Το κλίμα της Γης έχει υποστεί μεγάλες αλλαγές: καταστροφικές εκρήξεις ηφαιστείων, παγετώδεις εποχές που έβαλαν τον πλανήτη μας στην «κατάψυξη», δραματικές αλλαγές στην ηλιακή ακτινοβολία. Και παρ΄όλα αυτά, η ζωή, τα τελευταία 3,7 δισεκατομμύρια χρόνια, συνεχίζει να υπάρχει.
Τώρα, μια μελέτη ερευνητών του ΜΙΤ στο Science Advances επιβεβαιώνει ότι ο πλανήτης μας διαθέτει έναν μηχανισμό «σταθεροποιητικής ανατροφοδότηση» (stabilizing feedback) που δρα επί εκατοντάδες χιλιάδες χρόνια για να ανασύρει το κλίμα από το χείλος του γκρεμού, διατηρώντας τις παγκόσμιες θερμοκρασίες σε ένα σταθερό, κατοικήσιμο επίπεδο.
Πώς ακριβώς το επιτυγχάνει αυτό; Ένας πιθανός μηχανισμός είναι η «πυριτική αποσάθρωση» (silicate weathering). Μία γεωλογική διαδικασία κατά την οποία η αργή και σταθερή αποσάθρωση των πετρωμάτων πυριτίου περιλαμβάνει χημικές αντιδράσεις που τελικά απορροφούν διοξείδιο του άνθρακα από την ατμόσφαιρα στέλνοντάς τα στα ωκεάνια ιζήματα, παγιδεύοντας τα αέρια στα πετρώματα.
Οι επιστήμονες υποπτεύονται εδώ και καιρό ότι η πυριτική αποσάθρωση παίζει σημαντικό ρόλο στη ρύθμιση του κύκλου του άνθρακα στη Γη. Ο μηχανισμός της διάβρωσης των αλάτων πυριτίου θα μπορούσε να αποτελέσει μια γεωλογικά σταθερή δύναμη για τη διατήρηση του διοξειδίου του άνθρακα – και της παγκόσμιας θερμοκρασίας – υπό έλεγχο. Αλλά ποτέ δεν υπήρχαν άμεσες αποδείξεις για τη συνεχή λειτουργία μιας τέτοιας ανατροφοδότησης, μέχρι τώρα.
Τα αποτελέσματα είναι τα πρώτα που χρησιμοποιούν πραγματικά δεδομένα για να επιβεβαιώσουν την ύπαρξη μιας σταθεροποιητικής ανατροφοδότηση, ο μηχανισμός της οποίας είναι πιθανότατα η πυριτική αποσάθρωση. Το stabilizing feedback θα εξηγούσε πώς η Γη παρέμεινε κατοικήσιμη μέσα από τόσα δραματικά κλιματικά φαινόμενα στο γεωλογικό της παρελθόν.
«Από τη μία πλευρά, είναι καλό γιατί γνωρίζουμε ότι η σημερινή υπερθέρμανση του πλανήτη θα “ακυρωθεί” τελικά μέσω αυτής της σταθεροποιητικής ανάδρασης», λέει ο Constantin Arnscheidt, μεταπτυχιακός φοιτητής στο Τμήμα Επιστημών της Γης, της Ατμόσφαιρας και των Πλανητών (EAPS) του ΜΙΤ. «Αλλά από την άλλη πλευρά, θα χρειαστούν εκατοντάδες χιλιάδες χρόνια για να συμβεί, άρα όχι αρκετά γρήγορα για να λύσουμε τα σημερινά μας προβλήματα».
Τη μελέτη συνυπογράφουν ο Arnscheidt και ο Daniel Rothman, καθηγητής γεωφυσικής στο MIT.
