Bildekreditt: Stanford
Hvis en tidsmaskin kunne ta oss 4,6 milliarder år tilbake til jordens fødsel, ville vi se solen vår skinne 20 til 25 prosent mindre lyst enn i dag. Uten et jordisk drivhus for å fange solens energi og varme atmosfæren, ville vår verden være en spinnende iskule. Livet kan aldri ha utviklet seg.
Men livet utviklet seg, så klimagasser må ha eksistert for å varme jorda. Bevis fra den geologiske referansen indikerer en overflod av klimagassen karbondioksid. Metan var sannsynligvis også til stede, men den klimagassen etterlater ikke nok av et geologisk fotavtrykk til å oppdage med sikkerhet. Molekylært oksygen fantes ikke, indikerer bergarter fra tiden, som inneholder jernkarbonat i stedet for jernoksid. Stensfingeravtrykk av rennende bekker, flytende hav og mineraler dannet fra fordampning bekrefter at Jorden var for 3 milliarder år siden varm nok til flytende vann.
Nå forteller den geologiske referansen i noen av jordas eldste bergarter en overraskende fortelling om sammenbruddet av det drivhuset - og dets etterfølgende fornyelse. Men enda mer overraskende, sier Stanford-forskerne som rapporterer om disse funnene i 25. mai-utgaven av tidsskriftet Geology, er den kritiske rollen som steiner spilte i utviklingen av den tidlige atmosfæren.
"Dette er virkelig første gang vi prøvde å sette sammen et bilde av hvordan den tidlige atmosfæren, det tidlige klimaet og den tidlige kontinentale evolusjonen gikk hånd i hånd," sa Donald R. Lowe, professor i geologisk og miljøvitenskap som skrev papir med Michael M. Tice, en doktorgradsstudent som undersøker tidlig liv. NASAs eksobiologiprogram finansierte arbeidet deres. "I den geologiske fortiden var klima og atmosfære virkelig dypt påvirket av utviklingen av kontinenter."
Rekorden i steinene
For å brette sammen geologiske ledetråder om hvordan den tidlige atmosfæren var og hvordan den utviklet seg, har Lowe, en feltgeolog, brukt tilnærmet hver sommer siden 1977 i Sør-Afrika eller Vest-Australia på å samle bergarter som bokstavelig talt er eldre enn åsene. Noen av jordas eldste bergarter, de er omtrent 3,2 til 3,5 milliarder år gamle.
"Jo lenger bak du kommer, generelt, jo vanskeligere er det å finne en trofast plate, steiner som ikke er blitt vridd og klemt og metamorfosert og på annen måte endret," sier Lowe. "Vi ser tilbake så langt som den sedimentære rekorden går."
Etter å ha målt og kartlagt steiner, bringer Lowe prøver tilbake til Stanford for å skjære i seksjoner så tynne at deres funksjoner kan avsløres under et mikroskop. Samarbeidspartnere deltar i geokjemiske og isotopanalyser og datamodellering som ytterligere avslører bergartenes historie.
Den geologiske referansen forteller en historie der kontinenter fjernet klimagassen karbondioksid fra en tidlig atmosfære som kan ha vært så varm som 70 grader Celsius. På dette tidspunktet var jorden stort sett hav. Det var for varmt til å ha noen polare iskapper. Lowe antar at regn kombinert med atmosfærisk karbondioksid for å lage kullsyre, som forvitret fjellende fjell av nylig dannet kontinentalt skorpe. Kullsyre ble dissosiert for å danne hydrogenioner, som fant veien inn i strukturene til forvitringsmineraler, og bikarbonat, som ble ført ned elver og bekker for å bli avsatt som kalkstein og andre mineraler i havsedimenter.
Over tid ble store plater av oseanisk jordskorpe trukket ned eller undervist i jordens mantel. Karbonet som var låst i denne jordskorpen, ble i det vesentlige tapt, bundet opp i 60 millioner år eller så at det tok mineraler for å bli resirkulert tilbake til overflaten eller avgasset gjennom vulkaner.
