Badania przeprowadzone przez naukowców z MIT potwierdzają, iż Ziemia kryje w sobie mechanizm "stabilizującego sprzężenia zwrotnego", który działa przez setki tysięcy lat, aby odciągnąć klimat od krawędzi, utrzymując globalną temperaturę w stałym, nadającym się do zamieszkania zakresie.
Ziemia widziana z kosmosu Duże w nowym oknie >>
Jak to się dzieje? Prawdopodobnym mechanizmem jest "wietrzenie krzemianowe" - proces geologiczny, w którym powolne i stałe wietrzenie skał krzemianowych pociąga za sobą reakcje chemiczne, które ostatecznie wyciągają dwutlenek węgla z atmosfery i wrzucają go do osadów oceanicznych, zatrzymując w skałach.
Naukowcy od dawna podejrzewają, iż wietrzenie krzemianów odgrywa istotną rolę w regulacji ziemskiego cyklu węglowego. Mechanizm wietrzenia krzemianów mógłby zapewnić geologicznie stałą siłę w utrzymywaniu dwutlenku węgla i globalnych temperatur w ryzach. Jednak nigdy nie było bezpośrednich dowodów na ciągłe działanie takiego sprzężenia zwrotnego, aż do teraz.
Nowe ustalenia oparte są na badaniu danych paleoklimatycznych, które rejestrują zmiany średnich temperatur globalnych w ciągu ostatnich 66 milionów lat. Zespół z MIT zastosował analizę matematyczną, aby sprawdzić, czy dane te ujawniają jakieś wzorce charakterystyczne dla zjawisk stabilizujących, które ograniczają globalne temperatury w geologicznej skali czasowej.
Stwierdzili, iż rzeczywiście istnieje spójny wzór, w którym wahania temperatury na Ziemi są tłumione w skali czasowej setek tysięcy lat. Czas trwania tego efektu jest podobny do okresów, w których przewiduje się działanie wietrzenia krzemianowego.
Wyniki te są pierwszymi, które wykorzystują rzeczywiste dane do potwierdzenia istnienia stabilizującego sprzężenia zwrotnego, którego mechanizmem jest prawdopodobnie wietrzenie krzemianów. To stabilizujące sprzężenie zwrotne wyjaśniłoby, jak Ziemia pozostała zdatna do zamieszkania przez dramatyczne wydarzenia klimatyczne w przeszłości geologicznej.
"Z jednej strony to dobrze, bo wiemy, iż dzisiejsze globalne ocieplenie w końcu zostanie zniwelowane przez to stabilizujące sprzężenie zwrotne" - mówi Constantin Arnscheidt, student studiów magisterskich na Wydziale Nauk o Ziemi, Atmosferze i Planetarnych (EAPS) MIT. "Ale z drugiej strony, zajmie to setki tysięcy lat, więc nie na tyle szybko, by rozwiązać nasze obecne problemy".
Współautorami badania są Arnscheidt i Daniel Rothman, profesor geofizyki na MIT.
Dane lepszej jakości
Naukowcy już wcześniej dostrzegli wskazówki dotyczące stabilizującego klimat efektu w ziemskim cyklu węglowym: Analizy chemiczne starożytnych skał wykazały, iż strumień węgla do i ze środowiska powierzchniowego Ziemi pozostał względnie zrównoważony, choćby przez dramatyczne wahania temperatury globalnej. Co więcej, modele wietrzenia krzemianów przewidują, iż proces ten powinien mieć pewien stabilizujący wpływ na globalny klimat. I wreszcie, fakt, iż Ziemia jest stale zamieszkana, wskazuje na pewną nieodłączną, geologiczną kontrolę ekstremalnych wahań temperatury.
"Macie planetę, której klimat został poddany tak wielu dramatycznym zmianom zewnętrznym. Dlaczego życie przetrwało przez cały ten czas? Jednym z argumentów jest to, iż potrzebujemy jakiegoś mechanizmu stabilizującego, aby utrzymać temperatury odpowiednie dla życia" - mówi Arnscheidt. "Ale nigdy nie wykazano na podstawie danych, iż taki mechanizm konsekwentnie kontrolował klimat Ziemi".
