Jesteśmy skuteczniejszym czynnikiem geologicznym niż wszystkie rzeki na świecie, mówi szef Komitetu Nauk Geologicznych PAN

Sztuczne zbiorniki wodne pochłaniają więcej węgla niż jeziora. O rzeźbie dna morskiego wiemy mniej niż o ukształtowaniu innych planet. Praca geologa może zaś przekładać się na realne ratowanie życia ludzi. O tym i wielu innych rzeczach w wywiadzie dla Nauki o Klimacie mówi prof. dr hab. Witold Szczuciński, przewodniczący Komitetu Nauk Geologicznych Polskiej Akademii Nauk.

Szymon Bujalski: Twierdzi pan, że badania osadów to „rodzaj niezwykle fascynującej pracy detektywistyczno-naukowej”. Dlaczego jest to aż tak fascynujące?

Prof. Witold Szczuciński: – Interesuje nas, co było kiedyś, a chyba każdy lubi takie zagadki i lubi odkrywać, jak do czegoś doszło. Książki historyczne sięgają do paru tysięcy lat wstecz, nie więcej. Tymczasem z „geologicznych książek” możemy poznać zapisy zdarzeń sprzed milionów lat.

A dlaczego jest to książka detektywistyczna? Bo z niej również dowiadujemy się, kto kogo zabił (np. dinozaury), kto wygrał, jakie królestwo rządziło (zwierzęta, rośliny, wulkany itp.). Do tego wszystkiego musimy dojść po wskazówkach zapisanych w obcym języku. Tym językiem są np. skład izotopowy skał, rozmiar i kształt ziarna piasku lub skład chemiczny mikroskamieniałości. My tego języka dopiero się uczymy i nadal będziemy odnajdywać w nim pewne słowa, których nigdy nie rozpoznamy. Będziemy więc zgadywać, kierując się poszlakami, niczym przy tłumaczeniu starożytnych tekstów.

Co o przeszłości mówią nam osady?

Na początku studiów bardzo mi się spodobały zajęcia z sedymentologii, czyli nauki o powstawaniu osadów i skał osadowych. Mogłem chodzić do kamieniołomów i oglądać piękne, warstwowane skały. W późniejszej pracy skupiałem się przede wszystkim na współczesnych procesach ich powstawania. To niezwykle ważne, bo jeśli chcemy zrozumieć przeszłość, najpierw musimy przyjrzeć się teraźniejszości. Była to dla mnie fantastyczna zabawa, interesowało mnie niemal każde ziarenko piasku. Moje podejście zmieniło się zaraz po doktoracie, gdy 20 lat temu zostałem wysłany  do Tajlandii, zaraz po katastrofalnym w skutkach tsunami. Wtedy zrozumiałem, że moje badania to nie tylko rozwiązywanie zagadek, zabawa i poszerzenie naszej wiedzy, ale też coś bardzo praktycznego.

To znaczy?

– Na przykład, badanie osadów pomaga określić, czy dane wybrzeże jest zagrożone taką katastrofą, jak tsunami w 2004 roku na Oceanie Indyjskim (np. u wybrzeży Tajlandii). Zginęło wtedy niemalże 300 tysięcy osób. Gdyby w 2004 r. ludzie wiedzieli to, czego później się dowiedzieliśmy „czytając” osady pozostawione przez podobne katastrofy z przeszłości, to liczba ofiar byłaby znacznie mniejsza. Po prostu odpowiednio wcześnie podjęto by odpowiednie kroki zapobiegawcze, wprowadzono systemy ostrzegania, drogi ewakuacyjne, a przede wszystkim uświadomiono mieszkańców o istnieniu takiego zagrożenia (posłuchaj podcastu o tsunami).

Inną praktyczną stroną mojej pracy jest „odczytywanie” dawnego klimatu. Nie mamy tu jednak takich narzędzi jak współcześni meteorologowie. Stąd często to, co „mierzymy”, to nie są takie parametry jak temperatura powietrza przy powierzchni Ziemi. Zwykle wskazówki geologiczne dotyczą czegoś innego, np. mówią nam jaka była średnia temperatura wód powierzchniowych oceanu. Nasze informacje mają też różną rozdzielczość, czasem są to uśrednione dane roczne, częściej jednak są to średnie z okresu 10, 100 czy 1000 lat.

