcije v toplejših razmerah potekajo hitreje, zato se pri segrevanju planeta kamnine hitreje razgrajujejo in iz ozračja odstranjujejo več ogljikovega dioksida.
Po drugi razlagi je odločilen pretok vode skozi tla in prek kamnin. Ko je vode premalo ali ko je voda že nasičena z raztopljenimi minerali, dodatna toplota preperevanja ne more več bistveno pospešiti. Potrebnega je več dežja in površinskega odtoka.
Razlika je pomembna, ker naj bi bil termostat, ki temelji predvsem na temperaturi, učinkovitejši. Če preperevanje omejuje pomanjkanje vode, lahko temperatura bolj niha, preden se ponovno vzpostavi ravnovesje v ogljikovem krogu.
Preizkusili so 120 razporeditev celin
Raziskovalci so izvedli 120 podnebnih simulacij. Modeli so bili med seboj enaki, razlikovali so se le po naključno ustvarjeni razporeditvi celin.
Nato so preverili, kako bi se pri vsaki razporeditvi spreminjalo preperevanje, če bi ga večinoma določala temperatura, in kako, če bi ga določala predvsem količina vode.
Ugotovili so, da je temperaturno vodeno preperevanje močno povezano s količino kopnega v tropih. Kamnine v tropskih krajih so bolj izpostavljene visokim temperaturam, zato naj bi se hitreje kemično spreminjale.
Pri preperevanju, ki ga omejuje voda, pa je bila pomembnejša razdrobljenost celin. Več ločenih kopenskih mas pomeni več obalnih območij, več padavin in več možnosti, da voda steče čez kamnine ter raztopljene snovi odnese proti morju.
Te različne povezave so raziskovalcem omogočile, da so v geoloških podatkih iskali sledove obeh načinov delovanja.
Sprememba je sovpadala s Pangeo
Znanstveniki so primerjali rekonstruirane svetovne temperature in razporeditev celin v zadnjih 480 milijonih let.
Za večino tega obdobja so podatki ustrezali sistemu, v katerem je preperevanje v največji meri uravnavala temperatura. Med približno 295 in 200 milijoni let pred sedanjostjo pa se je povezava spremenila in je bolj ustrezala preperevanju, omejenemu s količino vode.
To obdobje se prekriva z obstojem Pangee, ko je bila večina Zemljinega kopnega združena v eno velikansko supercelino.
Notranjost Pangee je bila daleč od oceanov in na številnih območjih zelo suha. Raziskovalci domnevajo, da je zaradi pomanjkanja padavin in površinskega odtoka količina vode postala pomembnejša od temperature. Ko se je Pangea začela razpadati, naj bi se prevladujoči način delovanja termostata ponovno spremenil.
Raziskava kaže časovno ujemanje in statistične povezave, ne dokazuje pa, da je Pangea neposredno povzročila spremembo podnebnega termostata.
Model nima gora, rastlin in različnih kamnin
Avtorji opozarjajo, da so uporabljene simulacije močno poenostavljene. V njih niso natančno upoštevali gorovij, različnih vrst kamnin, vpliva kopenskih rastlin, ledenikov in preperevanja na morskem dnu.
Model je predvideval tudi razmeroma enakomerno vulkansko sproščanje ogljikovega dioksida. V resnični geološki zgodovini se je količina vulkanskih izpustov spreminjala, zlasti med združevanjem in razpadanjem celin.
Negotove so tudi rekonstrukcije položaja celin in svetovnih temperatur pred več sto milijoni let. Hipotezo bi bilo zato mogoče dodatno preveriti z analizo starodavnih tal iz obdobja Pangee.
Naravni termostat ne ustavi hitrega segrevanja
Ugotovitve lahko pomagajo pri razumevanju podnebja na Zemlji in pri presojanju, ali bi kamniti planeti okoli drugih zvezd lahko dolgoročno ohranili tekočo vodo.
Če je učinkovitost silikatnega preperevanja odvisna od razporeditve celin in količine vode, sama lega planeta v območju, kjer bi lahko obstajala tekoča voda, še ne zagotavlja stabilnega podnebja.
Ta naravni termostat deluje na časovnih lestvicah več sto tisoč do več milijonov let. Zato ne more dovolj hitro izravnati sedanjega segrevanja, ki ga povzroča hitro povečevanje koncentracije ogljikovega dioksida zaradi človekovih dejavnosti.