Arnscheidt i Rothman starali się potwierdzić, czy stabilizujące sprzężenie zwrotne rzeczywiście działa, patrząc na dane dotyczące globalnych wahań temperatury w historii geologicznej. Pracowali z szeregiem zapisów temperatury globalnej skompilowanych przez innych naukowców, z chemicznym składem starożytnych morskich skamielin i muszli, jak również zachowanych rdzeni lodowych z Antarktydy.
"Całe to badanie jest możliwe tylko dlatego, iż nastąpił wielki postęp w poprawie rozdzielczości tych głębinowych zapisów temperatury" - zauważa Arnscheidt. "Teraz mamy dane sięgające 66 milionów lat wstecz, z punktami danych oddalonymi od siebie najwyżej o tysiące lat".
Co stabilizuje temperaturę Ziemi w okresach dłuższych niż milion lat
Do danych zespół zastosował matematyczną teorię stochastycznych równań różniczkowych, która jest powszechnie stosowana do ujawniania wzorców w zbiorach danych o dużej zmienności.
"Zdaliśmy sobie sprawę, iż ta teoria pozwala przewidzieć, jak wyglądałaby historia temperatury na Ziemi, gdyby istniały sprzężenia zwrotne działające na określonych skalach czasowych" - wyjaśnia Arnscheidt.
Używając tego podejścia, zespół przeanalizował historię średnich temperatur globalnych w ciągu ostatnich 66 milionów lat, rozważając cały okres w różnych skalach czasowych, takich jak dziesiątki tysięcy lat w porównaniu z setkami tysięcy, aby zobaczyć, czy jakiekolwiek wzorce stabilizującego sprzężenia zwrotnego pojawiły się w każdej skali czasowej.
"Do pewnego stopnia jest to tak, jakby twój samochód pędził ulicą, a kiedy naciskasz na hamulce, ślizgasz się przez długi czas, zanim się zatrzymasz" - mówi Rothman. "Istnieje skala czasowa, w której opór tarcia, lub stabilizujące sprzężenie zwrotne, wkracza, gdy system powraca do stanu ustalonego".
Bez stabilizujących sprzężeń zwrotnych, fluktuacje globalnej temperatury powinny rosnąć wraz z upływem czasu. Jednak analiza zespołu ujawniła reżim, w którym wahania nie rosły, co sugeruje, iż mechanizm stabilizujący panował w klimacie, zanim wahania stały się zbyt ekstremalne. Skala czasowa tego stabilizującego efektu - setki tysięcy lat - pokrywa się z tym, co naukowcy przewidują dla wietrzenia krzemianów.
Co ciekawe, Arnscheidt i Rothman stwierdzili, iż w dłuższych okresach czasu dane nie ujawniły żadnych stabilizujących sprzężeń zwrotnych. To znaczy, nie wydaje się, aby istniało jakiekolwiek powtarzające się cofanie się globalnych temperatur w okresach dłuższych niż milion lat. Co zatem w tych dłuższych przedziałach czasowych utrzymywało globalne temperatury w ryzach?
"Istnieje pomysł, iż przypadek mógł odegrać główną rolę w ustaleniu, dlaczego po ponad 3 miliardach lat życie przez cały czas istnieje" - oferuje Rothman.
Innymi słowy, w miarę jak temperatury na Ziemi zmieniają się na dłuższych odcinkach, może się zdarzyć, iż te wahania są wystarczająco małe w sensie geologicznym, aby znajdować się w zakresie, w którym stabilizujące sprzężenie zwrotne, takie jak wietrzenie krzemianów, mogłoby okresowo utrzymywać klimat w ryzach, a co więcej, w strefie nadającej się do zamieszkania.
"Istnieją dwa obozy: Jedni mówią, iż przypadek jest wystarczająco dobrym wyjaśnieniem, a inni, iż musi istnieć stabilizujące sprzężenie zwrotne" - mówi Arnscheidt. "Jesteśmy w stanie pokazać, bezpośrednio z danych, iż odpowiedź jest prawdopodobnie gdzieś pomiędzy. Innymi słowy, istniała pewna stabilizacja, ale czyste szczęście prawdopodobnie również odegrało rolę w utrzymaniu Ziemi w stanie ciągłego zamieszkania."
