10 przypadków antropogenicznych wahań klimatu Ziemi

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-16 16:14

Przez długi czas klimat Ziemi zmieniał się z dziesięciu różnych powodów, w tym wahań orbity, przesunięć tektonicznych, zmian ewolucyjnych i innych czynników. Pogrążyli planetę w epokach lodowcowych lub w tropikalnym upale. Jak odnoszą się do współczesnej antropogenicznej zmiany klimatu?

Historycznie Ziemia była kulą śnieżną i szklarnią. A jeśli klimat zmienił się przed pojawieniem się człowieka, to skąd wiemy, że to my jesteśmy winni ostrego ocieplenia, które obserwujemy dzisiaj?

Częściowo dlatego, że możemy nakreślić wyraźny związek przyczynowy między antropogeniczną emisją dwutlenku węgla a wzrostem globalnej temperatury o 1,28 stopnia Celsjusza (który, nawiasem mówiąc, trwa nadal) w erze przedindustrialnej. Cząsteczki dwutlenku węgla pochłaniają promieniowanie podczerwone, więc wraz ze wzrostem ich ilości w atmosferze zatrzymują więcej ciepła, które odparowuje z powierzchni planety.

Jednocześnie paleoklimatolodzy poczynili wielkie postępy w zrozumieniu procesów, które w przeszłości doprowadziły do zmian klimatycznych. Oto dziesięć przypadków naturalnej zmiany klimatu - w porównaniu z obecną sytuacją.

Cykle słoneczne

Skala:chłodzenie o 0, 1-0, 3 stopnie Celsjusza

Wyczucie czasu:okresowe spadki aktywności słonecznej trwające od 30 do 160 lat, oddzielone kilkoma stuleciami

Co 11 lat zmienia się słoneczne pole magnetyczne, a wraz z nim 11-letnie cykle rozjaśniania i ściemniania. Jednak te wahania są niewielkie i tylko w niewielkim stopniu wpływają na klimat Ziemi.

O wiele ważniejsze są „duże minima słoneczne”, dziesięcioletnie okresy zmniejszonej aktywności słonecznej, które wystąpiły 25 razy w ciągu ostatnich 11 000 lat. Ostatni przykład, minimum Maundera, wystąpiło między 1645 a 1715 rokiem i spowodowało, że energia słoneczna spadła o 0,04% -0,08% poniżej obecnej średniej. Przez długi czas naukowcy wierzyli, że minimum Maundera może spowodować „małą epokę lodowcową”, zimny trzask, który trwał od XV do XIX wieku. Ale od tego czasu okazało się, że trwało to zbyt krótko i wydarzyło się w niewłaściwym czasie. Trzask zimna był najprawdopodobniej spowodowany aktywnością wulkaniczną.

Przez ostatnie pół wieku Słońce nieco przyciemniało, a Ziemia się ociepla i nie da się powiązać globalnego ocieplenia z ciałem niebieskim.

siarka wulkaniczna

Skala:chłodzenie o 0,6 - 2 stopnie Celsjusza

Wyczucie czasu:od 1 do 20 lat

W 539 lub 540 r. n.e. mi. wybuch wulkanu Ilopango w Salwadorze był tak potężny, że jego pióropusz dotarł do stratosfery. Następnie chłodne lata, susza, głód i zaraza spustoszyły osady na całym świecie.

Erupcje na skalę Ilopango wyrzucają do stratosfery odbijające światło krople kwasu siarkowego, które osłaniają światło słoneczne i ochładzają klimat. W rezultacie tworzy się lód morski, więcej światła słonecznego jest odbijane z powrotem w kosmos, a globalne ochłodzenie jest zintensyfikowane i przedłużone.

Po erupcji Ilopango globalna temperatura spadła o 2 stopnie w ciągu 20 lat. Już w naszej erze erupcja góry Pinatubo na Filipinach w 1991 roku ochłodziła globalny klimat o 0,6 stopnia na okres 15 miesięcy.

Siarka wulkaniczna w stratosferze może być niszczycielska, ale w skali historii Ziemi jej wpływ jest niewielki, a także przejściowy.