Den varme, tidlige atmosfæren inneholdt sannsynligvis også metan, sier Lowe. Da karbondioksidnivåene falt på grunn av forvitring, på et tidspunkt, ble nivåene av karbondioksid og metan omtrent like, antar han. Dette fikk metan til å aerosolisere seg til fine partikler, og skapte en dis som tilsvarer det som i dag er til stede i atmosfæren til Saturns måne Titan. Denne "Titan Effect" skjedde på jorden for 2,7 til 2,8 milliarder år siden.
Titan Effect fjernet metan fra atmosfæren og uklarheten filtrerte ut lys; begge forårsaket ytterligere avkjøling, kanskje et temperaturfall på 40 til 50 grader. Etter hvert, for rundt tre milliarder år siden, falt drivhuset nettopp sammen, Lowe og Tice teoretiserte, og jordens første isdannelse kan ha skjedd for 2,9 milliarder år siden.
Oppgangen etter fallet
Her avslører bergartene en merkelig vri i historien - eventuell fornyelse av drivhuset. Husk at Jorden var for 3 milliarder år siden, egentlig Waterworld. Det var ingen planter eller dyr som påvirket atmosfæren. Selv alger hadde ikke utviklet seg ennå. Primitive fotosyntetiske mikrober var rundt og kan ha spilt en rolle i genereringen av metan og mindre bruk av karbondioksid.
Så lenge rask kontinental forvitring fortsatte, ble karbonat avsatt på den haviske skorpen og underkastet det Lowe kaller "et stort lagringsanlegg ... som holdt det meste av karbondioksid ut av atmosfæren."
Men når karbondioksid ble fjernet fra atmosfæren og innlemmet i berg, ble forvitringen redusert - det var mindre kullsyre for å erodere fjell og fjellene ble lavere. Men vulkaner spyr fremdeles store mengder karbon i atmosfæren fra resirkulert havskorpe.
"Så til slutt klatrer karbondioksidnivået igjen," sier Lowe. "Det kommer kanskje aldri tilbake til sitt fulle 70 grader Celsius nivå, men det klatret sannsynligvis for å gjøre Jorden varm igjen."
I sommer vil Lowe og Tice samle inn prøver som lar dem bestemme temperaturen i dette tidsintervallet, for rundt 2,6 til 2,7 milliarder år siden, for å få et bedre inntrykk av hvor varm Jorden ble.
Nye kontinenter dannet og forvitret, og tok igjen karbondioksid ut av atmosfæren. For rundt 3 milliarder år siden hadde kanskje 10 eller 15 prosent av jordas nåværende område i kontinentalkorps dannet seg. For 2,5 milliarder år siden hadde det dannet seg en enorm mengde ny kontinental skorpe - omtrent 50 til 60 prosent av det nåværende området med kontinentale skorpe. I løpet av denne andre syklusen forårsaket forvitring av den større mengden berg en enda større atmosfærisk avkjøling, og medførte en dyp forglassing for rundt 2,3 til 2,4 milliarder år siden.
I løpet av de siste million årene har vi svingt frem og tilbake mellom is- og mellomglobiske epoker, sier Lowe. Vi er i en interglacial periode akkurat nå. Det er en overgang - og forskere prøver fortsatt å forstå omfanget av globale klimaendringer forårsaket av mennesker i nyere historie sammenlignet med det som er forårsaket av naturlige prosesser gjennom tidene.
"Vi forstyrrer systemet i hastigheter som i stor grad overstiger de som har preget klimaendringer i fortiden," sa Lowe. "Likevel har praktisk talt alle eksperimentene, praktisk talt alle variasjonene og alle klimaendringene som vi prøver å forstå i dag, skjedd før. Naturen har allerede gjort de fleste av disse eksperimentene. Hvis vi kan analysere eldgamle klima, atmosfæriske komposisjoner og samspillet mellom jordskorpen, atmosfæren, livet og klimaet i den geologiske fortiden, kan vi ta noen første skritt for å forstå hva som skjer i dag og sannsynligvis skje i morgen. ”
Originalkilde: Stanford News Release
