Odlomki iz revije ŽIT, april 2004.
V geološki zgodovini Zemlje se je njeno ozračle enkrat zamenjalo in enkrat dramatično s remenilo. Ali lahko Ijudje povzrocimo tretjo in - vsaj kar se naše vrste tiče na jbrž zadnjo spremembo?
Radko Osredkar
Pred 4,6 milijarde leti se je oblak plinov, prahu in morda tudi že nekoliko večjih delcev, ki so okoli Sonca krožili približno tam, kjer kroži danes Zemlja, združil v eno samo veliko telo - planet. Temperatura nove Zemlje tudi v njeni notranjosti sprva ni presegala temperature ledišča, saj so bile relativne hitrosti posameznih delov, ki so se lepili med seboj, približno enake, zato tudi ni bilo nobene presežne kinetične energije, ki bi lahko segrevala nastajajoči planet. Šele kasneje, ko je Zemlja postala že zajetna inje s svojo težnostjo lahko pritegnila tudi bolj oddaljene dele snovi, ki so imeli precej drugačne hitrosti kot sama, se je površina planeta začela taliti. In v 50 milijonih let se je dovolj segrela, da se je železo v njeni notranjosti začelo taliti ter zaradi svoje velike gostote toniti proti središču planeta. To je sprostilo dovolj potencialne energije, da seje končno vsa Zemlja zares stalila in se zaradi različne gostote svojih sestavnih delov razslojila. Tako je raztaljeno kapljo železa v središču obdal plašč raztaljenih kamnin in vse skupaj še plašč plinov, ki so seveda še redkejši od železa in kamenja. Sestava te prve Zemljine atmosfere je odražala sestavo oblaka, iz katerega je nastalo Sonce in njegovi planeti: v njej sta daleč prevladovala vodik in helij. Teh razgretih plinov, ki so obdajali razbeljeno Zemljo, pa planet zaradi svoje sorazmerno skromne težnosti ni mogel zadržati. In tako je Zemlja ostala brez atmosfere.
ZAMENJAVA IN SPREMEMBA
Ko so se zgornje plasti Zemlje zaradi sevanja toplote v vesolje dovolj ohladile, se je skorja na njeni površini začela strjevati. Najbrž si ne bi smeli predstavljati, da je bil to ravno miren proces, in nastajajočo skorjo, ki je plavala na gostejši magmi, so kazile dolge razpoke z velikanskimi izpuščaji - vulkani. Geologi menijo, da njihovi izločki skoraj gotovo niso bili drugačni od današnjih, ki jih seveda dobro poznajo. Tako so na površje med drugim bruhale tudi velikanske količine uparjene vode, ogljikovega dioksida, žveplovega dioksida, ogljikovega monoksida, žvepla, klora, dušika, amoniaka in metana (v kemijskem zapisu je vse to precej bolj pregledno: H2O, CO2, SO2, C0, S2, Cl2, N2, NH3 in CH4. Ne bi smeli spregledati, da so hkrati z nastajajočo drugo atmosfero - takoj ko se je temperatura površja spustila pod 100 °C , začela nastajati tudi svetovna morja. Na vprašanje, od kot je na Zemljo prišla vsa ta voda, imajo strokovnjaki različne odgovore. Večina jih misli, da so jo na Zemljo večinoma prinesli kometi, drugi pa, da je je bilo na Zemlji že od vsega začetka dovolj in da so jo izbruhali vulkani. Povsem podobna je zadrega s poreklom atmosferskih plinov: prav nič nujno ni, da bi jih vse morali izbruhati vulkani, in marsikaj od tistega, kar bi našli v 2. atmosferi, bi na že ohlajeno Zemljo lahko priletelo iz vesolja. Kakorkoli že, v porajajoči se atmosferski mešanici plinov ni bilo nobenega prostega kisika. Njegova odsotnost ima preprost kemijski vzrok: tako rad se veže z dru imi elementi, da ga prostega pod zemljo g (in v kometih) pač ni najti, in atmosfera brez kisika sedanjim živim bitjem ne bi ustrezala.
