Bildkredit: Stanford
Om en tidsmaskin skulle kunna ta oss tillbaka 4,6 miljarder år till jordens födelse, skulle vi se vår sol skina 20 till 25 procent mindre ljus än i dag. Utan ett jordiskt växthus för att fånga solens energi och värma atmosfären, skulle vår värld vara en snurrande isboll. Livet kanske aldrig har utvecklats.
Men livet utvecklades, så växthusgaser måste ha funnits för att värma jorden. Bevis från den geologiska posten indikerar ett överflöd av växthusgas koldioxid. Metan fanns antagligen också, men den växthusgasen lämnar inte tillräckligt med ett geologiskt fotavtryck för att upptäcka med säkerhet. Molekylärt syre fanns inte, indikerar stenar från eran, som innehåller järnkarbonat istället för järnoxid. Stenfingeravtryck av strömmande strömmar, flytande hav och mineraler som bildats av förångning bekräftar att jorden var för tillräckligt varm för flytande vatten för 3 miljarder år sedan.
Nu berättar den geologiska posten som avslöjats i några av jordens äldsta bergarter en överraskande berättelse om att växthuset kollapsade - och dess efterföljande förnyelse. Men ännu mer överraskande, säger Stanford-forskarna som rapporterar om dessa resultat i 25 maj-numret av tidskriften Geology, är den kritiska roll som stenar spelade i utvecklingen av den tidiga atmosfären.
"Det här är verkligen första gången vi försökte sätta ihop en bild av hur den tidiga atmosfären, det tidiga klimatet och den tidiga kontinentala utvecklingen gick hand i hand," sade Donald R. Lowe, professor i geologisk och miljövetenskap som skrev papper med Michael M. Tice, en doktorand som undersöker tidigt liv. NASA: s exobiologiprogram finansierade deras arbete. "I det geologiska förflutet var klimat och atmosfär verkligen starkt påverkad av kontinenternas utveckling."
Rekordet i klipporna
För att sammanföra geologiska ledtrådar om hur den tidiga atmosfären var och hur den utvecklades har Lowe, en fältgeolog, tillbringat praktiskt taget varje sommar sedan 1977 i Sydafrika eller Västra Australien för att samla stenar som bokstavligen är äldre än kullarna. Några av jordens äldsta stenar, de är cirka 3,2 till 3,5 miljarder år gamla.
"Ju längre tillbaka du går, i allmänhet, desto svårare är det att hitta en trogen skiva, stenar som inte har vridits och pressats och metamorfoserats och på annat sätt förändrats," säger Lowe. "Vi ser tillbaka så långt som det sedimentära rekordet går."
Efter mätning och kartläggning av stenar tar Lowe med sig prover tillbaka till Stanford för att skära i sektioner så tunna att deras funktioner kan avslöjas under ett mikroskop. Samarbetspartners deltar i geokemiska och isotopanalyser och datormodellering som ytterligare avslöjar bergens historia.
Den geologiska posten berättar en historia där kontinenter avlägsnade växthusgasen koldioxid från en tidig atmosfär som kan ha varit så varm som 70 grader Celsius. Vid denna tid var jorden mestadels hav. Det var för varmt att ha några polära iskappar. Lowe antar att regn kombinerat med atmosfärisk koldioxid för att göra kolsyra, som väder ut stötande berg av nybildad kontinental skorpa. Kolsyra dissocierades för att bilda vätejoner, som fann vägen in i strukturerna för väderbitande mineraler, och bikarbonat, som transporterades ned floder och bäckar för att deponeras som kalksten och andra mineraler i havsediment.
Med tiden drogs stora skivor av havskorpan ner eller subdukades in i jordens mantel. Kolet som låstes in i denna skorpa försvann i huvudsak, bundet under 60 miljoner år eller så att det tog mineralerna för att återvinnas till ytan eller utgasas genom vulkaner.
