Masowe wymieranie w oceanach - to już niedługo

Źródło: MIT, Autor: Jennifer Chu/MIT News

Ziemia w ciągu minionych 540 mln lat przeszła przez 5 epizodów wielkiego wymierania. W każdym z nich udział miały procesy, które przewróciły do góry nogami normalny obieg węgla w atmosferze i oceanach. Te zaburzenia cyklu węglowego, narastające tysiącleciami czy milionami lat, miały fatalny wpływ na całą planetę i zbiegły się w czasie z globalną zagładą gatunków morskich.

Wielu naukowców zastanawia się, czy obecnie cykl węglowy doświadcza w wyniku naszej działalności równie poważnego zakłócenia. Na tyle poważnego, że mogłoby ono wypchnąć biosferę planety poza punkt, za którym rozpocznie się szóste masowe wymieranie. Współczesne emisje dwutlenku węgla ze spalania paliw kopalnych rosną stale od XIX wieku, jednak ustalenie, czy i kiedy ten gwałtowny wzrost może doprowadzić do wielkiego wymierania, jest dla nauki poważnym wyzwaniem. Przede wszystkim dlatego, że trudno jest porównać prehistoryczne anomalie stężenia CO2 wynikłe z procesów trwających tysiące czy miliony lat z obecnymi, mającymi miejsce w skali niewiele dłuższej niż stulecie.

Daniel Rothman, profesor geofizyki w MIT Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences oraz wicedyrektor Centrum Lorenza w MIT przeanalizował istotne zmiany, które zaszły w cyklu węglowym w ostatnich 540 milionach lat, wliczając w to 5 epizodów wielkiego wymierania. Zidentyfikował w ten sposób w cyklu węglowym „progi graniczne katastrofy”, których przekroczenie prowadzi do poważnej destabilizacji środowiska naturalnego i w rezultacie wymierania.

Według pracy opublikowanej w artykule w czasopiśmie Science Advances (Rothman 2017, [pełna wersja]), do masowego wymierania dochodzi wtedy, gdy zmiany w cyklu węglowym w dłuższej skali czasowej następują szybciej od możliwości adaptacji globalnego ekosystemu. Gdy zachodzą one w krótkim okresie, o prawdopodobieństwie wystąpienia wielkiego wymierania decyduje po prostu ich skala.

Na podstawie tego, że nasze emisje CO2 mają miejsce w relatywnie krótkim czasie, Rothman przypuszcza, że wystąpienie szóstego wielkiego wymierania w nieodległej przyszłości będzie zależeć od tego, czy do oceanów zostanie dodana pewna krytyczna ilość węgla. Według jego wyliczeń jest to około 310Gt węgla, czyli z grubsza tyle, ile dzięki ludzkiej aktywności trafi do oceanów przed rokiem 2100. Jak na razie do oceanów trafiło ok. 155GtC z całości naszych emisji – reszta znalazła się w atmosferze i ekosystemach lądowych.

Czy oznacza to rozpoczęcie masowego wymierania z początkiem nowego stulecia? Rothman uważa, że sama katastrofa – jak na katastrofy geologiczne ‘przystało’, zajmie więcej czasu – około 10 000 lat.

Nie oznacza to, że katastrofa rozpocznie się następnego dnia. Oznacza to, że pozbawiony kontroli cykl węglowy znajdzie się w nowej rzeczywistości, w której nie będzie już dłużej stabilny i przewidywalny. W geologicznej przeszłości taka sytuacja kojarzona jest z masowym wymieraniem.

- mówi.

Historia idzie za teorią

Ostatnia praca Rothmana dotyczyła wymierania z końca permu – największego w dotychczasowej historii globu – kiedy to na skutek ogromnego wyrzutu węgla do środowiska, z powierzchni planety znikło ponad 70% gatunków lądowych i 95% morskich. Dyskusje z kolegami prowadzone od czasu publikacji skłoniły go do postawienia podstawowego pytania: w jaki sposób porównać te rozgrywające się w ogromnych skalach czasowych wydarzenia z odległej przeszłości z tym, co dzieje się dziś, w ciągu maksymalnie stuleci?

Udało mu się wyprowadzić formułę matematyczną wykorzystującą podstawowe prawa fizyki, w której tempo i wartość zmiany stężenia CO2 pozwala odróżnić zmianę powolną, do której środowisko może się adaptować, od szybkiej i krytycznej dla tego środowiska. Wzór umożliwia przewidzenie wystąpienia w przyszłości masowego wymierania albo innego rodzaju globalnej katastrofy w zależności od przebiegu emisji dwutlenku węgla do atmosfery.

Rothman przetestował swoją formułę, jako przykłady wykorzystując zdarzenia z geologicznej historii Ziemi. Przeanalizowawszy setki opublikowanych artykułów z geochemii, zidentyfikował 31 zdarzeń w ostatnich 542 milionach lat, w trakcie których pojawiła się znacząca zmiana w ziemskim cyklu węglowym. Dla każdego z nich, w tym 5 masowych wymierań, Rothman wynotował informacje dotyczące wielkości emisji węgla pochodzenia organicznego do szybkiego cyklu węglowego (ustala się je na podstawie względnych koncentracji izotopu 13C do 12C, jak opisywaliśmy to w artykule Paleoklimatologia – co nam powie skład izotopowy węgla). Odnotował także, jak długo trwały te zmiany, po czym opracował matematyczną formułę pozwalającą obliczyć na podstawie odnotowanych wartości całkowitą masę węgla dodanego do oceanów w trakcie każdego z wydarzeń. Na koniec powiązał 2 rzeczy: masę węgla i skalę czasową wydarzenia.

