Futuroklimatologija: Atmosferos slėgio pokyčiai, kaip galimas "gelbėjimosį ratas" ateities biosferoje

[Andrej S]

     Šiuometinė biosfera yra ganėtinai sena, žvaigždžių ir planetų sistemos atžvilgiu. Gyvybė atsirado veikiausiai labai greitai po žemės susiformavimo, anksčiau nei prieš 3,8 mlrd. metų. Kaip nuspėja teoriniai modeliai, vykstant tolimesniam saulės šviesumo didėjimui, mums pažįstama eukariotinė gyvybė turės išnykti žemėje, po maždaug 0,5 - 1,0 mlrd. metų. Dėl to kad anglies dvideginis sukelia šiltnamio efektą, vykstant pašiltėjimui, augalyja turėtu palaikant homeostatinę biosferos būseną išimti didelius CO2 kiekius, tuo pačiu mažinant fotosintezės efektyvumą ir galų gale sustojant šiam procesui (plačiau apie tai G-mokslų diskusijoje: Dreiko lygtis arba kiek musų visatoje yra civilizacijų? ir grafikas iš diskusijos, kuris rodo augalyjos, CO2 ir biosferos vidutinės temperatūros sąsajas). Kitas procesas, pasiūlytas Džeimso Loveloko (Gajos teorijos kūrėjo) ir M. Whitfield, teigia kad CO2 kiekis pradėtu mažėti dėl padidėjusio biologiškai indukuoto silikatinių mineralų dūlėjimo, jiems virstant karbonatais.

   Tačiau, naujausias Kalifornijos technologinio instituto geobiologinis tyrimas publikuotas PNAS žurnale, rodo kad egzistuoja mechanizmai biosferoje, kurie gali pratęsti jos egzistavimą žemėje daugiau nei milijardu metų. Kaip rodo analizė, svarbus agentas atmosferos temperatūriniame balanse yra slėgis. Kaip rodo ankstesni tyrimai, paremti standartiniu žvaigždžių vystymosi modeliu, saulė iškart po jos susiformavimo, prieš 4,6 mlrd. metų spinduliavo 70 % energijos, kiek spinduliuoja dabartinė saulė. Tuo tarpu geologiniai paleoklimato tyrimai rodo, kad vidutinė žemės klimato temperatūra visame laikotarpyje nuo archėjo (apie hado klimatą mažai kas žinoma) iki dabar svyravo 0 - 50 C laipsnių intervale su retomis "sniego gniūžtės žemės" būsenos išimtimis. Veikiausiai pagrindinis temperatūrą reguliuojantis mechanizmas buvo CO2 koncentracija, kuri pradžioje (prieš 3,5 mlrd. metų) buvo 250 kartų didesnė nei dabar. Taip pat nustatyta kad svarbus elementas šiltnamio efekte yra atmosferos slėgis. Atmosferos slėgis apsprendžia kaip intensyviai infraraudonųjų bangų spektras bus absorbuojamas CO2 molekulių, ir esant didesniam atmosferos slėgiui, dėka kolizinių sąveikų su kitomis molekulėmis (pagrindę O2 ir N2), tampa intensyvesnė infraraudonųjų spindulių sugertis. 

