Οι ήπειροι διαδραμάτισαν βασικό ρόλο στην κατάρρευση και την αναγέννηση του αρχικού γήινου θερμοκηπίου, λένε γεωλόγοι

Από το Πανεπιστήμιο του Stanford, Ιούνιος 2004

Πριν από 4,6 δισεκατομμύρια χρόνια, τότε που δημιουργήθηκε η Γη, ο ήλιος μας ήταν 20 έως 25%  λιγότερος λαμπρός από ό,τι είναι σήμερα. Χωρίς την ατμόσφαιρά της, που παγιδεύοντας την ηλιακή ακτινοβολία παίζει το ρόλο του θερμοκηπίου,  η Γη ήταν τότε μια περιστρεφόμενη χιονομπάλα. Η ζωή δεν θα μπορούσε ποτέ φυσικά να είχε εξελιχθεί κάτω από αυτές τις συνθήκες.

Αλλά αφού τελικά η ζωή εξελίχθηκε, θα έπρεπε να συσσωρεύτηκαν αέρια του θερμοκηπίου γύρω από τη Γη και να τη θέρμαναν. Τα στοιχεία από το γεωλογικό αρχείο δείχνουν ότι υπήρχε αρκετό διοξείδιο του άνθρακα, ένα από τα αέρια του θερμοκηπίου. Υπήρχε, πιθανώς, και μεθάνιο αλλά δεν άφησε αρκετά γεωλογικά ίχνη για να πούμε με βεβαιότητα ότι υπήρχε. Κι όπως δείχνουν οι βράχοι από εκείνη την εποχή δεν υπήρχε μοριακό οξυγόνο. Γιατί περιέχουν ανθρακικό άλας του σιδήρου αντί οξειδίου του σιδήρου. Τα αποτυπώματα στις πέτρες και στους βράχους από νερό που ρέει, υγρούς ωκεανούς και μεταλλεύματα που σχηματίζονται από την εξάτμιση του νερού επιβεβαιώνουν ότι πριν 3 δισεκατομμύρια χρόνια, η Γη ήταν αρκετά θερμή για να υπάρχει υγρό νερό.

Αλλά, νεότερα ευρήματα στο γεωλογικό αρχείο σε μερικούς παλαιούς βράχους της Γης μας διηγούνται μια εκπληκτική ιστορία της κατάρρευσης εκείνου του θερμοκηπίου -- και επόμενη την αναγέννησή του. Αλλά ακόμα πιο εκπληκτικό είναι, λένε οι επιστήμονες του Στάνφορντ που εκθέτουν αυτά τα συμπεράσματα τις στο περιοδικό Geology, ο κρίσιμος ρόλος που διαδραμάτισαν οι βράχοι στην εξέλιξη της αρχικής ατμόσφαιρας.

"Είναι, πραγματικά, η πρώτη φορά που προσπαθήσαμε να δούμε για το πώς η αρχική ατμόσφαιρα, το αρχικό κλίμα και η αρχική ηπειρωτική εξέλιξη προχώρησαν μαζί", λέει  ο Donald Ρ. Lowe, ένας καθηγητής της γεωλογικής και περιβαλλοντικής επιστήμης που υπογράφει την έρευνα μαζί με τον Michael M. Tice, ένα μεταπτυχιακό σπουδαστή πάνω στα πρώτα στάδια της ζωής. Το πρόγραμμα Εξωβιολογία της NASA χρηματοδότησε την εργασία τους. "Στο γεωλογικό παρελθόν, το κλίμα και η ατμόσφαιρα επηρεάστηκαν πολύ από την ανάπτυξη των ηπείρων".

Το γεωλογικό αρχείο στους βράχους

Για να βάλει σε ένα ενιαίο πλαίσιο τις γεωλογικές ενδείξεις για το τι ήταν η αρχική ατμόσφαιρα αλλά και πώς αυτή εξελίχθηκε, ο Lowe πέρασε όλα του τα καλοκαίρια από το 1977 έως τώρα στη Νότια Αφρική ή τη Δυτική Αυστραλία συλλέγοντας βράχους που είναι, κυριολεκτικά, παλαιότεροι από τους λόφους γύρω τους. Μερικοί από τους παλαιότερους βράχους της Γης, είναι περίπου 3,2 έως 3,5 δισεκατομμυρίων ετών.

"Όσο πιο πίσω πηγαίνετε, τόσο δυσκολότερο είναι να βρείτε ένα πιστό γεωλογικό αρχείο, βράχους που να μην έχουν παραμορφωθεί, να μην έχουν συμπιεστεί, να μην έχουν μεταμορφωθεί και να μην έχουν αλλάξει", λέει ο Lowe. "Παρατηρούμε απλώς πόσο πίσω πηγαίνει το αρχείο των ιζημάτων".

