Drivhus og ishus Jorden - Greenhouse and icehouse Earth

Gjennom Jordens klimahistorie ( paleoklima ) har klimaet svingt mellom to primærstater: drivhus og ishusjord . Begge klimastater varer i millioner av år og bør ikke forveksles med is- og mellomistider , som forekommer som alternative faser i en ishusperiode og har en tendens til å vare mindre enn 1 million år. Det er fem kjente ishusperioder i jordens klimahistorie, som er kjent som isjernene Huronian , Cryogenian , Andean-Saharan , Late Paleozoic og Sen Cenozoic . Hovedfaktorene som er involvert i endringer i paleoklimatet antas å være konsentrasjonen av atmosfærisk karbondioksid ( CO
2
), endringer i jordens bane , langsiktige endringer i solkonstanten , og oseaniske og orogeniske endringer fra tektonisk platedynamikk . Drivhus- og ishusperioder har spilt nøkkelroller i utviklingen av livet på jorden ved direkte og indirekte å tvinge biotisk tilpasning og omsetning på forskjellige romlige skalaer over tid.

Tidslinje for de fem kjente store istidene, vist i blått. Perioden i mellom viser drivhusforhold.

Drivhusjorden

Oversikt

En "drivhusjord" er en periode der det ikke eksisterer noen kontinentale isbreer noe sted på planeten. I tillegg er nivåene av karbondioksid og andre klimagasser (som vanndamp og metan ) høye, og havoverflatetemperaturer (SST) varierer fra 28 ° C (82,4 ° F) i tropene til 0 ° C (32 ° F) ) i polarområdene . Jorden har vært i et drivhus i omtrent 85% av sin historie.

Staten skal ikke forveksles med en hypotetisk løpende drivhuseffekt , som er et irreversibelt vendepunkt som tilsvarer den pågående løpende drivhuseffektenVenus . Den IPCC sier at "en 'løpsk drivhus effect'-analog til [den av] Venus-ser ut til å ha nesten ingen sjanse for å bli indusert av menneskeskapte aktiviteter."

Årsaker

Det er flere teorier om hvordan en drivhusjord kan oppstå. Geologiske klimaproxyer indikerer at det er en sterk sammenheng mellom et drivhus og høye CO 2 -nivåer. Imidlertid er det viktig å innse at høye CO 2 -nivåer tolkes som en indikator på jordens klima, snarere enn som en uavhengig driver. Andre fenomener har i stedet sannsynligvis spilt en nøkkelrolle for å påvirke det globale klimaet ved å endre hav- og atmosfæriske strømmer og øke nettomengden av solstråling som absorberes av jordens atmosfære. Slike fenomener kan inkludere, men er ikke begrenset til, tektoniske skift som resulterer i frigjøring av klimagasser (som CO 2 og CH 4 ) via vulkansk aktivitet , en økning i solkonstanten som øker nettomengden av solenergi som absorberes i jordens atmosfære , og endringer i jordens skråhet og eksentrisitet som øker nettomengden av solstråling som absorberes i jordens atmosfære.

Icehouse Earth

Oversikt

Jorden er nå i en ishus -tilstand, og isark er tilstede i begge polene samtidig. Klimatiske fullmakter indikerer at konsentrasjonene av klimagasser har en tendens til å senkes under en ishusjord. På samme måte er de globale temperaturene også lavere under Icehouse -forhold. Jorden svinger deretter mellom istiden og mellomistider, og størrelsen og fordelingen av kontinentale isdekk svinger dramatisk. Svingningen av isdekkene resulterer i endringer i regionale klimatiske forhold som påvirker rekkevidden og fordelingen av mange terrestriske og oceaniske arter. Is- og mellomistider har en tendens til å skifte i henhold til sol- og klimasvingninger til jorden til slutt vender tilbake til et drivhus.

Jordens nåværende ishusstatus er kjent som kvartæristiden og begynte for omtrent 2,58 millioner år siden. Imidlertid har et isdekk eksistert i Antarktis i omtrent 34 millioner år. Jorden er nå inne i en klement mellomistid som begynte for omtrent 11 800 år siden. Jorden vil trolig fase inn i en annen mellomistid som Eemian , som skjedde for mellom 130 000 og 115 000 år siden, hvor man kan observere bevis på skog i Nordkapp, Norge og flodhesten i Rhinen og Themsen. Jorden forventes å fortsette å overgå mellom istidene og mellomistidene til opphør av den kvartære istiden og deretter gå inn i en annen drivhusstat.

