Billedkredit: Stanford
Hvis en tidsmaskine kunne tage os 4,6 milliarder år tilbage til Jordens fødsel, ville vi se vores sol skinne 20 til 25 procent mindre lyst end i dag. Uden et jordisk drivhus til at fange solens energi og varme atmosfæren, ville vores verden være en spinding af is. Livet har måske aldrig udviklet sig.
Men livet udviklede sig, så drivhusgasser må have været der for at varme jorden. Bevis fra den geologiske registrering indikerer en overflod af drivhusgas kuldioxid. Metan var sandsynligvis også til stede, men den drivhusgas efterlader ikke nok af et geologisk fodaftryk til at detektere med sikkerhed. Molekylært ilt var ikke i nærheden, angiver klipper fra tiden, som indeholder jerncarbonat i stedet for jernoxid. Stenfingeraftryk af flydende vandløb, flydende hav og mineraler dannet ved fordampning bekræfter, at Jorden for 3 milliarder år siden var varm nok til flydende vand.
Nu fortæller den geologiske rekord, der er afsløret i nogle af Jordens ældste klipper, en overraskende historie om sammenbruddet af det drivhus - og dets efterfølgende fornyelse. Men endnu mere overraskende, siger Stanford-forskerne, der rapporterer disse fund i 25. maj-udgaven af tidsskriftet Geology, er den kritiske rolle, som klipper spillede i udviklingen af den tidlige atmosfære.
”Dette er virkelig første gang, vi har forsøgt at sammensætte et billede af, hvordan den tidlige atmosfære, det tidlige klima og den tidlige kontinentale udvikling gik hånd i hånd,” sagde Donald R. Lowe, en professor i geologisk og miljøvidenskab, der skrev papir med Michael M. Tice, en kandidatstuderende, der undersøger det tidlige liv. NASAs eksobiologiprogram finansierede deres arbejde. "I den geologiske fortid var klima og atmosfære virkelig dybt påvirket af udviklingen af kontinenter."
Rekorden i klipperne
For at samle geologiske spor efter, hvordan den tidlige atmosfære var, og hvordan den udviklede sig, har Lowe, en feltgeolog, tilbragt stort set hver sommer siden 1977 i Sydafrika eller Vest-Australien med at samle klipper, der bogstaveligt talt er ældre end bakkerne. Nogle af jordens ældste klipper, de er omkring 3,2 til 3,5 milliarder år gamle.
”Jo længere tilbage du går, generelt, jo sværere er det at finde en trofast rekord, klipper, der ikke er blevet snoet og klemt og metamorfoseret og ellers ændret,” siger Lowe. ”Vi ser tilbage lige så langt som den sedimentære rekord går.”
Efter måling og kortlægning af klipper bringer Lowe prøver tilbage til Stanford for at skære i sektioner, så tynde, at deres funktioner kan afsløres under et mikroskop. Samarbejdspartnere deltager i geokemiske og isotopanalyser og computermodellering, der yderligere afslører klippernes historie.
Den geologiske oversigt fortæller en historie, hvor kontinenter fjernede drivhusgas kuldioxid fra en tidlig atmosfære, der måske har været så varm som 70 grader Celsius. På dette tidspunkt var Jorden for det meste ocean. Det var for varmt til at have polære iskapper. Lowe antager, at regn kombineret med atmosfærisk kuldioxid for at fremstille kullsyre, der forvitret kløende bjerge af nydannet kontinentale skorpe. Kulsyre dissocierede til dannelse af brintioner, der fandt vej ind i strukturer af vejrlige mineraler, og bicarbonat, der blev ført ned ad floder og vandløb, der skal deponeres som kalksten og andre mineraler i havsedimenter.
Over tid blev store plader af oceanisk skorpe trukket ned eller undervist i Jordens mantel. Det kulstof, der låst fast i denne skorpe, blev i det væsentlige tabt, bundet i 60 millioner år eller så det tog mineralerne at blive genanvendt tilbage til overfladen eller udgasset gennem vulkaner.