Niso pa sedanja živa bitja edina, ki so kdaj naseljevala Zemljo. To dejstvo je prav lahko ugotoviti, daje bila Zemlja naseljena že pred kakimi 3,1 milijarde leti, ko sojo naseljevale bakterije (takšne brez ločenih jeder v celicah; arhaična konstrukcija celic se je ohranila do danes, čeprav v resnlcl nl posebno pogosta) in modrozelene alge. Toda tudi takšna živa bitja so že zelo zapletena in pomenijo končni rezultat dolgotrajnega razvoja. Zdi se, da se je na Zemlji življenje prvič pojavilo vsaj pol milijarde let prej. To pomeni bolj ali manj kar takoj, ko se je zemeljska površina dovolj ohladila. Kako seje pojavilo, paje nerazrešena uganka. Darwinu se je zdela takšna: »Pogosto pravijo, da so dandanes (na Zemlji) izpolnjeni vsi pogoji, ki so potrebni, da se pojavijo živi organizmi. In ti pogoji so morda bili izpolnjeni vselej. Toda ... če so, bi si lahko zamislili, da se je v majhni, topli mlaki, v kateri so bili prisotni amoniak, fosforna kislina, toplota, elektrika itd., kemijsko formirala beljakovinska snov, pripravljena za še bolj kompleksne spremembe ...« Darwinje očitno menil, da morda obstajajo okoliščine, v katerih bi lahko življenje spontano nastalo iz neživih snovi. Temeljno zamisel je dopolnil ruski biokemik Oparin, ki je menil, da bi se v takšni mlaki če bi bila atmosfera , nad njo reducirajoča (tj. brez prostega kisika oziroma prav takšna, kot je bila Zemljina 2. atmosfera), prav gotovo morale pojaviti beljakovine. Leta 1956 je ameriški podiplomski študent Stanely Miller v steklenici pričaral takšno mlako. In v njej so se resnično pojavili vsi sestavni deli beljakovin (tj. aminokisline) in celo najpreprostejše beljakovine. Miller je ocenil, da bi v 2. ozračju Zemlje pod vplivom sončne ultravijolične svetlobe lahko letno nastalo vsaj 100.000 t vsake od 20 aminokislin kar je več kot dovolj za veliko ' populacijo bakterii in alg. Vendar so vse te tone zavajajoče in nastanek življenja na Zemlji ostaja resnična uganka. Najbržje vsakomur jasno, da se v še tako dobro založenem skladišču z avtomobilskimi deli nekakšen avto ne bo sestavil sam od sebe. In podobno tudi v laboratoriju še nikomur ni uspelo, da bi iz primernih surovin sestavil karkoli, kar bi kazalo znake življenja. Toda zdi se, da seje na Zemlji v pradavnini vendarle zgodilo prav to.
Modrozelenim algam je uspelo nekaj, kar poslej ni več nobeni drugi vrsti: temeljito so spremenile sestavo zemeljske atmosfere. Ta zelo zapletena bitja energijo za življenje črpajo iz sončne svetlobe in s pomočjo fotosinteze iz C02 iz ozračja gradijo organske spojine, ki jim služijo za življenje. Trik je tako uspešen, da so ga kasneje posvojile še številne druge rastlinske vrste. Ima pa zelo strupen stranski proizvod - kisik. Element je dovolj reaktiven, da bi ob njegovi prisotnosti v 2. zemeljski atmosferi ne mogle nastati prav nikakršne beljakovine in druge surovine življenja. V resnici ga številna živa bitja tedaj niso mogla prenesti in za njihove današnje potomce, anaerobne bakterije, je še vedno smrtno strupen. Zato se pred njim skrivajo v blatu močvirij itd. Danes si le težko zamišljamo, kakšno smrtonosno spremembo je v ozračju pomenil kisik. Morda bi zrak lahko podobno pokvarili, če bi kisik v njem nadomestili s klorom. (No, ne, da česa, takšnega kdo ne bi že poskušal: med l. svetovno vojno so na soški fronti in drugje uporabljali klor kot bojni strup, a na srečo le v količinah, ki so nepomembne za sestavo ozračja.) Koncentracija kisika je že pred 3,5 milijarde leti dosegla polovico današnje vrednosti in živa bitja so se nanj ali prilagodila - ali pa izumrla. Pred kako milijardo leti pa je postala sestava ozračja Zemlje praktično enaka sedanji in to ozračje navadno imenujejo 3. atmosfera. Stalna visoka koncentracija kisika v njej je posledica tega, da ga rastline vse odtlej nikoli niso nehale proizvajati. če bi se to kdaj zgodilo, bi se nevezani kisik v njej sčasoma porabil.