   Kaip teigia autoriai, žemėje egzistuoja du principiniai geobiologiniai mechanizmai, kurie kontroliuoja atmosferos slėgį geologiniuose laiko masteliuose. Visų pirma - tai fotosintezės sistema II, kai fiksuojant anglį į atmosferą išsiskiria deguonis (dar yra ir anaerobinė fotosintezė). Šis mechanizmas, kaip teigia autoriai, kiek yra žinoma, yra vienintelis išskyrus gal būt peroksidų išsiskyrimą "sniego gniūžtės žemėje", kuris gali sukoncentruoti daugiau nei pėdsakinius deguonies kiekius žemės atmosferoje. Tuo tarpu antras mechanizmas yra N2 fiksacija numiruosiuose ir patekusiuose į vandenyno guolio nuosėdas jūriniuose organizmuose. Šiuo metu, N2 sudaro apie 78 % atmosferos masės ir turi didžiausią poveikį, "slėginiame" šiltnamio dujų absorbcinio veikimo efektyvumo didinime. Pagal dabartinių stebėjimų duomenys C, N ir P stoichiometrinis Redfildo santykis yra 106:16:1 atitinkamai. Taigi, apie C/N~ 6,6. Tačiau, dugno nuosėdose šis santykis dažnai yra didesnis, nes azotas yra greitai sunaudojamas, todėl kad jo kiekis yra vienas iš produktyvumą vandenynuose ribojančių elementų). Kaip rodo atlikti tyrimai, N/(uolienų masės) santykis litosferoje yra didesnis nei mantijoje, kas gali nurodyti į biologines šio elemento akumuliacijos priežastis.   Kad patikrinti šias prielaidas, šiuo metu atliekami sustingusių senovinių bazaltinėse lavose įstrigusių burbuliukų dydžio matavimai, kurie gali parodyti ne tik kokia buvo atmosferos sudėtis, bet ir koks buvo slėgis, nes burbuliukų dydis yra funkciškai priklausomas nuo jo. Kaip yra apskaičiuota pagal uolienų tyrimus - karbonatuose yra akumuliuota apie 60 Ba (atmosferos slėgių) CO2 ekvivalento ir kažkur apie 10 Ba organikos, kurioje yra apie 1 Ba azoto (tiek kiek reikia kad sulaikyti atmosferą nuo perkaitimo, didėjant saulės šviesumo intensyvumui per pastaruosius 4 mlrd. metų). Taigi labai tikėtina, kad biologiniai mechanizmai prisidės prie atmosferos slėgio mažinimo ateityje.

   Straipsnyje parodyta, kaip priklausytu spektro sugertis nuo atmosferos slėgio "beta" pokyčių (kai "beta"=1 ir 0,2) - Atmosferos_slegis_ir_spektro_sugertis .

   Autoriai atliko modeliavimo eksperimentą, kiek galėtu egzistuoti deguonimi paremta biosfera, įskaitant tiktai slėgio ir CO2 pokyčius, be jokių grįžtamųjų ryšių. T. y. kiek ilgai galėtu išlikti pakankamai žema temperatūra eukariotinei gyvybei bei pakankamai didelis P CO2 slėgis reikalingas fotosintezės palaikymui. Pagal modeliavimo rezultatus, dabartinio tipo biosfera galėtu išlikti iki apytiksliai 2,3 milijardų metų į ateitį. Pagal apskaičiavimus, esant tam laikui, kai jau atmosferos slėgis taptu kritiškai mažas, pagrindinę atmosferos masės dalį sudarytu vandens garai. Nuo to laiko stipriai suintensyvėtu vandens netekimas į kosmosą ir to pasekmė - žemės sausėjimas. Nes kitaip nei šiuo metu, kai vandens atsargos yra apsaugomos šaltos tropopauzės, kai vandens koncentracijos atmosferoje yra labai mažos, biosferos pabaigos laikotarpyje vandens garų koncentracija bus labai didelė, ir tas vanduo bus disocijuojamas dideliais kiekiais UV spinduliuotės į atomines sudedamąsias. 

  Kaip rašo šio tyrimo autoriai, jų atradimas leis ieškoti kitų egzoplanetų spektruose galimas gyvybės apraiškas,  bei gal būt nustatyti biosferos - žvaigžių sistemos "brandos" laipsnį. Taip pat, išaiškintas "slėginis" globalios temperatūros palaikymo mechanizmas gali pakoreguoti biosferos gyvavimo trukmės daugiklį Dreiko lygtyje, taip padidindamas įmanomų civilizacijų kosmose radimo tikimybę.

Apie geobiologiją G-moksluose:

Kaip gyvūnų elgesio pasikeitimas nulėmė vandenynų chemiją bei žemės plutos sudėtį

Nuorodos:

Li et al. Atmospheric pressure as a natural climate regulator for a terrestrial planet with a biosphere. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2009; DOI: 10.1073/pnas.0809436106 - Straipsnis PNAS žurnale apie Žemės biosferos išlikimo ateityje mechanizmus.
Life May Extend Planet's 'Life': Billion-year Life Extension For Earth Also Doubles Odds Of Finding Life On Other Planets -  Populiarus straipsnis "Science Daily" tinklapyje apie anksčiau minėtą tyrimą.

--
AS