Αφού μέτρησε και χαρτογράφησε βράχους, ο Lowe φέρνει τα δείγματα πίσω στο Στάνφορντ για να τα κόψει σε τμήματα τόσο λεπτά που τα χαρακτηριστικά τους μπορούν να αποκαλυφθούν μόνο κάτω από ένα μικροσκόπιο. Συνεργάτες του που συμμετέχουν στις γεωχημικές και ισοτοπικές αναλύσεις και τις προσομοιώσεις σε υπολογιστές,  αποκαλύπτουν κι άλλες ιστορίες των βράχων.

Το γεωλογικό αρχείο αφηγείται μια ιστορία στην οποία οι ήπειροι αφαίρεσαν το διοξείδιο του άνθρακα από μια πρώιμη ατμόσφαιρα, που ήταν πολύ θερμή  κοντά στους 70 βαθμούς Κελσίου.

Εκείνη την εποχή η Γη αποτελείται κυρίως από ωκεανούς. Ήταν πάρα πολύ θερμή για να έχει οποιαδήποτε στρώματα πάγου στους πόλους. Ο Lowe υποθέτει ότι η βροχή συνδυάστηκε με το ατμοσφαιρικό διοξείδιο του άνθρακα για να φτιαχτεί το ανθρακικό οξύ, το οποίο διέβρωσε τις κορυφές των βουνών, του ηπειρωτικού φλοιού που πρόσφατα είχε διαμορφωθεί.

Το ανθρακικό οξύ ακολούθως διασπάστηκε και σχηματίστηκαν ιόντα υδρογόνου, που από τη μια ενώθηκαν με οξειδωμένα μεταλλεύματα, και από την άλλη σχημάτισαν διττανθρακικό άλας, που μεταφέρθηκε από τους ποταμούς και τα ρεύματα, κάνοντας ασβεστολιθικά ιζήματα κι άλλα μεταλλεύματα στα ωκεάνια ιζήματα.

Όσο περνούσε ο χρόνος, μεγάλες πλάκες του ωκεάνειου φλοιού τραβήχτηκαν προς τα κάτω ή πήγαν κάτω από το γήινο φλοιό. Ο άνθρακας που κλείστηκε σε αυτό τον φλοιό χάθηκε ουσιαστικά, δεσμευμένος για περίπου 60 εκατομμύρια χρόνια, μέχρι που τα μεταλλεύματα αυτά ανακυκλώθηκαν  πίσω στην επιφάνεια ή εξήλθαν σαν αέρια από τα ηφαίστεια.

Η καυτή πρόωρη ατμόσφαιρα περιείχε πιθανώς και μεθάνιο, αναφέρει ο Lowe. Καθώς τα επίπεδα του διοξειδίου του άνθρακα έπεσαν εξ' αιτίας της διάβρωσης, σε κάποια στιγμή, τα επίπεδα του διοξειδίου του άνθρακα και του μεθανίου εξισώθηκαν. Αυτό ανάγκασε το μεθάνιο να διαμεριστεί σε λεπτά σωματίδια και να διαλυθεί στην ατμόσφαιρα, δημιουργώντας μια ελαφριά ομίχλη όμοια με αυτή που είναι σήμερα στην ατμόσφαιρα του Τιτάνα, το φεγγάρι του Κρόνου. Αυτό το "φαινόμενο Τιτάνα" εμφανίστηκε στη Γη πριν 2,7 έως 2,8 δισεκατομμύρια χρόνια.

Το 'Φαινόμενο Τιτάνα' αφαίρεσε το μεθάνιο από την ατμόσφαιρα και η ελαφριά ομίχλη φιλτράρισε το φως. Και τα δύο προκάλεσαν μια πτώση της θερμοκρασίας, ίσως και 40 έως 50 βαθμών Κελσίου. Τελικά, περίπου, πριν 3 δισεκατομμύρια χρόνια, το φαινόμενο του θερμοκηπίου κατέρρευσε, σύμφωνα με τη θεωρία των Lowe και Tice, και η πρώτη γήινη εποχή του πάγου μπορεί να εμφανίστηκε πριν 2,9 δισεκατομμύρια χρόνια.

Η άνοδος μετά την πτώση

Εδώ οι βράχοι αποκαλύπτουν μια περίεργη στροφή στην ιστορία -- μια ενδεχόμενη αναγέννηση του φαινομένου του θερμοκηπίου. Θυμηθείτε ότι πριν 3 δισεκατομμύρια χρόνια, η Γη ήταν ουσιαστικά ένας υδάτινος κόσμος. Δεν υπήρχαν καθόλου φυτά ή ζώα για να επιδράσουν στην ατμόσφαιρα. Ούτε τα άλγη (φύκια) δεν είχαν εξελιχθεί ακόμα. Τα πρωτόγονα φωτοσυνθετικά μικρόβια ήταν όμως εδώ και μπορεί να είχαν διαδραματίσει έναν ρόλο στην παραγωγή του μεθανίου και κάνοντας δευτερεύουσα χρήση του διοξειδίου του άνθρακα.