Σταθερότητα των δεδομένων
Οι επιστήμονες έχουν δει στο παρελθόν ενδείξεις για ένα φαινόμενο σταθεροποίησης του κλίματος (climate-stabilizing effect ) στον κύκλο του άνθρακα της Γης. Χημικές αναλύσεις αρχαίων πετρωμάτων έδειξαν ότι η ροή του άνθρακα μέσα και έξω από το επιφανειακό περιβάλλον της Γης παρέμεινε σχετικά ισορροπημένη, ακόμη και κατά τη διάρκεια δραματικών διακυμάνσεων της παγκόσμιας θερμοκρασίας.
Επιπλέον, τα silicate weathering μοντέλα προβλέπουν ότι η διαδικασία αυτή θα πρέπει να έχει κάποια σταθεροποιητική επίδραση στο παγκόσμιο κλίμα. Και τέλος, το γεγονός της διαρκούς κατοικησιμότητας της Γης υποδηλώνει κάποιον εγγενή, γεωλογικό έλεγχο των ακραίων διακυμάνσεων της θερμοκρασίας.
«Έχουμε έναν πλανήτη του οποίου το κλίμα υπέστη πολλές δραματικές εξωτερικές αλλαγές. Γιατί η ζωή επιβίωσε όλο αυτό το διάστημα; Ένα επιχείρημα είναι ότι χρειαζόμαστε κάποιου είδους σταθεροποιητικό μηχανισμό για να διατηρήσουμε τις θερμοκρασίες κατάλληλες για ζωή», λέει ο Arnscheidt. «Αλλά ποτέ δεν έχει αποδειχθεί από τα δεδομένα ότι ένας τέτοιος μηχανισμός έλεγχε σταθερά το κλίμα της Γης».
Οι Arnscheidt και Rothman προσπάθησαν να επιβεβαιώσουν αν όντως υπάρχει μια σταθεροποιητική ανάδραση, εξετάζοντας δεδομένα για τις διακυμάνσεις της παγκόσμιας θερμοκρασίας κατά τη διάρκεια της γεωλογικής ιστορίας. Εργάστηκαν με μια σειρά από αρχεία παγκόσμιας θερμοκρασίας που συνέταξαν άλλοι επιστήμονες, από τη χημική σύνθεση αρχαίων θαλάσσιων απολιθωμάτων και κελυφών, καθώς και από διατηρημένους πυρήνες πάγου της Ανταρκτικής.
«Όλη αυτή η μελέτη είναι δυνατή μόνο επειδή έχουν σημειωθεί μεγάλες πρόοδοι στη βελτίωση της ανάλυσης αυτών των καταγραφών της θερμοκρασίας των βαθιών θαλασσών», σημειώνει ο Arnscheidt. «Τώρα έχουμε δεδομένα που πηγαίνουν πίσω 66 εκατομμύρια χρόνια, με σημεία δεδομένων που απέχουν χιλιάδες χρόνια μεταξύ τους».
Επιτάχυνση μέχρι να σταματήσει
Στα δεδομένα, η ομάδα εφάρμοσε τη μαθηματική θεωρία των στοχαστικών διαφορικών εξισώσεων (stochastic differential equations), η οποία χρησιμοποιείται συνήθως για την αποκάλυψη μοτίβων σε σύνολα δεδομένων με μεγάλες διακυμάνσεις.
«Αντιληφθήκαμε ότι αυτή η θεωρία κάνει προβλέψεις για το πώς θα έμοιαζε η ιστορία της θερμοκρασίας της Γης, αν υπήρχαν ανατροφοδοτήσεις που δρούσαν σε συγκεκριμένες χρονικές κλίμακες», εξηγεί ο Arnscheidt. Χρησιμοποιώντας αυτή την προσέγγιση, η ομάδα ανέλυσε το ιστορικό των μέσων παγκόσμιων θερμοκρασιών των τελευταίων 66 εκατομμυρίων ετών, εξετάζοντας ολόκληρη την περίοδο σε διαφορετικές χρονικές κλίμακες, όπως δεκάδες χιλιάδες χρόνια έναντι εκατοντάδων χιλιάδων, για να διαπιστώσει αν προέκυψαν μοτίβα σταθεροποιητικής ανάδρασης σε κάθε χρονική κλίμακα.