Źródło: Phys.org: Earth can regulate its own temperature over millennia, new study finds
Constantin Arnscheidt --> Science Advances --> Presence or absence of stabilizing Earth system feedbacks on different timescales --> DOI: 10.1126/sciadv.adc9241
Naukowcy od dawna podejrzewają, iż wietrzenie krzemianów odgrywa istotną rolę w regulacji ziemskiego cyklu węglowego. Mechanizm wietrzenia krzemianów mógłby zapewnić geologicznie stałą siłę w utrzymywaniu dwutlenku węgla i globalnych temperatur w ryzach. Jednak nigdy nie było bezpośrednich dowodów na ciągłe działanie takiego sprzężenia zwrotnego, aż do teraz.
Nowe ustalenia oparte są na badaniu danych paleoklimatycznych, które rejestrują zmiany średnich temperatur globalnych w ciągu ostatnich 66 milionów lat. Zespół z MIT zastosował analizę matematyczną, aby sprawdzić, czy dane te ujawniają jakieś wzorce charakterystyczne dla zjawisk stabilizujących, które ograniczają globalne temperatury w geologicznej skali czasowej.
Stwierdzili, iż rzeczywiście istnieje spójny wzór, w którym wahania temperatury na Ziemi są tłumione w skali czasowej setek tysięcy lat. Czas trwania tego efektu jest podobny do okresów, w których przewiduje się działanie wietrzenia krzemianowego.
Wyniki te są pierwszymi, które wykorzystują rzeczywiste dane do potwierdzenia istnienia stabilizującego sprzężenia zwrotnego, którego mechanizmem jest prawdopodobnie wietrzenie krzemianów. To stabilizujące sprzężenie zwrotne wyjaśniłoby, jak Ziemia pozostała zdatna do zamieszkania przez dramatyczne wydarzenia klimatyczne w przeszłości geologicznej.
"Z jednej strony to dobrze, bo wiemy, iż dzisiejsze globalne ocieplenie w końcu zostanie zniwelowane przez to stabilizujące sprzężenie zwrotne" - mówi Constantin Arnscheidt, student studiów magisterskich na Wydziale Nauk o Ziemi, Atmosferze i Planetarnych (EAPS) MIT. "Ale z drugiej strony, zajmie to setki tysięcy lat, więc nie na tyle szybko, by rozwiązać nasze obecne problemy".
Współautorami badania są Arnscheidt i Daniel Rothman, profesor geofizyki na MIT.
Dane lepszej jakości
Naukowcy już wcześniej dostrzegli wskazówki dotyczące stabilizującego klimat efektu w ziemskim cyklu węglowym: Analizy chemiczne starożytnych skał wykazały, iż strumień węgla do i ze środowiska powierzchniowego Ziemi pozostał względnie zrównoważony, choćby przez dramatyczne wahania temperatury globalnej. Co więcej, modele wietrzenia krzemianów przewidują, iż proces ten powinien mieć pewien stabilizujący wpływ na globalny klimat. I wreszcie, fakt, iż Ziemia jest stale zamieszkana, wskazuje na pewną nieodłączną, geologiczną kontrolę ekstremalnych wahań temperatury.
"Macie planetę, której klimat został poddany tak wielu dramatycznym zmianom zewnętrznym. Dlaczego życie przetrwało przez cały ten czas? Jednym z argumentów jest to, iż potrzebujemy jakiegoś mechanizmu stabilizującego, aby utrzymać temperatury odpowiednie dla życia" - mówi Arnscheidt. "Ale nigdy nie wykazano na podstawie danych, iż taki mechanizm konsekwentnie kontrolował klimat Ziemi".
Arnscheidt i Rothman starali się potwierdzić, czy stabilizujące sprzężenie zwrotne rzeczywiście działa, patrząc na dane dotyczące globalnych wahań temperatury w historii geologicznej. Pracowali z szeregiem zapisów temperatury globalnej skompilowanych przez innych naukowców, z chemicznym składem starożytnych morskich skamielin i muszli, jak również zachowanych rdzeni lodowych z Antarktydy.