KAKO JE PRI SOSEDIH?
Sedanja atmosfera je morda res že tretja, zanesljivo pa ni Zemljina zadnja. Ce se razgledamo po naši vesoljski okolici, hitro ugotovimo, da nobeden od sosednjih planetov nima atmosfere, ki bi bila vsaj malo podobna zemeljski. Kar vsiljuje se misel, da kisik v njej ni nekaj, kar bi morda lahko trajalo večno. Luna nima atmosfere, ker je premajhna, toda Mars in Venera jo imata.
Prav nič težko si ni predstavljati, da so bile nekoč atmosfere vseh planetov enake in bolj ali manj podobne 2. zemeljski - torej takšni, ki jo sestavljajo pretežno dušik, vodne pare, amoniak, metan in ogljikov dioksid. Toda sončna svetloba, pravzaprav le njen ultravijolični del (UV svetloba), povzroča razgradnjo (fotodisociacijo) nekaterih izmed sestavin takšne atmosfere. Na UV-svetlobi molekule vode razpadajo. Vodik, ki pri tem nastaja, pobegne v vesolje, v ozračju pa ostaja kisik. Fotodisociacija vode in razgrajevanje C02 pri fotosintezi imata torej enak končni učinek - prosti atmosferski kisik. Toda ta se lahko nemudoma, takoj po nastanku spoji s čimerkoli, kar je »pri roki«. če je to npr. metan, sta končni produkt CO2 in voda, pri amoniaku pa sta končna produkta voda in plinasti dušik. Zaradi fotodisociacije, ki jo povzroča Sončna svetloba se sestava atmosfere kakega planeta neprestano spreminja, tako da navsezadnje v njej ostaneta pretežno le dušik ter ogljikov dioksid. Tudi dušik kemijsko ni povsem inerten in se sčasoma na površini planeta pretvori v nitrate in druge spojine. Končno v atmosferi tako ostane le še ogljikov dioksid. Na Marsu, kjer atmosfera že od samega začetka očitno ni bila posebno gosta in danes pritisk na površini planeta znaša le stotino zemeljskega, je končna faza dosežena. če pa je začetna plinska ovojnica nekoliko gostejša in je planet nekoliko bliže Soncu, kot je Zemlja, ima pretvarjanje atmosferskih plinov v C02 lahko precej bolj dramatične posledice. Ogljikov dioksid je namreč toplogredni plin.
Oblečena Venera. Po velikosti je planet sicer zelo podoben Zemlji, vendar njegovo atmosfero sestavlja v glavnem ogljikov dioksid (nad 96 %). V takšnih razmerah je podivjani učinek tople grede neizogiben in površinska temperatura Venere je 500 °C.
Gola Venera. Gosti atmosferski plašč preprečuje pogled na Venerino površino, če seveda nimate »radarskih oči«. Na sliki so sesfavljeni posnetki površine sosednjega planeta, ki jih je leta 1990 z radarjem naredila vesoljska sonda Magellan.
Kaj je topla greda?
V resnici ta izraz za atmosferski pojav ni posebno posrečen. Vrtnarska topla greda deluje tako, da sončni žarki skozi stekleno streho ogrejejo zemljo poU njo. Zrak, ki je za sončne žarke sicer prozoren, in ga ti zato ne morejo segreti, paje v neposrednem stiku z ogreto. zemljo, zato se ogreje tudi sam. Stekleni pokrov grede toplemu zraku preprečuje, da bi se zmešal s hladnim iz okolice. Atmosferska topla greda deluje nekoliko drugače. Sonce seva energijo pretežno v vidnem delu svetlobe in plini so za takšno svetlobo prozorni. Sončna svetloba torej lahko skozi ozračje doseže površino planeta in jo ogreje. Do tod torej ni nobene razlike. Toda planet s stalno površinsko temperaturo mora prav toliko energije, kolikorje prejme od Sonca, tudi oddajati, saj bi se sicer neprestano in vse bolj grel. Oddaja pajo lahko le tako kot Sonce, tj. s sevanjem. In glede sevanja je edina razlika med Soncem in planetom v tem, da njuni temperaturi nista enaki. Zato Sonce seva vidno svetlobo, mnogo hladnejši planet pa valovanje v infrardečem delu spektra. Račun, ki upošteva opisano energijsko bilanco, nam da za Zemljo kaj nenavaden rezultat: njena površinska temperatura bi se morala ustaliti pri -18 °C. Vendar Zemlja ni zaledenel planet in z razmislekom je očitno nekaj narobe. Napaka je v tem, da račun ne upošteva atmosfere, ki za infrardečo svetlobo ni povsem prozorna. Da bi Zemlja v vesolje lahko oddajala prav toliko energije, kolikorje prejme od Sonca,je mora njena površina, ki je zavita v ne povsem prozorni plašč atmosfere, sevati nekoliko več, kot napoveduje gornji račun. To pa je mogoče le, če je nekoliko toplejša. Tako je povprečna temperatura zemeljske površine prav prijetnih 17 °C. Očitno prav atmosferska topla greda preprečuje Zemlji, da bi se spremenila v ledeno puščavo.