Krótkoterminowe wahania klimatu

Skala:do 0, 15 stopni Celsjusza

Wyczucie czasu: od 2 do 7 lat

Oprócz sezonowych warunków pogodowych istnieją inne krótkotrwałe cykle, które również wpływają na opady i temperaturę. Najważniejsza z nich, El Niño lub oscylacja południowa, to okresowa zmiana cyrkulacji w tropikalnym Oceanie Spokojnym w okresie od dwóch do siedmiu lat, która wpływa na opady deszczu w Ameryce Północnej. Oscylacja Północnoatlantycka i dipol Oceanu Indyjskiego mają silny wpływ regionalny. Obaj wchodzą w interakcję z El Niño.

Wzajemne powiązanie tych cykli od dawna utrudniało możliwość udowodnienia, że zmiana antropogeniczna jest statystycznie istotna, a nie tylko kolejnym skokiem w naturalnej zmienności. Jednak od tego czasu antropogeniczna zmiana klimatu wykroczyła daleko poza naturalną zmienność pogody i temperatury sezonowe. Amerykańska Narodowa Ocena Klimatu z 2017 r. stwierdziła, że „nie ma jednoznacznych dowodów z danych obserwacyjnych, które mogłyby wyjaśnić obserwowaną zmianę klimatu przez naturalne cykle”.

Wibracje orbitalne

Skala: około 6 stopni Celsjusza w ostatnim 100 000-letnim cyklu; zmienia się w zależności od czasu geologicznego

Wyczucie czasu: regularne, nakładające się cykle 23 000, 41 000, 100 000, 405 000 i 2 400 000 lat

Orbita Ziemi zmienia się, gdy Słońce, Księżyc i inne planety zmieniają swoje względne pozycje. Ze względu na te cykliczne wahania, tak zwane cykle Milankovitcha, ilość światła słonecznego na średnich szerokościach geograficznych waha się o 25%, a zmiany klimatyczne. Cykle te funkcjonowały na przestrzeni dziejów, tworząc naprzemienne warstwy osadów, które można zobaczyć w skałach i wyrobiskach.

W erze plejstocenu, która zakończyła się około 11 700 lat temu, cykle Milankovitcha wysłały planetę w jedną z epok lodowcowych. Kiedy przesunięcie orbity Ziemi sprawiło, że północne lata były cieplejsze niż przeciętnie, masywne pokrywy lodowe w Ameryce Północnej, Europie i Azji stopiły się; kiedy orbita znów się zmieniła, a lata znów stały się chłodniejsze, te tarcze odrosły. Gdy ciepły ocean rozpuszcza mniej dwutlenku węgla, zawartość atmosfery rosła i spadała zgodnie z oscylacjami orbity, wzmacniając ich efekt.

Dziś Ziemia zbliża się do kolejnego minimum północnego światła słonecznego, więc bez antropogenicznych emisji dwutlenku węgla wkroczylibyśmy w nową epokę lodowcową w ciągu najbliższych 1500 lat.

Słabe młode słońce

Skala: brak całkowitego efektu temperatury

Wyczucie czasu: stały

Pomimo krótkotrwałych wahań jasność Słońca jako całości wzrasta o 0,009% na milion lat, a od narodzin Układu Słonecznego 4,5 miliarda lat temu wzrosła o 48%.

Naukowcy uważają, że ze słabości młodego słońca powinno wynikać, że Ziemia pozostała zamarznięta przez całą pierwszą połowę swojego istnienia. Jednocześnie, paradoksalnie, geolodzy odkryli skały w wieku 3,4 miliarda lat, uformowane w wodzie z falami. Wydaje się, że nieoczekiwanie ciepły klimat wczesnej Ziemi wynika z pewnej kombinacji czynników: mniejszej erozji lądu, czystszego nieba, krótszych dni i specjalnego składu atmosfery, zanim Ziemia nabrała atmosfery bogatej w tlen.

Korzystne warunki w drugiej połowie istnienia Ziemi, mimo wzrostu jasności słońca, nie prowadzą do paradoksu: ziemski termostat wietrzeniowy przeciwdziała skutkom dodatkowego nasłonecznienia, stabilizując Ziemię.