Den varme tidlige atmosfære indeholdt sandsynligvis også metan, siger Lowe. Da kuldioxidniveauerne faldt på grund af forvitring, på et tidspunkt blev niveauerne af kuldioxid og methan omtrent lige, antager han. Dette fik metan til at aerosolisere til fine partikler og skabte en dis som svarer til det, der i dag er til stede i atmosfæren i Saturns månetitan. Denne "Titan-effekt" fandt sted på Jorden for 2,7 til 2,8 milliarder år siden.
Titan-effekten fjernede methan fra atmosfæren, og diset filtreres ud lys; begge forårsagede yderligere afkøling, måske et temperaturfald på 40 til 50 grader celsius. Til sidst, for ca. 3 milliarder år siden, voksede drivhuset lige, Lowe og Tice teoretiserede, og Jordens første glaciation kan have fundet sted for 2,9 milliarder år siden.
Stigningen efter faldet
Her afslører klipperne en mærkelig vri i historien - eventuel regenerering af drivhuset. Husk, at Jorden for 3 milliarder år siden i det væsentlige var Waterworld. Der var ikke planter eller dyr, der havde indflydelse på atmosfæren. Selv alger var ikke udviklet endnu. Primitive fotosyntetiske mikrober var omkring og kan have spillet en rolle i produktionen af metan og mindre brug af kuldioxid.
Så længe den hurtige kontinentale vejrforhold fortsatte, blev karbonat deponeret på den oceaniske skorpe og underkastet det, som Lowe kalder "et stort oplagringssted ... der holdt det meste af kuldioxid ud af atmosfæren."
Men da kuldioxid blev fjernet fra atmosfæren og inkorporeret i sten, blev vejrforholdet bremset - der var mindre kulsyre til at erodere bjerge, og bjergene blev lavere. Men vulkaner spyttede stadig store mængder kulstof i atmosfæren fra genanvendt oceanisk skorpe.
”Så til sidst klatrer kuldioxidniveauet igen,” siger Lowe. ”Det vender måske aldrig tilbage til sit fulde glorværdige 70 grader Celsius niveau, men det klatrede sandsynligvis for at gøre Jorden varm igen.”
I sommer indsamler Lowe og Tice prøver, der giver dem mulighed for at bestemme temperaturen i dette tidsinterval for omkring 2,6 til 2,7 milliarder år siden for at få en bedre idé om, hvor varm Jorden fik.
Nye kontinenter dannede og forvitrede, og tog igen kuldioxid ud af atmosfæren. For omkring 3 milliarder år siden var måske 10 eller 15 procent af Jordens nuværende område i kontinentale skorpe dannet. For 2,5 milliarder år siden var der dannet en enorm mængde ny kontinentale skorpe - ca. 50 til 60 procent af det nuværende kontinentale skorpe. I løbet af denne anden cyklus forårsagede forvitring af den større mængde klippe endnu større atmosfærisk afkøling, der ansporet til en dyb glaciation for omkring 2,3 til 2,4 milliarder år siden.
I løbet af de sidste par millioner år har vi svinget frem og tilbage mellem glasiale og interglaciale epoker, siger Lowe. Vi er i en interglacial periode lige nu. Det er en overgang - og forskere forsøger stadig at forstå størrelsen af globale klimaforandringer forårsaget af mennesker i den nylige historie sammenlignet med den, der er forårsaget af naturlige processer gennem tidene.
”Vi forstyrrer systemet i hastigheder, der i vid udstrækning overstiger dem, der har kendetegnet klimaændringer i fortiden,” sagde Lowe. ”Ikke desto mindre er praktisk taget alle eksperimenterne, stort set alle variationerne og alle de klimaforandringer, som vi prøver at forstå i dag, sket før. Naturen har allerede udført de fleste af disse eksperimenter. Hvis vi kan analysere gamle klimaer, atmosfæriske kompositioner og samspillet mellem skorpen, atmosfæren, livet og klimaet i den geologiske fortid, kan vi tage nogle første skridt til at forstå, hvad der sker i dag og sandsynligvis vil ske i morgen. ”
Original kilde: Stanford News Release