Årsaker

Det er godt etablert at det er sterk sammenheng mellom lavt CO
2
nivåer og en ishusstatus. Det betyr imidlertid ikke at synkende atmosfæriske nivåer CO
2
er en primær driver for en overgang til ishusstaten. Det kan heller være en indikator på andre sol-, geologiske og atmosfæriske prosesser på jobben.

Potensielle drivere av tidligere ishusstater inkluderer bevegelse av de tektoniske platene og åpning og lukking av oceaniske gateways. De ser ut til å spille en avgjørende rolle i å drive Jorden inn i en ishus -tilstand, ettersom tektoniske skift resulterer i transport av kjølig, dypt vann, som sirkulerer til havoverflaten og hjelper til med isutvikling ved polene. Eksempler på oseaniske strømskift som følge av tektonisk platedynamikk inkluderer åpningen av Tasmanian Gateway for 36,5 millioner år siden, som skilte Australia og Antarktis, og åpningen av Drake Passage for 32,8 millioner år siden ved separasjonen av Sør -Amerika og Antarktis , som begge antas å ha tillatt utviklingen av det antarktiske isdekket . Stengingen av Isthmus i Panama og den indonesiske sjøveien for omtrent 3 til 4 millioner år siden kan også være en bidragsyter til Jordens nåværende ishusstat. En foreslått driver for den ordoviciske istiden var utviklingen av landplanter. Under det paradigmet fjernet den raske økningen i fotosyntetisk biomasse gradvis CO
2
fra atmosfæren og erstattet den med økende nivåer av O 2 , noe som induserte global avkjøling. En foreslått driver for den kvartære istiden er kollisjonen mellom det indiske subkontinentet og Eurasia for å danne Himalaya og det tibetanske platået . Under dette paradigmet avslørte den resulterende kontinentale løftingen enorme mengder uforvitret silikatstein CaSiO
3
, som reagerte med CO
2
å produsere CaCO
3
(kalk) og SiO
2
(silika). den CaCO
3
ble til slutt transportert til havet og tatt opp av plankton, som deretter døde og sank til bunnen av havet, som effektivt fjernet CO
2
fra atmosfæren.

Glacials og interglacials

Innenfor ishusstater er det " istid " og " interglacial " perioder som får islag til å bygge seg opp eller trekke seg tilbake. Hovedårsakene til istiden og mellomistider er variasjoner i jordens bevegelse rundt solen . Det astronomiske komponenter, som ble oppdaget av serbiske geofysikeren milutin milanković og nå kjent som milanković-syklusene , omfatter den aksiale helling av jorden, eksentrisitet (eller formen av den bane ), og den presesjon (eller slingring) av jordrotasjonen . Aksens helling har en tendens til å svinge fra 21,5 ° til 24,5 ° og tilbake hvert 41 000 år på den vertikale aksen. Endringen påvirker faktisk sesongmessigheten på jorden siden en endring i solstråling oftere rammer visse områder av planeten på en høyere tilt, og en lavere tilt skaper et jevnere sett med sesonger over hele verden. Endringene kan sees i iskjerner, som også inneholder bevis på at atmosfæren hadde lavere nivåer av karbondioksid i istiden (ved maksimal forlengelse av isdekkene). Som kan være forårsaket av økningen eller omfordeling av den syre - basen balanse med bikarbonat og karbonat- ioner som omhandler alkalitet . I en ishusperiode tilbringes bare 20% av tiden i interglacial eller varmere tider. Modelsimuleringer antyder at den nåværende interglaciale klimastaten vil fortsette i minst 100 000 år til på grunn av CO
2
utslipp, inkludert fullstendig nedbrytning av den nordlige halvkule.

