Klimat Ziemi przeszedł kilka dużych zmian, od globalnego wulkanizmu po epoki lodowcowe ochładzające planetę i dramatyczne zmiany w promieniowaniu słonecznym. A jednak życie przez ostatnie 3,7 miliarda lat wciąż bije.
Teraz badanie przeprowadzone przez naukowców z MIT w Science Advances potwierdza, że planeta kryje w sobie mechanizm „stabilizującego sprzężenia zwrotnego”, który działa przez setki tysięcy lat, aby odciągnąć klimat od krawędzi, utrzymując globalne temperatury w stałym, nadającym się do zamieszkania zakresie.
Tylko jak to osiągnąć? Prawdopodobnym mechanizmem jest “wietrzenie krzemianów” – proces geologiczny, w którym powolne i stałe wietrzenie skał krzemianowych obejmuje reakcje chemiczne, które ostatecznie usuwają dwutlenek węgla z atmosfery do osadów oceanicznych, zatrzymując gaz w skałach.
Naukowcy od dawna podejrzewali, że wietrzenie krzemianów odgrywa główną rolę w regulowaniu obiegu węgla na Ziemi. Mechanizm wietrzenia krzemianów może zapewnić geologicznie stałą siłę w utrzymywaniu dwutlenku węgla – i globalnych temperatur – w ryzach. Ale nigdy nie było bezpośrednich dowodów na ciągłe działanie takiego sprzężenia zwrotnego, aż do teraz.
Nowe odkrycia opierają się na badaniu danych paleoklimatycznych, które rejestrują zmiany średnich globalnych temperatur w ciągu ostatnich 66 milionów lat. Zespół MIT zastosował analizę matematyczną, aby sprawdzić, czy dane ujawniły jakiekolwiek wzorce charakterystyczne dla zjawisk stabilizujących, które ograniczały globalne temperatury w geologicznej skali czasu.
Odkryli, że rzeczywiście wydaje się, że istnieje spójny wzorzec, w którym wahania temperatury na Ziemi są tłumione w skali czasowej setek tysięcy lat. Czas trwania tego efektu jest podobny do skali czasowej, w której przewiduje się działanie wietrzenia krzemianów.
Wyniki są pierwszymi, w których wykorzystano rzeczywiste dane do potwierdzenia istnienia stabilizującego sprzężenia zwrotnego, którego mechanizmem jest prawdopodobnie wietrzenie krzemianów. To stabilizujące sprzężenie zwrotne wyjaśniałoby, w jaki sposób Ziemia nadal nadawała się do zamieszkania podczas dramatycznych wydarzeń klimatycznych w przeszłości geologicznej.
„Z jednej strony jest to dobre, ponieważ wiemy, że dzisiejsze globalne ocieplenie zostanie ostatecznie anulowane dzięki temu stabilizującemu sprzężeniu zwrotnemu” – mówi Constantin Arnscheidt, absolwent Wydziału Nauk o Ziemi, Atmosferze i Planetarności MIT (EAPS). „Ale z drugiej strony zajmie to setki tysięcy lat, więc nie wystarczająco szybko, aby rozwiązać nasze obecne problemy”.
Współautorami badania są Arnscheidt i Daniel Rothman, profesor geofizyki na MIT.
Stabilność danych
Naukowcy zauważyli już wcześniej oznaki stabilizującego klimat efektu w ziemskim obiegu węgla: analizy chemiczne starożytnych skał wykazały, że przepływ węgla do iz środowiska powierzchniowego Ziemi pozostawał stosunkowo zrównoważony, nawet pomimo dramatycznych wahań globalnej temperatury. Ponadto modele wietrzenia krzemianów przewidują, że proces ten powinien mieć pewien stabilizujący wpływ na globalny klimat. I wreszcie, fakt trwałej zdatności Ziemi do zamieszkania wskazuje na pewną nieodłączną, geologiczną kontrolę ekstremalnych wahań temperatury.
„Masz planetę, której klimat podlegał tak wielu dramatycznym zmianom zewnętrznym. Dlaczego życie przetrwało przez cały ten czas? Jednym z argumentów jest to, że potrzebujemy jakiegoś mechanizmu stabilizującego, aby utrzymać temperaturę odpowiednią do życia” – mówi Arnscheidt. „Ale nigdy nie wykazano na podstawie danych, że taki mechanizm konsekwentnie kontrolował klimat Ziemi”.