Učinek tople grede je torej blagodejen, zadrega paje v tem, da preveč dobrega lahko škodi. če bi atmosfera postala še nekoliko bolj neprozorna za infrardeče sevanje, bi se lahko površina planeta segrela neprijetno visoko. Prav to se je zgodilo na Veneri, ki ima površinsko temperaturo 500 °C, atmosferski pritisk na njeni površini pa je 100-krat večji od zemeljskega. Oboje je neposredna posledica ogljikovega dioksida v njeni atmosferi, ki je toplogredni plin (takšni so vsi plini, ki niso povsem prozorni za IR-svetlobo) in ima molsko maso opazno večjo od mase kisika ali dušika. Venerino atmosfero bi gotovo lahko opisali kot neprijetno zadušno.
Toda Zemlja leži v Osončju med Marsom in Venero, zato ni prehladna kot Mars in ne prevroča kot Venera. Zemeljski dušik se še ni ves pretvoril v rudninske nitrate in tekoče vode je na planetu še dovolj, da atmosfero stabilizira. Tudi kisik, ki nastaja zaradi fotosinteze, stabilizira atmosfero. Tako je reaktiven, da se veže celo z drugimi molekulami kisika. Pri tem nastaja ozon, ki po naključju močno vpija UV-žarke. Ozonska plast ozračja tako preprečuje, da bi v največjem delu atmosfere fotodisociacija atmosferskih plinov sploh lahko potekala. Ozonska last pa je za vidno svetlobo prozorna in zato fotosinteza na površini planeta lahko poteka povsem neovirano. Zdi se, kot da je vse to skupaj na Zemlji v nekakšnem čarobnem ravnotežju. Je pač tako, kot je. Vendar z opevanjem ravnotežja morda nekoliko pretiravamo, saj današnje razmere na Zemlji vladajo le 10 % časa od njenega nastanka.
Navadna topla greda. Za vidno svetlobo prozorno steklo zraku iz tople grede hkrati prepreču je, da bi se pomešal s hladim iz okolice. Delovanje običajne tople grede ni enako delovanju atmosfere.
Ozračje Zemlje se je od njenega nastanka torej zelo spreminjalo. Toda ne bi smeli spregledati, da smo doslej govorili o silno dolgih, geoloških časovnih razdobjih in da ljudje v moderni izvedbi naseljujemo Zemljo šele kakih 100.000 let. Vprašanje, ki se nas neposredno tiče, je, ali se je atmosfera tudi v tem »kratkem« času kaj spreminjala. Odgovora nanj sta kar dva: po kemijski sestavi ne opazno, vendar pa se je v tem času na Zemlji zelo spreminjala klima, ki je v neposrednem »sorodstvu« s plinskim plaščem. Spremembe so bile večje, kot bi utegnili slutili na podlagi jutranjih pogledov skozi okno. Pravzaprav tako velike, da je povsem umestno vprašanje, ali bi še eno tako spremembo človeška vrsta sploh lahko preživela. In če že govorimo o preživetju: ali bomo končali v peči ali v hladilniku? Ter predvsem, ali ne bomo usodnih sprememb povzročili kar sami?
Ledeniški buldožerji. Ledenik Hilda v Skalnem gorovju vAlberti, Kanada, je ostanek iz srednjeveške male ledene dobe. Opazneje je začel kopneti šele v zadnjih 50 letih. Razdejanje, ki ga za seboj puščajo ledeniki, je očitno.