«Σε κάποιο βαθμό, είναι σαν το αυτοκίνητό σας να τρέχει με μεγάλη ταχύτητα στο δρόμο και ενώ πατάτε φρένο, γλιστράτε για μεγάλο χρονικό διάστημα πριν σταματήσετε», λέει ο Rothman. «Υπάρχει μια χρονική κλίμακα κατά την οποία η αντίσταση τριβής, ή μία σταθεροποιητική ανάδραση, αρχίζει να λειτουργεί, όταν το σύστημα επιστρέφει πλέον σε σταθερή κατάσταση».
Χωρίς σταθεροποιητικές ανατροφοδοτήσεις, οι διακυμάνσεις της παγκόσμιας θερμοκρασίας θα πρέπει να αυξάνονται με τη χρονική κλίμακα. Όμως, η ανάλυση της ομάδας αποκάλυψε ένα μοτίβο στο οποίο οι διακυμάνσεις δεν αυξάνονταν, υποδηλώνοντας ότι ένας σταθεροποιητικός μηχανισμός κυριαρχούσε στο κλίμα πριν οι διακυμάνσεις γίνουν πολύ ακραίες. Η χρονική κλίμακα αυτού του σταθεροποιητικού αποτελέσματος – εκατοντάδες χιλιάδες χρόνια – συμπίπτει με αυτό που προβλέπουν οι επιστήμονες για τη διάβρωση των πυριτικών αλάτων.
Είναι ενδιαφέρον ότι οι Arnscheidt και Rothman διαπίστωσαν ότι σε μεγαλύτερες χρονικές κλίμακες, τα δεδομένα δεν αποκαλύπτουν σταθεροποιητικές αναδράσεις. Δηλαδή, δεν φαίνεται να υπάρχει κάποια επαναλαμβανόμενη παρεμπόδιση των παγκόσμιων θερμοκρασιών σε χρονικές κλίμακες μεγαλύτερες από ένα εκατομμύριο χρόνια. Σε αυτές τις μεγαλύτερες χρονικές κλίμακες, λοιπόν, τι κράτησε τις παγκόσμιες θερμοκρασίες υπό έλεγχο;
«Υπάρχει η θεωρία ότι η “τύχη” μπορεί να έπαιξε σημαντικό ρόλο στον καθορισμό του γιατί, μετά από περισσότερα από 3 δισεκατομμύρια χρόνια, η ζωή εξακολουθεί να υπάρχει», σχολιάζει ο Rothman.
Με άλλα λόγια, καθώς οι θερμοκρασίες της Γης κυμαίνονται σε μεγαλύτερα χρονικά διαστήματα, αυτές οι διακυμάνσεις μπορεί να είναι αρκετά μικρές με τη γεωλογική έννοια, ώστε να βρίσκονται σε ένα εύρος που μια σταθεροποιητική ανατροφοδότηση, όπως η διάβρωση πυριτικών αλάτων, θα μπορούσε περιοδικά να διατηρεί το κλίμα υπό έλεγχο, και πιο συγκεκριμένα, εντός μιας κατοικήσιμης ζώνης.
«Υπάρχουν δύο στρατόπεδα», λέει ο Arnscheidt. «Κάποιοι λένε ότι η τύχη είναι μια αρκετά καλή εξήγηση και άλλοι λένε ότι πρέπει να υπάρχει μια σταθεροποιητική ανατροφοδότηση. Είμαστε σε θέση να δείξουμε, απευθείας από τα δεδομένα, ότι η απάντηση είναι μάλλον κάπου στο ενδιάμεσο. Με άλλα λόγια, υπήρξε κάποια σταθεροποίηση, αλλά η καθαρή τύχη πιθανότατα έπαιξε επίσης ρόλο στο να παραμένει η Γη κατοικήσιμη».
