Kapitel 9. Jordens klimathistoria

Transkript

1 Kapitel 9 Jordens klimathistoria 178

2 Klimathistoria Organismer uppstod på jorden kort efter att den bildats, men alla kända organismer behöver vatten Temperaturen på jorden har antagligen under hela denna tid varit sådan, att vatten (i vätskeform) har kunnat existera Vi vet också att solen varit 30% svagare just efter att den bildats, vilket med våra beräkningar för strålningsbalansen ger en medeltemperatur på ca -10 C, dvs 25 grader kallare än idag En extra 10 C nedkylning kommer till om vi S( 1-A) också beaktar vattenångans och albedons T 4 s = negativa återkopplingar 2s ( 2-e) Vilka andra parametrar var då inblandade? Albedon lägre? Växthuseffekten större? Energi-inflödet större? Karbonat-silikat-cykeln som nämndes tidigare kan bidra till att stabilisera jordens klimat 179

3 Påminnelse: Karbonat-silikat-cykeln CO 2 Kemisk vittring CO 2 + CaSiO 3 CaCO 3 + SiO 2 Regn CaSiO 3 CaCO 3 + SiO 2 sedimentering CaCO 3 + SiO 2 CaCO 3 + SiO 2 CaSiO 3 + CO 2 Cykeln opererar på tidsskalor på ett par miljoner år 180

4 Svag-ung-sol-paradoxen (eng: faint young sun) Problemet med flytande vatten trots beräknade låga temperaturer: Svag-ung-sol-paradoxen Tre möjliga lösningar: albedon, växthuseffekten, eller en annan värmekälla än solen En möjlig värmekälla är geotermisk värme Det skulle krävas 70 W/m 2 och man uppskattar att geotermiska värmeflödet var närmare 0.3 W/m 2 (0.1 W/m 2 idag) Detta värmeflöde skulle ha förhindrat att haven frös ändå till bottnen, men skulle ändå leda till istäcke på hundratals meter Albedon För att balansera den minskade solstyrkan skulle det krävas en albedo nära 0 (0.3 idag) Svårt att motivera hur en planet med vatten och moln (för att inte tala om is) kunde absorbera allt solljus Växthuseffekten förblir den bästa kandidaten 181

5 En CO 2 -rik atmosfär? Fram till ca 3.8 miljarder år sedan är jordens klimat långt ett mysterium Därefter, om klimatet var kallare, skulle vittringsprocesserna varit långsammare CO 2 kunde ackumulera i atmosfären negativ återkoppling För att balansera jordytans temperatur till den som vi har idag, men under 30% mindre solljus, skulle det ha krävts 1000 ggr mer CO 2 i atmosfären än idag, dvs ca 0.3 bar (1 bar = 1 atm) Spekulationerna om att koldioxidhalten kan ha varit så hög som 10 bar, skulle leda till yttemperaturer på C Detta kan inte heller uteslutas, och kan ha inverkat på hur livet bildades på jorden 182

6 En CO 2 -rik atmosfär? Andra effekter utöver CO 2 kommer t.ex. från metan (CH 4 ) Metan uppvisar en positiv återkoppling pga metanogener Bakteriell metanogenes: CO H 2 CH H 2 O Processen sker effektivare ju varmare det är Metan i atmosfären är en kraftig växthusgas och ökar därför på temperaturen Höga halter metan kan leda till polymerisering och större kolväten som kan bilda partiklar och därmed en sorts dimma, jmfr Titan: En möjlig kontroll: Dimma CH 4 /CO 2 i atmosfären Vad säger geologiska klimatindikatorer om detta? Yttemperatur Metanproduktion Koldioxidsänka 183

7 Paleoklimatologi Paleoklimatologin studerar jordens klimat från ett historiskt perspektiv Fossil och sedimentära bergarter Borrkärnor av is från Antarktis och Grönland Årsringar i träd Indikatorerna visar å ena sidan att klimatet hållits relativt stabilt över 4 miljarder år, och därmed låtit liv utvecklas (flytande vatten etc) Men samtidigt också att jordens klimat fluktuerat kraftigt under jordens historia, med långa varma perioder och kortare kalla perioder emellan T.ex. Snowball Earth 184

