Mechanizm sprzężenia zwrotnego
Ziemia może samodzielnie regulować swoją temperaturę dzięki stabilizującemu mechanizmowi, który działa od setek tysięcy lat - twierdzą naukowcy z MIT
Nowe badanie przeprowadzone przez naukowców z Massachusetts Institute of Technology wykazało, że Ziemia potrafi samodzielnie regulować swoją temperaturę dzięki stabilizującemu mechanizmowi sprzężenia zwrotnego, który działa od setek tysięcy lat: "Odkrycie to ma duże znaczenie dla naszego zrozumienia przeszłości, ale również tego, jak globalne ocieplenie kształtuje przyszłość naszej planety. Pomaga nam również lepiej zrozumieć ewolucję temperatury na Ziemi, a także ewolucję temperatur planetarnych, co może uczynić bardziej owocnymi poszukiwania egzoplanet na których jest życie".
Klimat na Ziemi uległ dużym zmianom, od globalnego nasilenia wulkanicznego po ochładzające planetę epoki lodowcowe i dramatyczne zmiany w promieniowaniu słonecznym. A jednak życie, przez ostatnie 3,7 miliarda lat, wciąż bije. Badania naukowców z MIT opublikowane w Science Advances potwierdzają, że na naszej planecie istnieje mechanizm "stabilizującego sprzężenia zwrotnego", który działa przez setki tysięcy lat, aby cofnąć klimat z krawędzi, utrzymując temperaturę globalną w stałym, nadającym się do zamieszkania zakresie. Jak to się dzieje? Tym mechanizmem jest prawdopodobnie "wietrzenie krzemianowe" (ang. silicate weathering) - proces geologiczny, w którym powolne i stałe wietrzenie skał krzemianowych pociąga za sobą reakcje chemiczne, które w końcu wyciągają dwutlenek węgla z atmosfery i wrzucają go do osadów oceanicznych, czy zatrzymując w skałach.
Naukowcy od dawna podejrzewali, że wietrzenie krzemianów odgrywa ważną rolę w regulacji cyklu węglowego na Ziemi. Mechanizm wietrzenia krzemianów mógłby stanowić geologicznie stałą siłę utrzymującą dwutlenek węgla - i temperatury globalne - w ryzach. Jednak nigdy nie było bezpośrednich dowodów na ciągłe działanie takiego sprzężenia zwrotnego, aż do teraz. Najnowsze odkrycia opierają się na badaniu danych paleoklimatycznych, które rejestrują zmiany średnich temperatur globalnych w ciągu ostatnich 66 milionów lat. Zespół z MIT przeprowadził analizę matematyczną, aby sprawdzić, czy dane te ujawniają jakieś wzorce charakterystyczne dla zjawisk stabilizujących, które ograniczają globalne temperatury w geologicznej skali czasowej. Okazało się, że 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 czasu, w którym przewiduje się działanie wietrzenia krzemianów. Wyniki te są pierwszymi, które wykorzystują rzeczywiste dane do potwierdzenia istnienia stabilizującego sprzężenia zwrotnego, którego mechanizmem jest właśnie wietrzenie krzemianów. To stabilizujące sprzężenie zwrotne wyjaśniałoby, w jaki sposób Ziemia pozostała zdatna do zamieszkania po wielu dramatycznych wydarzeniach klimatycznych w naszej przeszłości geologicznej.
Naukowcy już wcześniej dostrzegali oznaki efektu stabilizacji klimatu w cyklu węglowym Ziemi. Analizy chemiczne starożytnych skał wykazały, że przepływ węgla do i ze środowiska powierzchniowego Ziemi pozostawał stosunkowo zrównoważony, nawet przy dużych wahaniach temperatury globalnej. Ponadto modele wietrzenia krzemianów przewidują, że proces ten powinien mieć pewien stabilizujący wpływ na globalny klimat. I wreszcie fakt, że Ziemia jest stale zamieszkana, wskazuje na pewną nieodłączną, geologiczną kontrolę ekstremalnych wahań temperatury.
Klimat naszej planety był poddawany wielu dramatycznym zmianom zewnętrznym. Dlaczego życie przetrwało przez cały ten czas? Wydaje się, że musi istnieć jakiś mechanizm stabilizujący, który utrzymuje temperatury na poziomie odpowiednim dla życia, ale do tej pory nigdy nie wykazano na podstawie danych, że taki mechanizm konsekwentnie kontrolował klimat Ziemi. Badacze z MIT podjęli próbę sprawdzenia, czy stabilizujące sprzężenie zwrotne rzeczywiście działało, analizując dane dotyczące wahań temperatury globalnej w historii geologicznej. Pracowali z szeregiem zapisów temperatury globalnej zebranych przez innych naukowców, od składu chemicznego starożytnych skamielin i muszli morskich, aż po zachowane rdzenie lodowe z Antarktydy. Badanie jest możliwe dlatego, że dokonano ogromnego postępu w zakresie poprawy rozdzielczości zapisów temperatury w głębinach, posiadane aktualnie dane sięgają 66 milionów lat wstecz, przy czym punkty danych są oddalone od siebie najwyżej o tysiące lat.
zespół zastosował matematyczną teorię różniczkowych równań stochastycznych, która jest powszechnie stosowana do ujawniania wzorców w zbiorach danych o dużej zmienności. Zespół przeanalizował historię średnich temperatur globalnych w ciągu ostatnich 66 milionów lat, rozpatrując cały okres w różnych skalach czasowych, takich jak dziesiątki tysięcy lat i setki tysięcy lat, aby sprawdzić, czy w każdej skali czasowej pojawiły się jakieś wzorce stabilizującego sprzężenia zwrotnego.
Bez stabilizujących sprzężeń zwrotnych, wahania temperatury globalnej powinny rosnąć wraz z upływem czasu. Ale analiza zespołu ujawniła reżim, w którym wahania nie rosły, co sugeruje, że mechanizm stabilizujący zapanował w klimacie, zanim wahania stały się zbyt ekstremalne. Skala czasowa tego stabilizującego efektu - setki tysięcy lat - pokrywa się z tym, co naukowcy przewidują dla procesu wietrzenia krzemianów.
Co ciekawe, badacze stwierdzili, że w dłuższych okresach czasu dane nie wykazują żadnych stabilizujących sprzężeń zwrotnych. To znaczy, nie wydaje się, aby w okresach dłuższych niż milion lat występowało powtarzające się cofanie się globalnych temperatur. Co zatem w tych dłuższych przedziałach czasowych utrzymywało temperatury globalne w ryzach? "Istnieje pogląd, że przypadek mógł odegrać główną rolę w ustaleniu, dlaczego po ponad 3 miliardach lat nadal istnieje życie" - innymi słowy, gdy temperatury na Ziemi zmieniają się na dłuższych odcinkach, może się okazać, że w sensie geologicznym te wahania są na tyle małe, żeby stabilizujące sprzężenie zwrotne, takie jak wietrzenie krzemianów, mogło okresowo kontrolować klimat. "Istnieją dwa obozy: Jedni twierdzą, że przypadek jest wystarczająco dobrym wyjaśnieniem, a inni, że musi istnieć stabilizujące sprzężenie zwrotne" - mówi jeden z autorów badania. Odpowiedź jest prawdopodobnie gdzieś pośrodku. Innymi słowy, istniała pewna stabilizacja, ale czysty szczęśliwy przypadek mógł również odegrać rolę w utrzymaniu Ziemi w stanie nadający się do ciągłego zamieszkania."
Opracowane w oparciu https://news.mit.edu/2022/earth-stabilizing-temperature-1116