Με πληροφορίες από: The Brighter Side News
Το κλίμα της Γης έχει υποστεί μεγάλες αλλαγές: καταστροφικές εκρήξεις ηφαιστείων, παγετώδεις εποχές που έβαλαν τον πλανήτη μας στην «κατάψυξη», δραματικές αλλαγές στην ηλιακή ακτινοβολία. Και παρ΄όλα αυτά, η ζωή, τα τελευταία 3,7 δισεκατομμύρια χρόνια, συνεχίζει να υπάρχει.
Τώρα, μια μελέτη ερευνητών του ΜΙΤ στο Science Advances επιβεβαιώνει ότι ο πλανήτης μας διαθέτει έναν μηχανισμό «σταθεροποιητικής ανατροφοδότηση» (stabilizing feedback) που δρα επί εκατοντάδες χιλιάδες χρόνια για να ανασύρει το κλίμα από το χείλος του γκρεμού, διατηρώντας τις παγκόσμιες θερμοκρασίες σε ένα σταθερό, κατοικήσιμο επίπεδο.
Πώς ακριβώς το επιτυγχάνει αυτό; Ένας πιθανός μηχανισμός είναι η «πυριτική αποσάθρωση» (silicate weathering). Μία γεωλογική διαδικασία κατά την οποία η αργή και σταθερή αποσάθρωση των πετρωμάτων πυριτίου περιλαμβάνει χημικές αντιδράσεις που τελικά απορροφούν διοξείδιο του άνθρακα από την ατμόσφαιρα στέλνοντάς τα στα ωκεάνια ιζήματα, παγιδεύοντας τα αέρια στα πετρώματα.
Οι επιστήμονες υποπτεύονται εδώ και καιρό ότι η πυριτική αποσάθρωση παίζει σημαντικό ρόλο στη ρύθμιση του κύκλου του άνθρακα στη Γη. Ο μηχανισμός της διάβρωσης των αλάτων πυριτίου θα μπορούσε να αποτελέσει μια γεωλογικά σταθερή δύναμη για τη διατήρηση του διοξειδίου του άνθρακα – και της παγκόσμιας θερμοκρασίας – υπό έλεγχο. Αλλά ποτέ δεν υπήρχαν άμεσες αποδείξεις για τη συνεχή λειτουργία μιας τέτοιας ανατροφοδότησης, μέχρι τώρα.
Τα αποτελέσματα είναι τα πρώτα που χρησιμοποιούν πραγματικά δεδομένα για να επιβεβαιώσουν την ύπαρξη μιας σταθεροποιητικής ανατροφοδότηση, ο μηχανισμός της οποίας είναι πιθανότατα η πυριτική αποσάθρωση. Το stabilizing feedback θα εξηγούσε πώς η Γη παρέμεινε κατοικήσιμη μέσα από τόσα δραματικά κλιματικά φαινόμενα στο γεωλογικό της παρελθόν.
«Από τη μία πλευρά, είναι καλό γιατί γνωρίζουμε ότι η σημερινή υπερθέρμανση του πλανήτη θα “ακυρωθεί” τελικά μέσω αυτής της σταθεροποιητικής ανάδρασης», λέει ο Constantin Arnscheidt, μεταπτυχιακός φοιτητής στο Τμήμα Επιστημών της Γης, της Ατμόσφαιρας και των Πλανητών (EAPS) του ΜΙΤ. «Αλλά από την άλλη πλευρά, θα χρειαστούν εκατοντάδες χιλιάδες χρόνια για να συμβεί, άρα όχι αρκετά γρήγορα για να λύσουμε τα σημερινά μας προβλήματα».
Τη μελέτη συνυπογράφουν ο Arnscheidt και ο Daniel Rothman, καθηγητής γεωφυσικής στο MIT.