Termostat dwutlenku węgla i warunków atmosferycznych

Skala: przeciwdziała innym zmianom

Wyczucie czasu: 100 000 lat lub dłużej

Głównym regulatorem klimatu Ziemi od dawna jest poziom dwutlenku węgla w atmosferze, ponieważ dwutlenek węgla jest trwałym gazem cieplarnianym, który blokuje ciepło, uniemożliwiając jego unoszenie się z powierzchni planety.

Wulkany, skały metamorficzne i utlenianie węgla w osadach zerodowanych emitują dwutlenek węgla do nieba, a reakcje chemiczne ze skałami krzemianowymi usuwają dwutlenek węgla z atmosfery, tworząc wapień. Równowaga między tymi procesami działa jak termostat, ponieważ gdy klimat się ociepla, reakcje chemiczne skuteczniej usuwają dwutlenek węgla, a tym samym spowalniają ocieplenie. Gdy klimat się ochładza, wydajność reakcji maleje, ułatwiając chłodzenie. W rezultacie przez długi czas klimat Ziemi pozostawał względnie stabilny, zapewniając środowisko do zamieszkania. W szczególności średni poziom dwutlenku węgla stale spada w wyniku rosnącej jasności Słońca.

Jednak potrzeba setek milionów lat, aby termostat pogodowy zareagował na wzrost dwutlenku węgla do atmosfery. Oceany na Ziemi szybciej wchłaniają i usuwają nadmiar węgla, ale nawet ten proces trwa tysiąclecia – i można go zatrzymać, niosąc ryzyko zakwaszenia oceanów. Każdego roku spalanie paliw kopalnych emituje około 100 razy więcej dwutlenku węgla niż wybuchają wulkany – oceany i wietrzenie zawodzą – więc klimat się ociepla, a oceany zakwaszają.

Przesunięcia tektoniczne

Skala: około 30 stopni Celsjusza w ciągu ostatnich 500 milionów lat

Wyczucie czasu: miliony lat

Ruch mas lądowych skorupy ziemskiej może powoli przesuwać termostat pogodowy do nowej pozycji.

Przez ostatnie 50 milionów lat planeta ochładzała się, zderzenia płyt tektonicznych wypychały chemicznie reaktywne skały, takie jak bazalt i popiół wulkaniczny, w ciepłe, wilgotne tropiki, zwiększając tempo reakcji, które przyciągają dwutlenek węgla z nieba. Ponadto w ciągu ostatnich 20 milionów lat, wraz ze wzrostem Himalajów, Andów, Alp i innych gór, tempo erozji wzrosło ponad dwukrotnie, prowadząc do przyspieszenia wietrzenia. Kolejnym czynnikiem, który przyspieszył trend ochłodzenia, było oddzielenie Ameryki Południowej i Tasmanii od Antarktydy 35,7 mln lat temu. Wokół Antarktydy uformował się nowy prąd oceaniczny, który zintensyfikował obieg wody i planktonu, który pochłania dwutlenek węgla. W rezultacie pokrywy lodowe Antarktydy znacznie się rozrosły.

Wcześniej, w okresie jurajskim i kredowym, dinozaury wędrowały po Antarktydzie, ponieważ bez tych pasm górskich zwiększona aktywność wulkaniczna utrzymywała dwutlenek węgla na poziomie około 1000 części na milion (w porównaniu z 415 obecnie). Średnia temperatura w tym pozbawionym lodu świecie była o 5-9 stopni Celsjusza wyższa niż obecnie, a poziom morza był wyższy o 75 metrów.

Wodospady asteroid (Chikshulub)

Skala: najpierw schłodzenie o około 20 st. C, potem ocieplenie o 5 st. C

Wyczucie czasu: wieki ochładzania, 100 000 lat ocieplenia

Baza danych o uderzeniach asteroidy w Ziemię zawiera 190 kraterów. Żaden z nich nie miał zauważalnego wpływu na klimat Ziemi, z wyjątkiem asteroidy Chikshulub, która zniszczyła część Meksyku i zabiła dinozaury 66 milionów lat temu. Symulacje komputerowe pokazują, że Chikshulub wyrzucił wystarczającą ilość pyłu i siarki do górnych warstw atmosfery, aby zaćmić światło słoneczne i schłodzić Ziemię o ponad 20 stopni Celsjusza i zakwasić oceany. Planeta potrzebowała wieków, aby powrócić do poprzedniej temperatury, ale potem ogrzała się o kolejne 5 stopni z powodu wnikania do atmosfery dwutlenku węgla ze zniszczonego meksykańskiego wapienia.