Snowball Earth

En "snøballjord" er det helt motsatte av drivhusjorden der jordens overflate er fullstendig frosset over. Imidlertid har en snøballjord teknisk sett ikke kontinentale isplater som under ishuset. "The Great Infra- Cambrian Ice Age" har blitt hevdet å være vert for en slik verden, og i 1964 brakte forskeren W. Brian Harland frem sin oppdagelse av indikasjoner på isbreer på de lave breddegrader (Harland og Rudwick). Det ble et problem for Harland på grunn av tanken på "Runaway Snowball Paradox" (en slags Snowball -effekt ) at når jorden først kommer inn på ruten for å bli en snøballjord, ville den aldri kunne forlate den tilstanden. Imidlertid tok Joseph Kirschvink  [ de ] frem en løsning på paradokset i 1992. Siden kontinentene deretter ble klemt på lave og midtre breddegrader, var det mindre havvann tilgjengelig for å absorbere den større mengden solenergi som traff tropene, og der var også en økning i nedbør fordi mer land utsatt for høyere solenergi kan ha forårsaket kjemisk forvitring, noe som ville fjerne CO 2 fra atmosfæren. Begge forholdene kan ha forårsaket et betydelig fall i CO 2 atmosfæriske nivåer, noe som resulterte i kjøletemperaturer og økende isalbedo (isreflektivitet av innkommende solstråling), noe som ytterligere ville øke den globale kjøling (en positiv tilbakemelding). Det kan ha vært mekanismen for å komme inn i Snowball Earth -tilstanden. Kirschvink forklarte at måten å komme seg ut av Snowball Earth -tilstanden kan kobles til karbondioksid igjen. En mulig forklaring er at under Snowball Earth ville vulkansk aktivitet ikke stoppe, men akkumulere atmosfærisk CO 2 . Samtidig ville globalt isdekke forhindre kjemisk forvitring (spesielt hydrolyse ), som er ansvarlig for fjerning av CO 2 fra atmosfæren. CO 2 akkumuleres derfor i atmosfæren. Når atmosfæreakkumuleringen av CO 2 nådde en terskel, ville temperaturen stige nok til at isplater kunne begynne å smelte. Det vil igjen redusere isalbedoeffekten, noe som igjen vil redusere isdekket ytterligere og tillate en utgang fra Snowball Earth. På slutten av Snowball Earth, før likevekten "termostaten" mellom vulkansk aktivitet og den deretter sakte gjenopprettende kjemiske forvitringen ble gjenopprettet, hadde CO 2 i atmosfæren akkumulert seg nok til å få temperaturene til å nå maks 60 ° C før de til slutt bosette. Rundt den samme geologiske perioden med Snowball Earth (det diskuteres om det var årsaken eller resultatet av Snowball Earth), skjedde den store oksygeneringshendelsen (GOE). Hendelsen kjent som Cambrian Explosion fulgte og produserte begynnelsen på folkerike bilaterale organismer, samt et større mangfold og mobilitet i flercellede liv. Noen biologer hevder imidlertid at en komplett snøballjord ikke kunne ha skjedd siden fotosyntetisk liv ikke ville ha overlevd under mange meter is uten sollys . Imidlertid har sollys blitt observert for å trenge gjennom meter is på Antarktis. De fleste forskere tror nå at en "hard" Snowball Earth, en fullstendig dekket av is, sannsynligvis er umulig. Imidlertid anses en "slushball Earth", med åpningspunkter nær ekvator , å være mulig.

Nyere studier kan igjen ha komplisert ideen om en snøballjord. I oktober 2011 kunngjorde et team med franske forskere at karbondioksidet under den siste spekulerte "snøballjorden" kan ha vært lavere enn opprinnelig oppgitt, noe som gir en utfordring i å finne ut hvordan Jorden kom seg ut av tilstanden og om en snøball eller en slushball Earth skjedde.

Overganger

Årsaker

Den eocen , som skjedde mellom 53 og 49 millioner år siden, var jordens varmeste temperatur perioden for 100 millioner år. Imidlertid hadde "super-drivhuset" -perioden til slutt blitt en ishusperiode ved slutten av eocenet. Det antas at nedgangen i CO 2 forårsaket endringen, men mekanismer for positiv tilbakemelding kan ha bidratt til avkjøling.

Den beste tilgjengelige rekord for en overgang fra en ishus til drivhus periode der plantelivet eksistert er for Permian perioden , som skjedde rundt 300 millioner år siden. En stor overgang skjedde for 40 millioner år siden og forårsaket at jorden endret seg fra en fuktig, isete planet der regnskogene dekket tropene til et varmt, tørt og vindfullt sted der lite kunne overleve. Professor Isabel P. Montañez ved University of California, Davis , som har forsket på tidsperioden, fant klimaet som "svært ustabilt" og å være "preget av fall og stigninger i karbondioksid."