Σταθερότητα των δεδομένων
Οι επιστήμονες έχουν δει στο παρελθόν ενδείξεις για ένα φαινόμενο σταθεροποίησης του κλίματος (climate-stabilizing effect ) στον κύκλο του άνθρακα της Γης. Χημικές αναλύσεις αρχαίων πετρωμάτων έδειξαν ότι η ροή του άνθρακα μέσα και έξω από το επιφανειακό περιβάλλον της Γης παρέμεινε σχετικά ισορροπημένη, ακόμη και κατά τη διάρκεια δραματικών διακυμάνσεων της παγκόσμιας θερμοκρασίας.
Επιπλέον, τα silicate weathering μοντέλα προβλέπουν ότι η διαδικασία αυτή θα πρέπει να έχει κάποια σταθεροποιητική επίδραση στο παγκόσμιο κλίμα. Και τέλος, το γεγονός της διαρκούς κατοικησιμότητας της Γης υποδηλώνει κάποιον εγγενή, γεωλογικό έλεγχο των ακραίων διακυμάνσεων της θερμοκρασίας.
«Έχουμε έναν πλανήτη του οποίου το κλίμα υπέστη πολλές δραματικές εξωτερικές αλλαγές. Γιατί η ζωή επιβίωσε όλο αυτό το διάστημα; Ένα επιχείρημα είναι ότι χρειαζόμαστε κάποιου είδους σταθεροποιητικό μηχανισμό για να διατηρήσουμε τις θερμοκρασίες κατάλληλες για ζωή», λέει ο Arnscheidt. «Αλλά ποτέ δεν έχει αποδειχθεί από τα δεδομένα ότι ένας τέτοιος μηχανισμός έλεγχε σταθερά το κλίμα της Γης».
Οι Arnscheidt και Rothman προσπάθησαν να επιβεβαιώσουν αν όντως υπάρχει μια σταθεροποιητική ανάδραση, εξετάζοντας δεδομένα για τις διακυμάνσεις της παγκόσμιας θερμοκρασίας κατά τη διάρκεια της γεωλογικής ιστορίας. Εργάστηκαν με μια σειρά από αρχεία παγκόσμιας θερμοκρασίας που συνέταξαν άλλοι επιστήμονες, από τη χημική σύνθεση αρχαίων θαλάσσιων απολιθωμάτων και κελυφών, καθώς και από διατηρημένους πυρήνες πάγου της Ανταρκτικής.
«Όλη αυτή η μελέτη είναι δυνατή μόνο επειδή έχουν σημειωθεί μεγάλες πρόοδοι στη βελτίωση της ανάλυσης αυτών των καταγραφών της θερμοκρασίας των βαθιών θαλασσών», σημειώνει ο Arnscheidt. «Τώρα έχουμε δεδομένα που πηγαίνουν πίσω 66 εκατομμύρια χρόνια, με σημεία δεδομένων που απέχουν χιλιάδες χρόνια μεταξύ τους».
Επιτάχυνση μέχρι να σταματήσει
Στα δεδομένα, η ομάδα εφάρμοσε τη μαθηματική θεωρία των στοχαστικών διαφορικών εξισώσεων (stochastic differential equations), η οποία χρησιμοποιείται συνήθως για την αποκάλυψη μοτίβων σε σύνολα δεδομένων με μεγάλες διακυμάνσεις.
«Αντιληφθήκαμε ότι αυτή η θεωρία κάνει προβλέψεις για το πώς θα έμοιαζε η ιστορία της θερμοκρασίας της Γης, αν υπήρχαν ανατροφοδοτήσεις που δρούσαν σε συγκεκριμένες χρονικές κλίμακες», εξηγεί ο Arnscheidt. Χρησιμοποιώντας αυτή την προσέγγιση, η ομάδα ανέλυσε το ιστορικό των μέσων παγκόσμιων θερμοκρασιών των τελευταίων 66 εκατομμυρίων ετών, εξετάζοντας ολόκληρη την περίοδο σε διαφορετικές χρονικές κλίμακες, όπως δεκάδες χιλιάδες χρόνια έναντι εκατοντάδων χιλιάδων, για να διαπιστώσει αν προέκυψαν μοτίβα σταθεροποιητικής ανάδρασης σε κάθε χρονική κλίμακα.