Dolgoročne napovedi z daljnosežnimi posledicami je treba ocenjevati previdno in prav gotovo v kontekstu tega, kar se je z atmosfero dogajalo v »zadnjem času«. Skoraj vsakdo je že kdaj slišal, da se zemeljsko ozračju segreva. Današnje globalno segrevanje se je začelo ob koncu zadnje ledene dobe v pleistocenu, pred kakimi 18 tisoč leti, ko je bila večina severne Evrope, Azije in Amerike prekrita z debelimi plastmi ledu. Spremembe ni mogla povzročiti nekakšna industrijska revolucija s svojimi dimniki in avtomobili, ker vsega tega tedaj pač še ni bilo. Toda zaradi nje danes ne živimo več v nekakšni zamrzovalni skrinji, kar najbrž, če niste ravno tjulenj, ni slabo.
Raziskave kažejo, da se zemeljska zamrzovalna skrinja vsakih 100.000 let segreje in nato 20.000 let kasneje spet ohladi. Pravilnost je opazna že vsaj 750.000 let in danes živimo na koncu zadnje medledene dobe. Razpon povprečnih temperatur od 12 °C v ledeni do 22 °C v medledeni dobi se morda ne zdi velik, toda vpliv teh navidezno majhnih sprememb temperature na okolje je prav neverjeten. Med ledenimi dobamije naš planet mrzla, suha in za življenje neprijazna puščava. Pri svojem širjenju ledeniki, ki so lahko debeli 3 km in jih kot reke v nižine poganja težnost, kot buldožerji uničujejo in preoblikujejo zemeljsko površino. V zadnjih 3 nlllijonih let so ledeniki prekrivali tudi do 29 % zemeljske površine (ŽIT 2000/1, str. 44)
V medledeni dobi pa se morska gladina zaradi talečega se ledu dvigne za približno 100 m in ob tem poplavi velikanske površine kopnega. Umikanje ledu omogoči, da v odtaljenih ledenih puščavah poženejo novi gozdovi in za številne živali postane življenje lažje. Kot rečeno: globalno segrevanje ni vedno slabo, še zlasti, če se zavedamo, da kulturni vzpon človeške vrste sovpada z zadnjo otoplitvijo.
V »globalnem« segrevanju se skrivajo podrobnosti. V 70. letih prejšnjega stoletja so meteorologi posumili, da bi vse več trdnih nečistoč v ozračju (prah, pepel itd. iz dimnikov) utegnilo pospešiti vrnitev v ledeno dobo. Da delci kaj takega lahko povzročijo, je jasno, saj preprečujejo sončni svetlobi, da bi dosegla površino Zemlje. Tako po velikih izbruhih vulkanov temperatura lokalno nekoliko pade in geologi so skoraj prepričani, da so ohladitve po velikanskih izbruhih v preteklosti povzročile izumrtje številnih živalskih ter rastlinskih vrst na kopnem in v vodi. Meritve, ki so pokazale, da se je povprečna temperatura ozračja med letoma 1940 in 1970 zniževala, so teorijo o pospešenem ohlajanju ozračja podpirale. Vendar se je padanje temperature ustavilo in začela je spet naraščati. Namesto globalne ohladitve seje bolj verjetno zazdelo globalno segrevanje ozračja. Tudi vzrok za takšen scenarij je bil pri roki: človeško onesnaževanje ozračja vključuje izpuste ogljikovega dioksida, ki je, kot rečeno, toplogredni plin. Opaženo poviševanje temperature bi lahko bilo začetek neljubega procesa, ki smo ga sprožili ljudje (ZIT 200214, str. 70).