Virkninger

Eocene-Oligocene-overgangen var den siste og skjedde for omtrent 34 millioner år siden. Det resulterte i en rask global avkjøling, istiden på Antarktis og en rekke biotiske utryddelseshendelser. Den mest dramatiske hendelsen for artsomsetning knyttet til tidsperioden er Grande Coupure , en periode der europeiske treboende og bladspisende pattedyrarter ble erstattet av trekkende arter fra Asia.

Forskning

Paleoklimatologi er en gren av vitenskapen som prøver å forstå historien til drivhus- og ishusforhold over geologisk tid. Studiet av iskjerner , dendrokronologi , sedimenter i hav og innsjøer ( varve ), palynologi , ( paleobotany ), isotopanalyse (for eksempel radiometrisk datering og stabil isotopanalyse) og andre klimaproxyer lar forskere lage modeller av Jordens tidligere energibudsjetter og det resulterende klimaet. En studie har vist at atmosfæriske karbondioksidnivåer i permtiden vokste frem og tilbake mellom 250 deler per million , som er nær dagens nivåer, opptil 2000 deler per million. Studier av innsjøer sedimenter tyder på at "hothouse" eller "super-greenhouse" Eocene var i en "permanent El Nino- tilstand" etter 10 ° C oppvarming av dyphavet og høye breddegrader overflatetemperaturer stengte Stillehavets El Nino - Sørlig svingning . Det ble foreslått en teori for Paleocene - Eocene Thermal Maximum om den plutselige reduksjonen av karbonisotopkomposisjonen i det globale uorganiske karbonbassenget med 2,5 deler per million. En hypotese for denne dråpen isotoper var økningen av metanhydrater , utløseren som fortsatt er et mysterium. Økningen av atmosfærisk metan , som tilfeldigvis er en kraftig, men kortvarig klimagass, økte de globale temperaturene med 6 ° C ved hjelp av det mindre potente karbondioksidet.

Liste over ishus og drivhusperioder

  • En drivhusperiode gikk fra 4,6 til 2,4 milliarder år siden.
  • Huronian Glaciation - en ishusperiode som gikk fra 2,4 milliarder til 2,1 milliarder år siden
  • En drivhusperiode gikk fra 2,1 milliarder til 720 millioner år siden.
  • Cryogenian - en ishusperiode som gikk fra 720 til 635 millioner år siden, hvor hele jorden til tider var frosset over
  • En drivhusperiode gikk fra 635 millioner år siden til 450 millioner år siden.
  • Andes-Sahara-istid -en ishusperiode som gikk fra 450 millioner til 420 millioner år siden
  • En drivhusperiode gikk fra 420 millioner år siden til 360 millioner år siden.
  • Sen paleozoisk istid - en ishusperiode som gikk fra 360 millioner til 260 millioner år siden
  • En drivhusperiode gikk fra 260 millioner år siden til 33,9 millioner år siden.
  • Sen senozoisk istid - den nåværende ishusperioden, som begynte for 33,9 millioner år siden

Moderne forhold

For tiden er jorden i en ishusklima. For rundt 34 millioner år siden begynte det å danne isark på Antarktis ; isdekkene i Arktis begynte ikke å danne seg før for 2 millioner år siden. Noen prosesser som kan ha ført til det nåværende ishuset kan ha sammenheng med utviklingen av Himalaya -fjellene og åpningen av Drake -passasjen mellom Sør -Amerika og Antarktis, men klimamodelsimuleringer antyder at den tidlige åpningen av Drake -passasjen bare spilte en begrenset rolle, og den senere innsnevringen av Tethys og Central American Seaways er viktigere for å forklare den observerte Cenozoic kjøling. Forskere har prøvd å sammenligne de tidligere overgangene mellom ishus og drivhus, og omvendt, for å forstå hvilken type klimatilstand Jorden vil ha neste gang.

Uten menneskelig innflytelse på klimagasskonsentrasjonen, ville en istid være den neste klimastaten. Forventede endringer i orbital tvang antyder at i fravær av menneskeskapt global oppvarming , vil den neste istiden begynne minst 50 000 år fra nå (se Milankovitch-sykluser ), men de pågående menneskeskapte klimagassutslippene betyr at neste klimatilstand vil være et drivhus Jordperioden. Permanent is er faktisk et sjeldent fenomen i jordens historie og forekommer bare i tilfeldighet med ishuseffekten, som har påvirket omtrent 20% av jordens historie.

Se også

Referanser