Co niezwykle ważne, jako geologowie obserwujemy również mnogość skutków zmieniającego się klimatu w dłuższej skali czasu – w tym także to, które ze skutków mogą wzmacniać tę zmianę, a które osłabiać. Wiele z nich zachodzi w długiej perspektywie czasu. Obecna zmiana klimatu trwa zbyt krótko, żebyśmy mogli poznać pełną gamę potencjalnych powiązań i sprzężeń zwrotnych. Patrzenie w przeszłość daje nam więc możliwość zobaczenia tego, czego możemy spodziewać się w przyszłości. Pozyskiwane dzięki temu informacje można następnie wykorzystywać w modelach numerycznych.

W jaki sposób?

– Po pierwsze modele numeryczne możemy „testować” na danych z przeszłości. Po drugie, obserwacje z przeszłości podpowiadają jakie „pytania” uwzględnić w modelu, czemu należy się przyjrzeć. Weźmy na przykład obieg wody. W modelach numerycznych zasadniczo pyta się o wielkość opadów, ale już rzadziej o ich charakter, intensywność, sezonowość. Tymczasem z zapisów geologicznych wiemy, że kilkadziesiąt milionów lat temu, we wczesnym paleogenie, a więc w okresie znacznie cieplejszego klimatu, również obieg wody był inny. Obecnie w umiarkowanych szerokościach geograficznych, dominują rzeki meandrujące, jak na przykład Warta pod Poznaniem. Wówczas jednak rzeki płynęły szerokimi korytami, często zmienianymi, a wypełniające je osady były bardzo różnorodne, zawierające zarówno małe ziarenka, jak i pokaźne głazy. Wskazuje to na silniejszą sezonowość, rzeki mogły okresowo wysychać a płynęły ponownie po niezwykle gwałtownych opadach.

Prędkość obiegu wody determinuje też, ile osadów niosą rzeki do morza i czy powstają wielkie delty. Te ostatnie zaś są z kolei jednym z głównych miejsc sekwestracji węgla, czyli niejako „odcinania” węgla od szybkiego obiegu i wymiany z atmosferą przez pogrzebanie go w osadach. Pojawia się zatem cały cykl sprzężeń zwrotnych, które geologia pomaga odkryć.

Geologiczne magazyny węgla – nie tylko złoża paliw kopalnych

Wspomniał pan o ważnej rzeczy z perspektywy zmiany klimatu – magazynowaniu węgla. Jak pomocna w zrozumieniu tych procesów jest geologia?

– Obieg węgla był przedmiotem zainteresowań geologów od dekad – tylko często z nieco innego punktu widzenia. Współcześnie w wielu pracach przeglądowych pojawia się konkluzja, że wiemy sporo o obiegu węgla w atmosferze i biosferze, ale o pewnych elementach wciąż wiemy mało. Do tych ostatnich zalicza się tzw. carbon burial, czyli kwestia „pogrzebania” węgla w osadach. Można uznać, że to poniekąd węgiel „wycięty” z naturalnego obiegu.

Fiordy, które badam, zajmują mniej więcej 0,1% powierzchni oceanów. Można powiedzieć: drobiazg. Według różnych szacunków jest w nich jednak „pogrzebanych” ponad 11% węgla, który odkładany jest w osadach morskich. Zatem, pod tym względem, efektywność fiordów jest naprawdę duża.

Dlaczego tak się dzieje?

– Fiordy są głęboko wciętymi w ląd, głębokimi zatokami. Uchodzące do nich rzeki i lodowce niosą dużo  osadów, głównie mułu. Powoduje to, że na dnie fiordów szybko są odkładane duże ilości osadów, które „grzebią” opadający na dno węgiel. Ten węgiel w dużej mierze pochodzi z … atmosfery. Żyjący w wodach powierzchniowych fiordów fitoplankton pobiera węgiel z atmosfery, obumarłe szczątki planktonu opadają na dno, gdzie jest szybko „zasypywany” przez osady i odcinany od cyklu obiegu węgla. W takim przypadku możemy mówić o bardzo efektywnej sekwestracji węgla. 