Jak aktywność wulkaniczna w Indiach wpłynęła na zmianę klimatu i masowe wymieranie, pozostaje kontrowersyjny.

Zmiany ewolucyjne

Skala: zależne od zdarzenia, ochłodzenie o około 5 stopni Celsjusza w późnym okresie ordowiku (445 mln lat temu)

Wyczucie czasu: miliony lat

Czasami ewolucja nowych gatunków życia zresetuje termostat Ziemi. Na przykład fotosyntetyczne cyjanobakterie, które powstały około 3 miliardów lat temu, rozpoczęły proces terraformowania, uwalniając tlen. W miarę rozprzestrzeniania się, zawartość tlenu w atmosferze wzrosła 2,4 miliarda lat temu, podczas gdy poziomy metanu i dwutlenku węgla gwałtownie spadły. W ciągu 200 milionów lat Ziemia kilkakrotnie zamieniała się w „śnieżkę”. 717 milionów lat temu ewolucja życia oceanicznego, większego niż drobnoustroje, wywołała kolejną serię kul śnieżnych - w tym przypadku, gdy organizmy zaczęły uwalniać detrytus w głąb oceanu, zabierając węgiel z atmosfery i ukrywając go w głębinach.

Kiedy około 230 milionów lat później, w okresie ordowiku, pojawiły się najwcześniejsze rośliny lądowe, zaczęły formować ziemską biosferę, zakopując węgiel na kontynentach i pozyskując składniki odżywcze z lądu – zmyły się do oceanów, a także pobudziły tam życie. Wydaje się, że te zmiany doprowadziły do epoki lodowcowej, która rozpoczęła się około 445 milionów lat temu. Później, w okresie dewonu, ewolucja drzew, połączona z budową gór, jeszcze bardziej obniżyła poziom dwutlenku węgla i temperatury, i rozpoczęła się paleozoiczna epoka lodowcowa.

Duże prowincje magmowe

Skala: ocieplenie od 3 do 9 stopni Celsjusza

Wyczucie czasu: setki tysięcy lat

Kontynentalne powodzie lawy i podziemnej magmy – tak zwane duże prowincje magmowe – doprowadziły do więcej niż jednego masowego wyginięcia. Te straszne wydarzenia uwolniły arsenał zabójców na Ziemi (w tym kwaśne deszcze, kwaśne mgły, zatrucie rtęcią i zubożenie warstwy ozonowej), a także doprowadziły do ocieplenia planety, uwalniając do atmosfery ogromne ilości metanu i dwutlenku węgla – szybciej niż one. może poradzić sobie z warunkami atmosferycznymi termostatu.

Podczas katastrofy w Permie 252 mln lat temu, która zniszczyła 81% gatunków morskich, podziemna magma podpaliła syberyjski węgiel, podniosła zawartość dwutlenku węgla w atmosferze do 8000 części na milion i podgrzała temperaturę o 5-9 stopni Celsjusza. Paleoceńsko-eoceńskie maksimum termiczne, mniejsze zdarzenie 56 milionów lat temu, wytworzyło metan z pól naftowych na Północnym Atlantyku i wysłał go w niebo, ogrzewając planetę o 5 stopni Celsjusza i zakwaszając ocean. Następnie na wybrzeżach Arktyki rosły palmy i wygrzewały się aligatory. Podobne emisje kopalnego węgla miały miejsce w późnym triasie i wczesnej jurze – i zakończyły się globalnym ociepleniem, martwymi strefami oceanów i zakwaszeniem oceanów.

Jeśli coś z tego brzmi znajomo, to dlatego, że dzisiejsze działania antropogeniczne mają podobne konsekwencje.

Jak zauważyła grupa badaczy wymierania triasowo-jurajskiego w kwietniu w czasopiśmie Nature Communications: „Szacujemy, że ilość dwutlenku węgla emitowanego do atmosfery przez każdy impuls magmy na końcu triasu jest porównywalna z prognozą antropogenicznych emisji dla 21. Wiek."