Arnscheidt i Rothman starali się potwierdzić, czy rzeczywiście zadziałało stabilizujące sprzężenie zwrotne, analizując dane dotyczące globalnych wahań temperatury w historii geologicznej. Pracowali z szeregiem globalnych zapisów temperatury zebranych przez innych naukowców, od składu chemicznego starożytnych skamielin morskich i muszli, a także zachowanych rdzeni lodowych Antarktydy.
„Całe to badanie jest możliwe tylko dlatego, że poczyniono ogromne postępy w poprawie rozdzielczości tych zapisów temperatury głębinowych” – zauważa Arnscheidt. „Teraz mamy dane sięgające 66 milionów lat wstecz, z punktami danych oddalonymi co najwyżej o tysiące lat”.
Przyspieszenie do zatrzymania
Do danych zespół zastosował matematyczną teorię stochastycznych równań różniczkowych, która jest powszechnie stosowana do ujawniania wzorców w mocno zmieniających się zbiorach danych.
„Zdaliśmy sobie sprawę, że ta teoria przewiduje, jak mogłaby wyglądać historia temperatur na Ziemi, gdyby istniały sprzężenia zwrotne działające w określonych ramach czasowych” – wyjaśnia Arnscheidt.
Korzystając z tego podejścia, zespół przeanalizował historię średnich globalnych temperatur w ciągu ostatnich 66 milionów lat, biorąc pod uwagę cały okres w różnych skalach czasowych, takich jak dziesiątki tysięcy lat w porównaniu z setkami tysięcy, aby sprawdzić, czy pojawiły się jakieś wzorce stabilizującego sprzężenia zwrotnego każdą skalę czasową.
“Do pewnego stopnia to tak, jakby twój samochód pędził ulicą, a kiedy wciskasz hamulce, ślizgasz się przez długi czas, zanim się zatrzymasz” – mówi Rothman. „Istnieje skala czasowa, w której opór tarcia lub stabilizujące sprzężenie zwrotne uruchamia się, gdy system powraca do stanu ustalonego”.
Bez stabilizujących sprzężeń zwrotnych wahania globalnej temperatury powinny rosnąć wraz z upływem czasu. Jednak analiza zespołu ujawniła reżim, w którym fluktuacje nie rosły, co sugeruje, że w klimacie panował mechanizm stabilizujący, zanim fluktuacje stały się zbyt ekstremalne. Skala czasowa tego stabilizującego efektu – setki tysięcy lat – zbiega się z tym, co naukowcy przewidują dla wietrzenia krzemianów.
Co ciekawe, Arnscheidt i Rothman odkryli, że w dłuższych skalach czasowych dane nie ujawniły żadnych stabilizujących sprzężeń zwrotnych. Oznacza to, że wydaje się, że nie ma żadnego powtarzającego się cofania globalnych temperatur w skali czasowej dłuższej niż milion lat. Co zatem utrzymywało globalne temperatury w ryzach w tych dłuższych ramach czasowych?
“Istnieje pomysł, że przypadek mógł odegrać główną rolę w określeniu, dlaczego po ponad 3 miliardach lat życie nadal istnieje” – mówi Rothman.
Innymi słowy, ponieważ temperatura Ziemi zmienia się na dłuższych odcinkach, fluktuacje te mogą być na tyle małe w sensie geologicznym, że mieszczą się w zakresie, w którym stabilizujące sprzężenie zwrotne, takie jak wietrzenie krzemianów, mogłoby okresowo kontrolować klimat, i bardziej do rzeczy, w strefie nadającej się do zamieszkania.
“Istnieją dwa obozy: niektórzy twierdzą, że przypadkowa szansa jest wystarczająco dobrym wyjaśnieniem, a inni twierdzą, że musi istnieć stabilizujące sprzężenie zwrotne” – mówi Arnscheidt. „Jesteśmy w stanie wykazać, bezpośrednio na podstawie danych, że odpowiedź jest prawdopodobnie gdzieś pośrodku. Innymi słowy, nastąpiła pewna stabilizacja, ale czysty przypadek prawdopodobnie również odegrał rolę w utrzymaniu ciągłej możliwości zamieszkania na Ziemi”.
Badania te były częściowo wspierane przez stypendium MathWorks i National Science Foundation.