Jednak nasza wiedza na temat tych procesów jest nadal ograniczona. Wystarczy wspomnieć, że ponad 70% powierzchni naszej planety to morza i oceany, o których podstawowych parametrach, takich jak rzeźba dna morskiego, wiemy znacznie mniej niż o ukształtowaniu niektórych planet. Na przykład rozdzielczość naszych map batymetrycznych [określają głębokość oraz kształt dna zbiorników wodnych i cieków wodnych – przyp. red.] jest o ponad rząd wielkości gorsza od map, które mamy dla powierzchni Marsa.

Jakie ekosystemy są najcenniejsze z perspektywy magazynowania węgla? Które warto odtwarzać lub ich nie dewastować?

 – Bardzo trudno jest określić rzeczywisty bilans węgla. Mówi się, że lasy równikowe są pochłaniaczami węgla, ale wiele prac wskazuje, że działają raczej w granicach równowagi. Na pewno istotne z tej perspektywy są jednak lasy namorzynowe [popularny widok w Azji, Afryce i Ameryce Południowej – przyp. red.], które rosną na wybrzeżach.

Bardzo ważne są też delty – czyli miejsca, gdzie rzeki uchodząc do morza odkładają ogromne ilości osadów, grzebiąc pokaźne ilości materii organicznej. Problemem jest jednak to, że współcześnie zdecydowana większość delt wielkich rzek ulega erozji, zmniejszeniu. Aby delta się rozwijała utrzymała, potrzebna jest stała dostawa osadu. Jednak większość wielkich rzek jest poprzegradzanych dziesiątkami tam. W powstających w ten sposób zbiornikach zaporowych akumulowane są ogromne ilości osadów. W ten sposób dochodzimy do kolejnego miejsca znacznej sekwestracji węgla, paradoksalnie tym razem antropogenicznego, czyli właśnie zbiorników zaporowych.

Sztuczne zbiorniki są istotnym magazynem węgla?

– Zgadza się. One aktualnie pochłaniają bardzo duże ilości węgla, więcej niż jeziora. Ale rzecz jasna odbywa się kosztem czegoś innego, czyli m.in. degradacji wspomnianych delt. Oczywiście czas życia takich zbiorników zaporowych jest ograniczony. Coraz częściej podejmuje się decyzje o ich likwidacji. Celem jest zwykle ponowne uwolnienie rzek, przywrócenie migracji ryb, odtworzenie środowiska i pewnych gatunków dawniej w nim funkcjonujących. Zniszczenie zapory jednak powoduje ponowne uwolnienie osadów i zmagazynowanego w nim węgla jak i różnych zanieczyszczeń.

Historia człowieka

Czy na podstawie osadów możemy poznać przyczyny rozwoju i upadku dawnych społeczności Homo sapiens i wcześniejszych hominidów?

– To zagadnienia, gdzie mamy niewiele faktów, a wiele zależy od naszej interpretacji. Dlatego jeśli chodzi o skalę kilkuset tysięcy lat czy nawet milionów lat, to możemy raczej tylko spekulować. Na przykład, niektórzy twierdzą, że dwunożność człowieka w dużej mierze była wymuszona zmianą klimatu. Częściowo miała ona być związana z ruchami tektonicznymi we wschodniej Afryce, które wymogły podniesienie rozległych obszarów. Zapis tych procesów mamy w osadach złożonych w dolinie ryftowej, gdzie znajdują się wielkie jeziora: Alberta, Niasa czy Tanganika. Podniesione fragmenty lądu znalazły się w nieco chłodniejszym i przede wszystkim bardziej suchym klimacie. Przez to niektóre obszary leśne zmieniły się w sawannę, to z kolei zapewne wymusiło, że przodkowie człowieka musieli ewoluować w kierunku dwunożności.

Bliżej naszych czasów możemy zastanawiać się nad rolą tzw. superwulkanów. Jeden z ostatnich wybuchów to eksplozja Toby na Sumatrze. To było już w okresie, kiedy Homo sapiens zaludniał naszą planetę [ok. 75 tys. lat temu – przyp. red.]. Jedni badacze nie dostrzegają znaczącego bezpośredniego wpływu tego wybuchu na ludzkość, inni wskazują na badanie genetyczne sugerujące, że ten wpływ był znaczący. Przedstawiciele tej drugiej grupy twierdzą, że współcześni ludzie wywodzą się z bardzo niewielkiej populacji tych, którzy przeżyli wybuch superwulkanu. Być może ludzie ci żyli w warunkach przypominających wulkaniczną zimę.