"Całe to badanie jest możliwe tylko dlatego, iż nastąpił wielki postęp w poprawie rozdzielczości tych głębinowych zapisów temperatury" - zauważa Arnscheidt. "Teraz mamy dane sięgające 66 milionów lat wstecz, z punktami danych oddalonymi od siebie najwyżej o tysiące lat".
Co stabilizuje temperaturę Ziemi w okresach dłuższych niż milion lat
Do danych zespół zastosował matematyczną teorię stochastycznych równań różniczkowych, która jest powszechnie stosowana do ujawniania wzorców w zbiorach danych o dużej zmienności.
"Zdaliśmy sobie sprawę, iż ta teoria pozwala przewidzieć, jak wyglądałaby historia temperatury na Ziemi, gdyby istniały sprzężenia zwrotne działające na określonych skalach czasowych" - wyjaśnia Arnscheidt.
Używając tego podejścia, zespół przeanalizował historię średnich temperatur globalnych w ciągu ostatnich 66 milionów lat, rozważając cały okres w różnych skalach czasowych, takich jak dziesiątki tysięcy lat w porównaniu z setkami tysięcy, aby zobaczyć, czy jakiekolwiek wzorce stabilizującego sprzężenia zwrotnego pojawiły się w każdej skali czasowej.
"Do pewnego stopnia jest to tak, jakby twój samochód pędził ulicą, a kiedy naciskasz na hamulce, ślizgasz się przez długi czas, zanim się zatrzymasz" - mówi Rothman. "Istnieje skala czasowa, w której opór tarcia, lub stabilizujące sprzężenie zwrotne, wkracza, gdy system powraca do stanu ustalonego".
Bez stabilizujących sprzężeń zwrotnych, fluktuacje globalnej temperatury powinny rosnąć wraz z upływem czasu. Jednak analiza zespołu ujawniła reżim, w którym wahania nie rosły, co sugeruje, iż mechanizm stabilizujący panował w klimacie, zanim wahania stały się zbyt ekstremalne. Skala czasowa tego stabilizującego efektu - setki tysięcy lat - pokrywa się z tym, co naukowcy przewidują dla wietrzenia krzemianów.
Co ciekawe, Arnscheidt i Rothman stwierdzili, iż w dłuższych okresach czasu dane nie ujawniły żadnych stabilizujących sprzężeń zwrotnych. To znaczy, nie wydaje się, aby istniało jakiekolwiek powtarzające się cofanie się globalnych temperatur w okresach dłuższych niż milion lat. Co zatem w tych dłuższych przedziałach czasowych utrzymywało globalne temperatury w ryzach?
"Istnieje pomysł, iż przypadek mógł odegrać główną rolę w ustaleniu, dlaczego po ponad 3 miliardach lat życie przez cały czas istnieje" - oferuje Rothman.
Innymi słowy, w miarę jak temperatury na Ziemi zmieniają się na dłuższych odcinkach, może się zdarzyć, iż te wahania są wystarczająco małe w sensie geologicznym, aby znajdować się w zakresie, w którym stabilizujące sprzężenie zwrotne, takie jak wietrzenie krzemianów, mogłoby okresowo utrzymywać klimat w ryzach, a co więcej, w strefie nadającej się do zamieszkania.
"Istnieją dwa obozy: Jedni mówią, iż przypadek jest wystarczająco dobrym wyjaśnieniem, a inni, iż musi istnieć stabilizujące sprzężenie zwrotne" - mówi Arnscheidt. "Jesteśmy w stanie pokazać, bezpośrednio z danych, iż odpowiedź jest prawdopodobnie gdzieś pomiędzy. Innymi słowy, istniała pewna stabilizacja, ale czyste szczęście prawdopodobnie również odegrało rolę w utrzymaniu Ziemi w stanie ciągłego zamieszkania."
Źródło: Phys.org: Earth can regulate its own temperature over millennia, new study finds
Constantin Arnscheidt --> Science Advances --> Presence or absence of stabilizing Earth system feedbacks on different timescales --> DOI: 10.1126/sciadv.adc9241