Εφ' όσον συνεχίστηκε η γρήγορη ηπειρωτική διάβρωση, το ανθρακικό άλας κατατέθηκε στον ωκεάνειο φλοιό και αφαιρέθηκε κατά ένα μεγάλο μέρος από την ατμόσφαιρα. Είναι το φαινόμενο της "μεγάλης αποθήκευσης".

Αλλά καθώς το διοξείδιο του άνθρακα αφαιρέθηκε από την ατμόσφαιρα και ενσωματώθηκε στους βράχους, η διάβρωση επιβραδύνθηκε γιατί υπήρχε λιγότερο ανθρακικό οξύ για να διαβρώσει τα βουνά και να γίνουν χαμηλότερα. Αλλά τα ηφαίστεια εξέπεμπαν ακόμα μεγάλα ποσά άνθρακα στην ατμόσφαιρα από τον ανακυκλούμένο ωκεάνειο φλοιό.

"Έτσι, τελικά το επίπεδο του διοξειδίου του άνθρακα άρχισε να αυξάνει", εξηγεί ο Lowe. "Δεν μπορεί ποτέ φυσικά να επιστρέψει στα επίπεδα που ήταν όταν η θερμοκρασία ήταν 70 βαθμοί, αλλά αυξήθηκε τόσο ώστε να καταστήσει και πάλι  θερμή τη Γη".

Αυτό το καλοκαίρι, οι Lowe και Tice θα συλλέξουν δείγματα που θα τους επιτρέψουν να καθορίσουν τη θερμοκρασία αυτού του διαστήματος, περίπου, πριν 2,6 έως 2,7 δισεκατομμύρια χρόνια, για να καταλάβουν καλύτερα για το πώς έγινε θερμή η Γη.

Ακολούθως, αποσυντέθηκαν και διαμορφώθηκαν νέες ήπειροι, παίρνοντας πάλι το διοξείδιο του άνθρακα από την ατμόσφαιρα. Περίπου, πριν 3 δισεκατομμύρια χρόνια, ίσως  σχηματίστηκε στον ηπειρωτικό φλοιό και το 10 ή και το 15% της σημερινής ξηράς.

Μέχρι πριν 2,5 δισεκατομμύρια χρόνια,  είχε διαμορφωθεί ένα τεράστιο ποσό νέου ηπειρωτικού φλοιού -- περίπου το 50 έως 60 τοις εκατό του σημερινού ηπειρωτικού φλοιού. Κατά τη διάρκεια αυτού του δεύτερου κύκλου, προκλήθηκε ακόμα μεγαλύτερη ατμοσφαιρική ψύξη, δημιουργώντας μια εποχή βαθύ ψύχους,  περίπου, πριν 2,3 έως 2,4 δισεκατομμύρια χρόνια.

Εδώ και αρκετά εκατομμύρια χρόνια η Γη έχει ταλαντευτεί μεταξύ παγετωδών και μεσοπαγετωνικών εποχών, λέει ο Lowe. Τώρα είμαστε σε μια μεσοπαγετωνική περίοδο. Είναι μια μεταβατική περίοδος και οι επιστήμονες προσπαθούν ακόμα να καταλάβουν το μέγεθος της παγκόσμιας αλλαγής του κλίματος, που όμως προκαλείται από τους ανθρώπους κι όχι όπως έγινε  σε όλες τις εποχές με φυσικές διαδικασίες.

"Διαταράσσουμε το σύστημα με ρυθμούς που υπερβαίνουν πολύ εκείνους που έχουν χαρακτηρίσει τις κλιματολογικές αλλαγές στο παρελθόν", λέει ο Lowe.

"Εν τούτοις, όλα ουσιαστικά τα πειράματα, ουσιαστικά όλες οι μεταβολές και όλες οι αλλαγές του κλίματος που προσπαθούμε να καταλάβουμε σήμερα έχουν συμβεί πολύ πριν στην ιστορία της Γης. Στη Φύση  ήδη έγιναν τα περισσότερα από αυτά τα πειράματα. Εάν μπορούσαμε να αναλύσουμε τα αρχαία κλίματα, τις ατμοσφαιρικές συνθέσεις και την αλληλεπίδραση μεταξύ του φλοιού, της ατμόσφαιρας, της ζωής και του κλίματος στο γεωλογικό παρελθόν, μπορούμε να κάνουμε τα πρώτα βήματα ώστε να κατανοήσουμε το τι συμβαίνει σήμερα και πιθανά το τι θα συμβεί αύριο".