A jeśli spojrzymy na jeszcze bliższe czasy?

– To wiele wskazuje, że większość cywilizacji – rozwiniętych na mniejszą lub większą skalę – zakończyła się katastrofami. I że w dużej mierze wynikały one z zagłady środowiska, na którym się opierały. W 2004 r. Ronald Wright napisał książkę: „Krótka historia postępu” (A Short History of Progress). Opisuje w niej, że do wymarcia cywilizacji na Wyspie Wielkanocnej prawdopodobnie doprowadziło wyczerpanie zasobów, zwłaszcza tych zapewniających wyżywienie. Podobnie miało być w przypadku Sumeru i Babilonii, a także upadku Majów.

Historia klimatu

Klimatolodzy mogą ustalić, że obecnie mamy w atmosferze konkretną ilość cząstek CO₂, co odpowiada stanowi sprzed ok. 2,5 milionów lat. 

– I te wyniki pochodzą właśnie z danych geologicznych! Co więcej, wyniki opublikowane w zeszłym roku w Science przez duży zespół naukowców badających dawne stężenia CO₂ (The Cenozoic CO₂ Proxy Integration Project Consortium, 2023) wskazują, że podobnie wysokie stężenie CO₂ w atmosferze miało miejsce nie 3-5 milionów lat temu a wcześniej, bo 14-16 milionów lat temu. Te informacje pochodzą ze wskaźników, tzw. proxy, których część udało się skalibrować przez zestawienie ze współczesnymi warunkami. Czyli jesteśmy w stanie porównać, że np. mierzone aktualnie zmiany temperatury przekładają się na konkretną zmianę izotopową, mierzoną na przykład w koralowcach. Dzięki temu możemy znacznie precyzyjniej odpowiedzieć na pytania dotyczące tego, jak kiedyś było.

W przypadku pomiarów ilości dwutlenku węgla w przeszłości, najczęściej przytaczamy dane z rdzeni lodowych i zawartych w nich pęcherzyków powietrza. To jest nasze najprecyzyjniejsze przybliżenie tego, jak zmieniała się koncentracja dwutlenku węgla. I rzeczywiście dla ostatnich 800 tys. lat nie mamy okresu, który odpowiadałby aktualnemu stężeniu. Żeby taki odnaleźć, faktycznie trzeba sięgnąć przynajmniej kilka, kilkanaście milionów lat wstecz.

„Klimat zmieniał się więc od zawsze” – mogą powiedzieć denialiści klimatyczni.

– Rzeczywiście, z geologicznego punktu widzenia klimat zawsze się zmieniał. Niektórzy mogą powiedzieć, że na początku istnienia naszej planety atmosfera zbudowana niemal wyłącznie z dwutlenku węgla i metanu. Warto mieć przy tym na uwadze, że być może Słońce było jednak o ponad 20% słabsze, a dzięki temu, że w atmosferze było więcej gazów cieplarnianych, możliwe było utrzymanie na Ziemi wody w stanie ciekłym. W konsekwencji mogło zaś powstać życie.

Ale poza tym, że klimat i skład atmosfery zawsze się zmieniały, nigdy w historii nie było na Ziemi ponad 8 miliardów ludzi, którzy tak bardzo wpływaliby na klimat i których życie tak bardzo od klimatu byłoby uzależnione. Nasz stosunek do tego zależy od wyznawanych wartości. Czy wartością jest więc dla nas to, żebyśmy skupić się wyłącznie na naszych teraźniejszym życiu i dobrobycie, czy też wartością jest to, by pozostawić Ziemię przyszłym pokoleniom? Takie wartościowanie jest jednak czymś, co zdecydowanie wykracza poza domenę klimatologii czy geologii. To kwestia etyki i naszych codziennych wyborów.

Nie wchodząc więc w etykę, a skupiając się na geologii… Jeżeli przeszłość jest kluczem do przyszłości, to jaka przyszłość się przed nami rysuje?