Stało się oczywiste, że istniało specyficzne tempo zmian, którego system zasadniczo nie lubił.

Innymi słowy, naukowiec zaobserwował wspólny dla wszystkich wydarzeń punkt krytyczny. W przypadku większości z 31 zdarzeń nie został on przekroczony – choć zmiany cyklu węglowego były znaczne, to nie wystarczyły do katastrofalnego zdestabilizowania systemu. Odmiennie było w przypadku czterech z pięciu wymierań, wśród których najgorsze – permskie – znalazło się najdalej za „progiem granicznym katastrofy”.

Zadanie polegało teraz na tym, by odkryć, co to tak naprawdę oznacza.

Ukryty wyciek

Po dalszych analizach Rothman pokazał, że krytyczne tempo zmian, potrzebne do wywołania katastrofy, ma związek z procesami zachodzącymi wewnątrz naturalnego ziemskiego szybkiego cyklu węglowego. Ten cykl to zasadniczo pętla między fotosyntezą a oddychaniem. Ponieważ w normalnych warunkach nie cały węgiel pochłaniany z atmosfery na drodze fotosyntezy wraca do niej w wyniku oddychania (część pozostaje wbudowana w organizmy aż do ich śmierci), z pętli tej „wycieka” pewna ilość węgla organicznego. W szczególności resztki organizmów morskich opadają na dno oceanu, gdzie są zagrzebywane w osadach dennych i stopniowo usuwane z szybkiego cyklu węglowego.

zdjęcie przedstawia dno oceanu z niezbyt urozmaiconymi kolorystycznie bulwiastymi kamulcami

Zakwaszone wody w sąsiedztwie źródeł wulkanicznego CO2 to ilustracja tego, jak wyglądać może w przyszłości reszta oceanu. W praktyce żyje tu tylko jeden gatunek koralowców, który zdołał się przystosować do panujących tu warunków.

Gdy oceany pochłaniają CO2, zakwaszają się, a znajdujący się w głębinach węglan wapnia staje się mniej dostępny, co dokładniej opisaliśmy w tekście Mit: Zakwaszanie oceanu nie szkodzi morskim stworzeniom. Proces usuwania węgla z resztek organicznych do osadów zostaje zahamowany. Gdy „wyciek węgla” zostaje zatkany, rośnie ilość CO2 w szybkim cyklu węglowym, ten zaś robi się coraz mniej stabilny.

Rothamn określił później, że tempo emisji węgla ma znaczenie tylko w sytuacjach, gdy morski cykl węglowy może wrócić do równowagi po zaburzeniu – obecnie jest to około 10 000 lat. Jeśli zakłócenie pojawia się w krótszym czasie, to krytyczna wartość nie jest związana z tempem dodawania węgla do oceanów, ale z całkowitą ilością węgla dołożonego do szybkiego cyklu węglowego. Oba scenariusze prowadzą do tego, że nadwyżka węgla kumuluje się w szybkim cyklu węglowym, powodując globalne ocieplenie i zakwaszanie oceanów.

Granicą jest stulecie

Z krytycznego tempa oraz czasu osiągnięcia równowagi, Rothman wyliczył krytyczną masę węgla, którego pochłonięcie przez oceany oznacza przekroczenie „progu granicznego katastrofy” - jest to około 310Gt. Porównał te wyliczenia z całkowitą ilością węgla, jaka zostanie dodana do oceanów przed rokiem 2100 według IPCC. Projekcje IPCC obejmują 4 możliwe ścieżki emisji CO2: od scenariusza zakładającego rygorystyczne ograniczanie emisji (RCP2.6) do scenariusza „biznes-jak-zwykle” (RCP8.5).

Scenariusz najbardziej optymistyczny przewiduje, że ludzie do roku 2100 dodadzą do oceanów w sumie 300Gt węgla, a najbardziej pesymistyczny, że ponad 500GtC. Rothman wskazuje, że w przypadku każdego z tych scenariuszy, w roku 2100 cykl węglowy będzie blisko punktu krytycznego (w najbardziej optymistycznym scenariuszu redukcji emisji), albo daleko poza nim (w każdym innym).

Powinny być sposoby na ograniczenie [emisji CO2 do atmosfery]. Ta praca pokazuje jednak, dlaczego musimy uważać oraz że warto badać przeszłość, by zdobyć potrzebną nam wiedzę na temat współcześnie rozgrywających się wydarzeń.

Przedruk za zgodą/Reprinted with permission of MIT News

Tłumaczenie: Anna Sierpińska

Opublikowano: 2017-11-20 15:37
Tagi

ocean paleoklimatologia skutki zmiany klimatu zakwaszanie oceanu biosfera

Korzystanie z witryny bez zmiany ustawień przeglądarki oznacza akceptację polityki cookies.