8 Istidsbevis Att vi haft istider på jorden är alla forskare överens om, och i Finland har vi många geologiska bevis för åtminstone den senaste istiden För att känna igen tidigare istider, har man använt sig av t.ex. tillit, en bergart som bildats genom att stenar, grus, sand och gyttja packats ihop Beståndsdelarna har samlats upp av glaciärer i rörelse, och deponeras i utkanterna av glaciärerna som morän som senare litifierats 185

9 Istidsbevis Flyttblock i Finland har uppstått under senaste istiden genom förflyttning med inlandsisen Då liknande stenar samlats upp i isen, som senare bildat isberg, som till sist smultit, faller dessa ner till havsbottnen (dropstones) och bildar undantag i annars jämna sediment Sedimenten kan sedan åldersbestämmas, och därmed kan vi tidsbestämma istider 186

10 Istider Många istider har identifierats under jordens historia Våra tidigare diskussioner hjälper oss förstå t.ex. Huron-istiden ca miljarder år sedan Vi tror att syrehalten började stiga just före denna period Om CH 4 var en viktig växthusgas, skulle syret ha oxiderat denna och därmed minskat på växthuseffekten nedkylning Stöd från geologiska avlagringar som visar uraninit i avlagringarna före istiden (dvs låg syrehalt), tillit under istiden, och s.k. redbeds (som innehåller järn i oxiderad form) genast efteråt 187

11 Interglaciala perioder Karbonat-silikat-cykeln kan vara en orsak till att CO 2 från vulkaner lagrades i atmosfären och därmed ökade växthuseffekten tills isarna igen smalt Att temperaturen hölls hög också efter Huron-istiden kan bero på att syrehalten trots allt inte var hög nog för att oxidera all metan, och att metan bildades i avsevärt större mänder än idag av metanogener 188

12 Snöbollsjorden (Snowball Earth) miljoner år sedan var det så kallt att man tror att hela jordklotet varit täckt med is Geologiska bevis för en istid under denna period har återfunnits på alla sju kontinenter Genom paleomagnetism har man kunnat visa att åtminstone Australien under denna tid var vid ekvatorn 189

13 Snöbollsjorden (Snowball Earth) Hur uppstår en sådan situation? Om alla kontinenter befinner sig nära ekvatorn, kommer karbonat-silikat-cykeln att hålla koldioxidhalten låg trots att stora delar av planeten är täckt av is Isen ökar på planetens albedo, och när isen når 30. breddgraden kommer den positiva is-albedo-återkopplingen att mycket snabbt (endast några tiotal år) att täcka resten av jorden med is Ett totalt istäcke leder till albedon >0.6, och en temperatur på -50 C eller mindre Då jorden är helt täckt av snö och is, avstannar karbonat-silikat-cykeln, och CO 2 från vulkaner börjar igen ackumulera och långsamt värma upp jordytan 190

14 Snöbollsjorden (Snowball Earth) Då koldioxidhalten nått ca 0.1 bar skulle istäcket ha börjat smälta vid ekvatorn och is-albedoåterkopplingen ha fungerat i andra riktningen och all is smultit på ca 1000 år Före karbonat-silikat-cykeln stabiliserade sig var jordytans temperatur antagligen C efter detta Geologiska bevis för en snöbollsjord existerar Bandad järnmalm bildas igen pga att haven inte längre är i kontakt med luftens syre och haven blir därför syrefattiga Efter snöbollsjorden kommer höga halter av CO 2 att leda till sura regn, som vittrar sönder stora mängder bergarter, vilket i sin tur leder till snabbt bildade sediment med höga Cahalter Sådana avlagringar har hittats vid ekvatorn, vilket länge förundrade forskarna 191

15 Snöbollsjorden Snowball Earth visar tydligt hur komplicerat jordens klimat kan vara, men samtidigt har vi en begränsad mängd parametrar som i slutändan förklarar slutliga temperaturen (albedon, växthuseffekten och inkommande energin) Av dessa tre är det växthuseffekten som kan variera mest 192