– Niedawne, spoglądając na gwiazdy, miałem ciekawą rozmowę. Wniosek z niej był taki, że patrząc daleko w przeszłość – w światło, które dotarło do nas po milionach czy nawet miliardach lat, obserwując ruchy planet – można przewidzieć, w którym miejscu będzie Jowisz czy Mars nawet za kilkadziesiąt czy kilkaset lat. I można przewidzieć to znacznie skuteczniej niż ocenić, co będzie się działo w tym samym czasie na Ziemi.

Zrozumienie przeszłości może pomóc w pokazywaniu scenariuszy na przyszłość. Problem z przeszłością jest jednak taki, że nie wszystkie czynniki geologiczne występujące obecnie miały miejsce także w tamtych czasach. Jak już wspomniałem, podstawowe prawo geologiczne mówi, że teraźniejszość jest kluczem do przeszłości. Zakłada ono jednak, że procesy zachodzące obecnie, w ten czy nieco inny sposób, zachodziły też w przeszłości. Ale czy aby na pewno teraźniejszość zawsze może być takim kluczem?

Trwa dyskusja o antropocenie. Inaczej termin ten rozumieją socjologowie, inaczej filozofowie, jeszcze inaczej geologowie. Nie jest ważne, czy ostatecznie będzie to formalnie uznany nowy okres geologiczny, czy nie. Istotne jest, że z punktu widzenia zachodzących procesów i ich intensywności z pewnością się ten okres wyróżnia. Przywołam bardzo ciekawe badania Syvitskiego i współautorów (2022). Wzięto w nich pod uwagę ilość osadów niesionych w tym samym czasie przez rzeki, lodowce czy wiatr i porównano je z masą osadów „uruchomionych” przez człowieka. Czyli m.in. w wyniku eksploatacji paliw kopalnych, budowania autostrad i tworzenia nowych wysp, jak te w Dubaju.

Wniosek?

– Jesteśmy skuteczniejszym czynnikiem geologicznym niż naturalne procesy, niż wszystkie rzeki na świecie. Nie chodzi zatem tylko o zmiany składu gazów atmosferycznych, ale i o kształtowanie powierzchni Ziemi w dużej skali. Wracając do początkowej metafory detektywistycznej: kto jest tak naprawdę winnym, kto zabił? Ten, na którego wskazują wszystkie dowody (człowiek), czy ktoś, kto dokonuje zbrodni doskonałej i wcale tego nie widać?

Z pańskiej wypowiedzi wnioskuję, że jednak możemy mówić o antropocenie?

– Nauka nie jest głosowaniem. Jeżeli mam odpowiadać jako naukowiec, to obserwuję bardzo istotny wpływ człowieka również na środowisko geologiczne. Czy nazwiemy to antropocenem, czy nie – to kwestia terminologii.

Geozagrożenia

W swej pracy zajmuje się pan również geozagrożeniami, czyli zagrożeniami związanymi np. z silnymi wiatrami, powodziami, ruchami płyt tektonicznych. Dlaczego to ważne?

– Wcześniej wspominałem, że na początku byłem zafascynowany niemal każdym ziarenkiem piasku. Myślę jednak, że wszystkie osoby zajmujące się nauką wcześniej czy później spotykają się z pytaniem: no dobrze, ale jaki jest z tego pożytek dla ludzkości? W mojej pracy nie uratuję świata przed zagrożeniami, ale – zajmując się geozagrożeniami – mogę realnie przyczynić się do zwiększenia bezpieczeństwa ludzi tu i teraz.

Moje doświadczenia z tym związane zaczęły się od wspomnianego tsunami w Tajlandii. Później dokumentowałem sytuację po tsunami z 2011 r. w Japonii, badałem osady po sztormach i tsunami w Portugalii, na Nowej Funlandii, na Grenlandii, na wybrzeżach Bałtyku i w wielu innych miejscach.

Sztormy czy huragany to element bardzo mocno powiązany ze zmianą klimatu. Ale przy krótkiej skali czasowej i niewielkiej ilości danych historycznych trudno ustalić, czy częstotliwość i siła takich zjawisk wzrosła, czy nie. W tym celu musimy więc umieć wyczytać z osadów, czy i gdzie w przeszłości tego typu zdarzenia miały miejsce. Z jednej strony daje nam to informacje odnośnie paleoklimatologii [badania obejmujące okres sprzed instrumentalnych pomiarów temperatury – przyp. red.], z drugiej strony – wiedzę na temat the worst case scenario, czyli najgorszego możliwego scenariusza.