«Σε κάποιο βαθμό, είναι σαν το αυτοκίνητό σας να τρέχει με μεγάλη ταχύτητα στο δρόμο και ενώ πατάτε φρένο, γλιστράτε για μεγάλο χρονικό διάστημα πριν σταματήσετε», λέει ο Rothman. «Υπάρχει μια χρονική κλίμακα κατά την οποία η αντίσταση τριβής, ή μία σταθεροποιητική ανάδραση, αρχίζει να λειτουργεί, όταν το σύστημα επιστρέφει πλέον σε σταθερή κατάσταση».
Χωρίς σταθεροποιητικές ανατροφοδοτήσεις, οι διακυμάνσεις της παγκόσμιας θερμοκρασίας θα πρέπει να αυξάνονται με τη χρονική κλίμακα. Όμως, η ανάλυση της ομάδας αποκάλυψε ένα μοτίβο στο οποίο οι διακυμάνσεις δεν αυξάνονταν, υποδηλώνοντας ότι ένας σταθεροποιητικός μηχανισμός κυριαρχούσε στο κλίμα πριν οι διακυμάνσεις γίνουν πολύ ακραίες. Η χρονική κλίμακα αυτού του σταθεροποιητικού αποτελέσματος – εκατοντάδες χιλιάδες χρόνια – συμπίπτει με αυτό που προβλέπουν οι επιστήμονες για τη διάβρωση των πυριτικών αλάτων.
Είναι ενδιαφέρον ότι οι Arnscheidt και Rothman διαπίστωσαν ότι σε μεγαλύτερες χρονικές κλίμακες, τα δεδομένα δεν αποκαλύπτουν σταθεροποιητικές αναδράσεις. Δηλαδή, δεν φαίνεται να υπάρχει κάποια επαναλαμβανόμενη παρεμπόδιση των παγκόσμιων θερμοκρασιών σε χρονικές κλίμακες μεγαλύτερες από ένα εκατομμύριο χρόνια. Σε αυτές τις μεγαλύτερες χρονικές κλίμακες, λοιπόν, τι κράτησε τις παγκόσμιες θερμοκρασίες υπό έλεγχο;
«Υπάρχει η θεωρία ότι η “τύχη” μπορεί να έπαιξε σημαντικό ρόλο στον καθορισμό του γιατί, μετά από περισσότερα από 3 δισεκατομμύρια χρόνια, η ζωή εξακολουθεί να υπάρχει», σχολιάζει ο Rothman.
Με άλλα λόγια, καθώς οι θερμοκρασίες της Γης κυμαίνονται σε μεγαλύτερα χρονικά διαστήματα, αυτές οι διακυμάνσεις μπορεί να είναι αρκετά μικρές με τη γεωλογική έννοια, ώστε να βρίσκονται σε ένα εύρος που μια σταθεροποιητική ανατροφοδότηση, όπως η διάβρωση πυριτικών αλάτων, θα μπορούσε περιοδικά να διατηρεί το κλίμα υπό έλεγχο, και πιο συγκεκριμένα, εντός μιας κατοικήσιμης ζώνης.
«Υπάρχουν δύο στρατόπεδα», λέει ο Arnscheidt. «Κάποιοι λένε ότι η τύχη είναι μια αρκετά καλή εξήγηση και άλλοι λένε ότι πρέπει να υπάρχει μια σταθεροποιητική ανατροφοδότηση. Είμαστε σε θέση να δείξουμε, απευθείας από τα δεδομένα, ότι η απάντηση είναι μάλλον κάπου στο ενδιάμεσο. Με άλλα λόγια, υπήρξε κάποια σταθεροποίηση, αλλά η καθαρή τύχη πιθανότατα έπαιξε επίσης ρόλο στο να παραμένει η Γη κατοικήσιμη».
Με πληροφορίες από: The Brighter Side News