Den heta tidiga atmosfären innehöll förmodligen metan också, säger Lowe. Eftersom koldioxidnivåerna sjönk på grund av väderutveckling, vid någon tidpunkt, nivåerna av koldioxid och metan blev ungefär lika, antar han. Detta fick metan att aerosolisera till fina partiklar, vilket skapade en dis som liknar det som idag finns i atmosfären i Saturns måne Titan. Denna "Titan-effekt" inträffade på jorden för 2,7 till 2,8 miljarder år sedan.
Titaneffekten avlägsnade metan från atmosfären och diset filtrerades ut ljus; båda orsakade ytterligare kylning, kanske ett temperaturfall på 40 till 50 grader Celsius. Så småningom, för cirka 3 miljarder år sedan, växte växthuset precis, Lowe och Tice teoretiserade, och jordens första glaciation kan ha inträffat för 2,9 miljarder år sedan.
Uppgången efter nedgången
Här avslöjar stenarna en udda vridning i berättelsen - eventuell förnyelse av växthuset. Kom ihåg att jorden var för tre miljarder år sedan i huvudsak Waterworld. Det fanns inga växter eller djur som påverkade atmosfären. Även alger hade inte utvecklats än. Primitiva fotosyntetiska mikrober fanns runt och kan ha spelat en roll i produktionen av metan och mindre användning av koldioxid.
Så länge den snabba kontinentala väderutvecklingen fortsatte, avsattes karbonat på havskorpan och underkastades vad Lowe kallar ”en stor lagringsanläggning ... som höll det mesta av koldioxid ur atmosfären.”
Men när koldioxid avlägsnades från atmosfären och införlivades i sten, fördröjdes vädret - det fanns mindre kolsyra för att erodera bergen och bergen blev lägre. Men vulkaner spyrade fortfarande ut i atmosfären stora mängder kol från återvunnen havskorpa.
"Så småningom klättrar koldioxidnivån igen," säger Lowe. "Det kanske aldrig kommer att återgå till sin fulla härliga 70 grader Celsius nivå, men den klättrade troligen för att göra jorden varm igen."
I sommar kommer Lowe och Tice att samla in prover som gör att de kan bestämma temperaturen för detta tidsintervall, för cirka 2,6 till 2,7 miljarder år sedan, för att få en bättre uppfattning om hur varm jorden blev.
Nya kontinenter bildades och väder ut, och tog igen koldioxid ur atmosfären. För cirka 3 miljarder år sedan hade kanske 10 eller 15 procent av jordens nuvarande område i kontinental skorpa bildats. För 2,5 miljarder år sedan hade en enorm mängd ny kontinental skorpa bildats - cirka 50 till 60 procent av det nuvarande kontinentalt skorpsområdet. Under den andra cykeln orsakade väderträdning av den större mängden berg ännu större atmosfärisk kylning, vilket väckte en djup glaciation för cirka 2,3 till 2,4 miljarder år sedan.
Under de senaste miljoner åren har vi svängts fram och tillbaka mellan glaciala och interglaciala epokar, säger Lowe. Vi befinner oss i en interglacial period just nu. Det är en övergång - och forskare försöker fortfarande att förstå storleken på den globala klimatförändringen orsakad av människor i nyare historia jämfört med den som orsakats av naturliga processer under åldrarna.
"Vi stör systemet i hastigheter som överstiger de som har präglat klimatförändringar tidigare", sa Lowe. ”Trots det har praktiskt taget alla experiment, praktiskt taget alla variationer och alla klimatförändringar som vi försöker förstå idag hänt tidigare. Naturen har redan gjort de flesta av dessa experiment. Om vi kan analysera forntida klimat, atmosfäriska kompositioner och samspelet mellan jordskorpan, atmosfären, livet och klimatet i det geologiska förflutna, kan vi ta några första steg för att förstå vad som händer idag och sannolikt kommer att hända imorgon. ”
Originalkälla: Stanford News Release