W jaki sposób z osadów możemy ustalić, że w danym miejscu był sztorm i miało to miejsce „x” lat temu?

– Widzi pan ten kamień? Ma on ponad 500 milionów lat. Na kamieniu tym wyraźnie widać różne warstwy. Każda z nich to historia. A teraz, proszę sobie teraz wyobrazić, że jesteśmy gdzieś na przybrzeżnym torfowisku, które też zapisuje historię. Zwykle na takim torfowisku mamy torf, roślinność bagienną. Ale co może się zdarzyć, jeśli nadejdzie wielki huragan?

Dochodzi wówczas do falowania, w związku z bardzo niskim ciśnieniem podnosi się poziom wody, a przez silny wiatr masy wodne są dopychane do wybrzeża. Bardzo często efektem takiego wielkiego huraganu jest więc powódź. A gdy wody morskie wlewają się na ląd, co robią przy okazji? 

Przenoszą osady.

– Dokładnie. Zabierają osad, piasek, muł, i przenoszą to wszystko na ląd. Gdy po huraganie wszystko się uspokaja, roślinność częściowo zaczyna na nowo rosnąć. I potem przychodzą naukowcy, wiercą w takim przemienionym torfowisku i wyciągają rdzeń osadu, czyli tę naszą „książkę”. A później wyczytują z niej, że odtąd dotąd mieliśmy cały czas torfowisko, bo wskazują na to osady i szczątki roślin. Ale widać też ziarna piasku. Tylko skąd tu piasek? Przecież dookoła niczego nie ma. Z plaży? Możliwe, ale to by musiało być coś ekstremalnego. Więc szukamy dalej w tym piasku i okazuje się, że jego skład chemiczny wykazuje podwyższoną ilość składników typowych dla wody morskiej (m.in. sodu). Znajdujemy też morskie organizmy, mikroorganizmy, szczątki otwornic. Ostatnio coraz częściej badamy też kopalne DNA, które bywa „przyczepione” do osadu.

Co ważne, z tego przykładowego torfowiska jesteśmy w stanie pobrać wiele rdzeni – na przykład w profilu prostopadłym do wybrzeża. Pozwala to nam zobaczyć, że np. blisko brzegu istnieje 10 warstw, a daleko od brzegu są już tylko dwie. Na tej podstawie możemy wnioskować, przynajmniej w jakiś uproszczony sposób, jak duże były dane zjawiska, jak daleko w głąb sięgały zalewy. 

To wiem już, skąd wiadomo, co się stało. Ale skąd wiadomo kiedy?

– To jest osobna działka, którą też trochę się zajmujemy. W instytucie posiadamy laboratorium spektrometrii promieniowania gamma. Wykorzystujemy w nim radioizotopy ²¹⁰Pb i ¹³⁷Cs, do datowania osadów do ponad 100 lat wstecz. Z kolei węgiel ¹⁴C i inne izotopy używane są do datowania starszych szczątków. Dzięki temu jesteśmy w stanie określić wiek poszczególnych warstw osadów. Na tej podstawie budujemy model, który pozwala nam z mniejszym lub większym przybliżeniem określić, kiedy dochodziło do kolejnych zdarzeń i z jaką częstotliwością.

Niejednokrotnie mamy więc do rozwiązania naprawdę bardzo detektywistyczne geologiczne historie.

Rozmawiał Szymon Bujalski

Prof. dr hab. Witold Szczuciński studiował geologię na Uniwersytecie im. Adama Mickiewicza w Poznaniu oraz Coastal Geosciences and Engineering na Uniwersytecie w Kilonii (Niemcy).  Specjalizuje się w badaniu osadów, procesów prowadzących do ich powstania oraz zachowanych w nich zapisów zmian klimatycznych i środowiskowych, szczególnie tych związanych ze zdarzeniami ekstremalnymi. Jest przewodniczącym Komitetu Nauk Geologicznych Polskiej Akademii Nauk i kierownikiem Pracowni Geozagrożeń w Instytucie Geologii UAM.