Globalny obieg węgla wywiera znaczną kontrolę nad klimatem Ziemi. Mimo to życie na Ziemi tętni życiem przez ostatnie 3.7 miliarda lat. Zrozumienie historii Ziemi, długoterminowych skutków antropogenicznej zmiany klimatu i możliwości zamieszkania na planetach zależy od tego, jak klimat jest utrzymywany w geologicznej skali czasu.
MIT Naukowcy potwierdzili, że Ziemia posiada mechanizm „stabilizującego sprzężenia zwrotnego”, który funkcjonuje przez miliony lat, aby cofnąć klimat znad krawędzi i utrzymać globalne temperatury w stałym, nadającym się do zamieszkania zakresie.
Zdaniem naukowców takim możliwym mechanizmem jest wietrzenie krzemianowe. Jest to proces geologiczny, podczas którego powolne i stałe wietrzenie skał krzemianowych wiąże się z reakcjami chemicznymi, które ostatecznie powodują przyciąganie dwutlenek węgla z atmosfery do osadów oceanicznych, zatrzymując gaz w kamieniach.
Przez długi czas naukowcy przypuszczali, że wietrzenie krzemianowe odgrywa znaczącą rolę w kontrolowaniu Cykl węglowy Ziemi. Jego mechanizm może zapewnić geologicznie stałą siłę utrzymującą dwutlenek węgla – i globalne temperatury – pod kontrolą. Jednakże, jak dotąd nie zaobserwowano żadnych bezpośrednich dowodów na ciągłe działanie takich informacji zwrotnych.
Na potrzeby tego badania naukowcy przeanalizowali dane paleoklimatyczne, które rejestrują zmiany średnich globalnych temperatur w ciągu ostatnich 66 milionów lat. Później, stosując analizę matematyczną, zespół ustalił, czy dane ujawniły jakiekolwiek wzorce charakterystyczne dla zjawisk stabilizujących, które powstrzymują globalne temperatury w geologicznej skali czasu.
Odkryli, że rzeczywiście wydaje się, że na przestrzeni setek tysięcy lat istnieje stały wzorzec ujarzmiania wahań temperatury Ziemi. Czas trwania tego efektu jest porównywalny z ramami czasowymi przewidywanymi dla wietrzenia krzemianowego.
Naukowcy przeanalizowali dane dotyczące globalnych wahań temperatury na przestrzeni historii geologicznej. Chcieli potwierdzić, czy stabilizujące sprzężenie zwrotne rzeczywiście zadziałało. Wykorzystali różnorodne zapisy temperatury globalnej uzyskane przez poprzednich badaczy, w tym także zachowane lód antarktyczny rdzenie i dane dotyczące składu chemicznego prehistorycznych skamieniałości i muszli morskich.
Constantin Arnscheidt, absolwent Wydziału Nauk o Ziemi, Atmosferze i Planetach (EAPS) MIT, powiedział: „Całe to badanie jest możliwe tylko dzięki ogromnemu postępowi w poprawie rozdzielczości rejestrów temperatury głębinowych. Teraz mamy dane sięgające 66 milionów lat wstecz, a punkty danych dzieli co najwyżej tysiące lat”.
Analiza matematyczna, którą naukowcy wykorzystali w badaniu, obejmowała stochastyczne równania różniczkowe. Równania te są powszechnie używane do ujawniania wzorców w szeroko zmieniających się zbiorach danych.
Arnscheidt wyjaśnia, „Zdaliśmy sobie sprawę, że ta teoria przewiduje to, czego można się spodziewać Temperatura Ziemi historia wyglądałaby tak, gdyby w określonych ramach czasowych występowały sprzężenia zwrotne.”
Dzięki takiemu podejściu naukowcy mogli analizować historię średnich globalnych temperatur w ciągu ostatnich 66 milionów lat. Ustalili także, czy w każdej skali czasowej pojawiły się jakiekolwiek wzorce stabilizującego sprzężenia zwrotnego.
Daniel Rothman, profesor geofizyki w MIT, powiedział: „W pewnym sensie to tak, jakby Twój samochód pędził ulicą, a kiedy naciśniesz hamulce, ślizgasz się przez długi czas, zanim się zatrzymasz. Istnieje skala czasowa, w której opór tarcia, czyli stabilizujące sprzężenie zwrotne, pojawia się, gdy system powraca do stanu ustalonego.
Wahania temperatury powinny rosnąć z czasem bez stabilizującego sprzężenia zwrotnego. Jednakże badanie zespołu zidentyfikowało reżim, w którym zmiany nie uległy poprawie, co sugeruje, że istniał mechanizm stabilizujący, zanim wahania stały się nadmierne. Przewidywane przez naukowców setki tysięcy lat dla wietrzenia krzemianów pokrywają się ze skalą czasową tego efektu stabilizującego.
Naukowcy odkryli, że dane nie wykazały żadnego stabilizującego sprzężenia zwrotnego w dłuższych ramach czasowych. Oznacza to, że nie wydaje się, aby występowało jakiekolwiek powtarzające się cofanie się globalnych temperatur w skali czasowej dłuższej niż milion lat. Co zatem w tych dłuższych ramach czasowych utrzymuje globalne temperatury pod kontrolą?
Rothman powiedział, „Istnieje pogląd, że przypadek mógł odegrać główną rolę w ustaleniu, dlaczego życie nadal istnieje po ponad 3 miliardach lat”.
Innymi słowy, ponieważ temperatury Ziemi wahają się w dłuższych okresach, wahania te mogą być na tyle małe w sensie geologicznym, że mieszczą się w zakresie, w którym stabilizujące sprzężenie zwrotne, takie jak wietrzenie krzemianowe, mogłoby okresowo utrzymywać klimat pod kontrolą, i mówiąc bardziej szczegółowo, w strefie mieszkalnej.
Referencje czasopisma:
- Constantin W. Arnscheidt i in. Obecność lub brak stabilizujących sprzężeń zwrotnych systemu Ziemi w różnych skalach czasowych. Postępy nauki, DOI: 10.1126/sciadv.adc9241