16 Hur överlever liv en snöbollsjord? Som så ofta tidigare är svaret: Ingen vet med säkerhet Olika möjligheter för hur fotosyntesorganismer överlevt har dock föreslagits Möjligen frös inte alla hav, och kring ekvatorn fanns en del områden med öppet vatten ( Slushball Earth ) Geotermiska källor på havsbottnen skulle ha varit helt opåverkade, men skulle inte ha nåtts av solljus Geotermiska källor i t.ex. Yellowstone kan ha förblivit varma, men vattnet i källorna härrör sig från regnvatten Istjockleken kan ha varit så liten som ett par meter på sina ställen och därmed tillåtit en del solljus att penetrera isen så att alger kunnat överleva 193

17 Klimatet under fanerozoikum (540 milj. år nu) Noggrannare data än från prekambrium pga bl.a. de otaliga fossilfynden Alla organismer har optimala levnadsförhållanden Paleozoikum Kambrium var en mycket varm period, och under de följande perioderna var jorden också fri från is Förutom en kort period i ordovicium I slutet av eran blev det dock extremt kallt Solen var redan nästan lika stark som idag, och pga syrehalten hölls metanhalterna låga CO 2 antagligen orsaken 194

18 Klimatet under fanerozoikum (540 milj. år nu) Varför skulle CO 2 ha minskat kraftigt under karbon? Vi såg tidigare att denna period, på basen av kolisotoper, var en period då stora kolavlagringar bildades, och därför steg syrehalten Kom igen ihåg: CO 2 + H 2 O kolhydrater + O 2 Om processen skiftas mot höger, minskar också CO 2 Om detta sker snabbt, kan inte karbonat-silikat-cykeln kompensera för CO 2 -sänkan Varje försök till en förklaring går igenom en liknande process: Insättning i en paleoklimat modell för att se om den kan förklara observationer Om den kan, jämför vi med alla andra indikatorer Om ingen av dessa är motsägelsefull, är förklaringen godtagbar 195

19 Klimatet under fanerozoikum (540 milj. år nu) Mesozoikum Dinosauriernas era Temperaturen klart högre än idag 2-6 C högre vid ekvatorn, C vid polerna Många fossilfynd finns från eran Stora ormbunkar och alligatorer i Sibirien Dinosaurier norr om polcirkeln i Alaska Syreisotoper i sediment visar att djuphaven var närmare 15 C varma Idag ca 2 C 196

20 Klimatet under fanerozoikum (540 milj. år nu) Varför skulle CO 2 ha ökat kraftigt under mesozoikum? En 4x högre koldioxidhalt än idag skulle förklara temperaturen Paleomagnetisk data visar att tektoniska plattorna rörde sig snabbare än idag Carbonat-silikat-cykelns balans skiftas till högre CO 2 i luften En högre koldioxidhalt torde inte ensam kunna leda till så små skillnader i temperatur mellan polerna och ekvatorn Möjligen var atmosfärens eller havens cirkulation annorlunda Olika indikatorer tyder också på färre moln under denna period 197

21 Klimatet under fanerozoikum (540 milj. år nu) Kenozoikum Eran kännetecknas av en kraftig nedkylning Ursprungliga orsaken kan ha varit att tektoniska plattornas rörelser blev långsammare Accelerationen av nedkylningen som började ca 30 miljoner år sedan kräver dock en annan förklaring Kan vara Indiens fel! 198

22 Klimatet under fanerozoikum (540 milj. år nu) Varför indien? Ca 30 milj. år sedan krockade Indiska plattan med Asien Resultatet: Himalaya och Tibetanska platån Ett stort område där CO 2 kan leda till kemisk vittring av silikater, dvs karbonat-silikat-cykeln skiftades igen, men den här gången mot en lägre koldioxidhalt 199

23 Lärdomar För en perfekt förståelse om alla historiska förändringar borde vi inte ha hoppat över kapitlet om plattektonik Plattornas rörelser kan inverka på klimatet Fast det sker långsamt från våra perspektiv I praktiken alla förändringar i klimatet under senaste 500 miljoner åren har uppstått från återkopplingar Karbonat-silikat-cykeln eller processer i biosfären Men den drivande kraften i varje period har ändå varit densamma: CO 2! 200