Toda koncentracija atmosferskega C02 narašča že 18 tisoč let, kar so ugotovili z meritvami zraka, v mehurčkih ujetega v antarktičnem ledu (ŽIT 2000/1, str. 33, ZIT 200012, str. 44), in je danes podobna tisti v prejšnjem obdobju med dvema ledenima dobama. V tem času je za 5 °C narasla tudi povprečna temperatura ozračja in očitno se koncentracija C02 in temperatura spreminjata z roko v roki. K skupnemu povečevanju koncentracije vseh toplogrednih plinov, ne le ogljikovega dioksida, človeške dejavnosti prispevajo le malenkostno, 0,28 %. Absolutne številke so seveda bolj impresivne: na leto v ozračje vstopi 186 milijard ton novega CO2, od tega 90 milijard ton iz morij (zaradi njihove biološke aktivnosti) in prav toliko iz vulkanov ter razpadajoče biomase na kopnem, 6 milijard ton novega C02 v ozračju paje delo človeških rok. Kljub velikanskim količinam je koncentracija tega plina v atmosferi še vedno le 0,04 % in je v primerjavi s prejšnjimi geološkimi obdobji celo znatno manjša, kot je bila. To se zdi vsaj malo čudno, kaže pa, da izmenjave tega plina med atmosfero in morjem strokovnjaki še ne poznajo v vseh podrobnostih.
SE DRUGI VZROKI
Toda vzrokov za spremembe povprečne temperature zemeljske površine, ki niso vsi povezani s sestavo ozračja in toplo gredo, je več vrst. Največji je astronomski in je povezan s tem, da se oblika tira Zemlje pri njenem kroženju okoli Sonca s časom periodično nekoliko spreminja. Zaradi tega se periodično spreminja tudi koli čina energije, ki s Sonca pride do Zemlje - in to s povsem predvidljivimi posledicami: kadar je je manj, je na Zemlji pač hladneje. Različne nepravilnosti v gibanju Zemlje imajo različne periode. Tako so periodo 21 tisoč let spreminja nagib Zemljine osi vrtenja proti ekliptični ravnini, periodo 41 tisoč let ima dodatno nihanje osi vrtenja za ±1,5 stopinje, periodo 100 tisoč let pa spreminjanje raztegnjenosti (eliptičnosti) tira. Vse te podrobnosti nebesne mehanike je že davno raziskal srbski geofizik Milankovič, ki je ugotovil, da obdobja, ko na Zemljo pade najmanj sončne energije, sovpadajo z ledenimi dobami.
Tudi Sonce ni povsem nespremenljiv vir energije. Njegova aktivnost se spreminja s periodama 11 in 206 let, kar se da preprosto meriti s štetjem njegovih peg: več jih je, več energije seva Sonce (ŽIT 1999/6, str. 44, ŽIT 2001/12, str. 67). V današnjem času, ko nekateri bijejo plat zvona zaradi domnevne »antropogene« tople grede, je Sončeva aktivnost v porastu, kar »zagovorniki« škodljive tople grede radi spregledajo. Razlogi za dolgoročno spreminjanje podnebja so lahko tudi povsem geološki. Zdi se, da je na Zemlji vedno ledena doba, kadar na severnem ali južnem tečaju leži kaka velika, z ledom prekrita zemeljska masa. V geološki zgodovini Zemlje se je razporeditev celin spreminjala in danes najužnem tečaju leži Antarktika.
Pri napovedovanju toplotne prihodnosti Zemlje bi bilo vse to seveda treba upoštevati. To je najbrž jasno vsakomur, nekoliko manj jasno pa je, da se tega za zdaj preprosto še ne da. Na razpolago je vse premalo podatkov, saj so neposredni podatki o zemeljski klimi mlajši od 100 let. Poleg tegaje mehanizem skupnega učinkovanja vseh navedenih vzrokov v resnici preveč zapleten, da bi ga klimatologi lahko kar tako razvozlali in modelirali na računalnikih.
Na koncu smo brez škode lahko nekoliko cinični: če smo na poti v novo ledeno dobo, na kar kaže geološka zgodovina Zemlje, in je hkrati dodajanje C02 v ozračje resnično vzrok za sedanje naraščanje temperature, je to morda najpomembnejši učinek industrijske revolucije. Za človeško življenje je ledena doba namreč sila neprijetna doba. če pa pred nami ni ledena doba, napori za zmanjšanje emisij CO2 v ozračje niso povsem brez smisla; fosilnih goriv bo prav res zmanjkalo in varčevanje z njimi - pa naj bo razlog za to tak ali drugačen -, je vedno dobrodošlo. Strah, da bi kot modrozelene alge dramatično spremenili ozračje, pa je najbrž le to: skrah. Toda kot vsak strah - neprijeten.
Odlomki iz Življenje in tehnika, april 2004