Hargitai Henrik: Gaia halála 1-2. Megjelent: Természet Világa, 2008. május és június 197. o. (5. sz.) 2. rész 254. o. (6. sz.) Az alábbiakban a cikk javítatlan kézirata olvasható. Hivatkozáshoz a megjelent szövegváltozat használandó!
„...a méh végsı célja nem merül ki ... egyik ... célban [sem], amelyet az emberi elme felfedezhet. Minél magasabbra emelkedik az emberi elme e célok felismerésében, annál nyilvánvalóbbá válik, hogy nem foghatja fel a végsı célt.” (Lev Tolsztoj: Háború és Béke. Ford. Makai Imre)
A természettudományokban nemigen szoktak komplex jelenségekrıl hosszú távra jósolni. A „távoli jövıre” vonatkozó éghajlati szcenáriók (jövıképek) is 50-100 évekre adnak elırejelzéseket, melyek a társadalomtudós futurológusok jóslataihoz hasonlóan idıben elıre haladva egyre bizonytalanabbak. Az igazán nagy idıskálákkal dolgozó geológiában az idıegyenesek a nulla pontnál – a jelenben – rendszerint véget érnek1. Holott a Föld története természetesen nem ér véget, és ez a nullpont épp csak annyira kitüntetett, mint Földünk helyzete a világegyetemben – azaz a mi számunkra az. Csak néhány szakember próbálkozik gondolatkísérletben a távoli jövı „kutatásával”. Talán a legismertebb a kontinensvándorlás továbbvitele kb. 250 millió évig, a következı szuperkontinensig, melyet Neopangaea, Pangea II és Pangea Ultima fantázianeveken említenek (Christopher Scotese); az evolúcióbiológiában volt hasonló próbálkozás Dougal Dixon: A jövı zoológiája címő könyve, és e kategóriába sorolható Neil F. Comins: Mi lenne a Földön, ha...? címő munkája. A 90-es évek divattudománya az asztrobiológia, azaz a földi és földönkívüli élet lehetıségeit kutató - ahogy mondani szokták, egyelıre létezı tárgy nélküli - multidiszciplináris tudományág. Míg az elmúlt évtizedek divatszava a „fenntartható fejlıdés” volt, ma a lakhatósági zónák kontextusában az asztrobiológus kutatók azokat a helyeket keresik a világegyetemben térben és idıben, ahol és amikor egy bolygó felszínén fenntartható – az élet. A környezetvédelemben és az asztrobiológiában egyaránt kulcsszó a felmelegedés és a CO2 – de eltérı idıléptékekben. Az utóbbi években elıször csak szakmai fórumokon, majd szélesebb körben is elterjedtek olyan, különféle modelleken alapuló szcenáriók, melyek a Föld bolygó és a földi élet távoli jövıjével, illetve végével foglalkoznak (lásd pl. James Kasting vagy Siegfried Franck munkáit). Ezen modellek bizonytalansági tényezıje túl nagy; s mivel a „kísérlet” végeredményét kivárni nem igazán tudjuk, számunkra megmaradnak a gondolatkísérlet szintjén. A gyakorlatban mégis hasznosíthatók, ha nem is a Föld vonatkozásában: a Naprendszeren kívüli lakható bolygók kutatását segítik. A következıkben bemutatandó, a földi élet végérıl szóló, a nedves ill. elszabadult üvegházhatásra építı elmélet a Nap és a Föld fejlıdéstörténetét kapcsolja össze az éghajlatra építve. Bár ezt az összefüggést már a hetvenes években leírták, mindmáig nem vált közismertté. A földklíma távoli jövıjének felderítéséhez elıször a Föld távoli (4,5 milliárd ével ezelıtti) múltjának jelenségeit kell megérteni – de a fennmaradt emlékek töredékessége ill. hiánya miatt ehhez is csak modellek állnak rendelkezésre. Ami mindkét modellhez a biztosan megismerhetı, azokat össze is kötı „adat”: a jelen: a múlt kutatásában a „végeredmény”, a jövıre nézve pedig a kiindulási pont. A világvége elméletei Nézzük elıször, hogy mit gondolnak az átlagemberek ma a „világvégérıl”. A kisiskolástól az egyetemistákon át nagyszülıkig ívelı, 100 fıs (nem reprezentatív) felmérésünk rámutatott, hogy a válaszolók a „világvége” kifejezés alatt többnyire az emberi faj vagy a földi élet végét értették, sokan vallásuk szerint értelmezték, s csak kisebb részben azonosították vele az univerzum végét. A válaszadók 10%-a szerint nem lesz világvége, vallási vagy
1 A geológiában használt egyik idıszámítási mód az 1950-re lecövekelt alappontú BP (before present). A jövıre vonatkozóan ebben a rendszerben nem is lehet megadni évszámot: „AP” nem létezik.
1
természettudományos okokra hivatkozva. Mővészi megfogalmazással is találkozhatunk egy bölcsészhallgató tollából: világvége akkor lesz, „amikor már nem létezik emberi elme, ami el tudná képzelni”. Egy másik kérdésben (50 fıs mintán) már konkrétan a földi élet kipusztulására kérdeztünk (1. táblázat).
Földön kívüli Földi természetes Vallási ok 6% Ember által keltett természetes okok okok 20% okok 26% 36% Nap Áradás, cunami Utolsó ítélet Globális felfúvódik/felrobban Vírus felmelegedés Nap kialszik (fény Jégkorszak Atomrobbanás, hiánya) háború Becsapódás Környezetszennyezés 1. táblázat „Hogy pusztul ki az élet a Földön?” (8-70 éves kor közöttiek, 50 fıs minta alapján)
Egyéb 12%
Robbanás (nem részletezett eredető) Egyéb
A természetes okok közül a legtöbben a Nap pusztulását említették. Ezen belül volt, aki a Nap felrobbanását, volt, aki a kialvását, vagy mindkettıt: „A Nap kialszik vagy felrobban, mert a Nap is egy csillag” (15 éves - innentıl zárójelben a válaszadó kora szerepel). „Ha kihúzzuk addig, a Nap pusztulása [lesz a kihalás oka], ha addig nem tudunk máshova utazni”, „Fel fog robbanni Napunk és nem fogunk tudni fény nélkül élni” (16). Itt érdekes módon nem a robbanás, hanem a fény hiánya szerepel az élet megszőnésének kiváltó okaként. Érdekesen reflektál erre egy kortárs válasza: „Sehogy [nem pusztul ki az élet], mivel ha a Nap kialszik, az élet alkalmazkodni fog a sötéthez” (16). Az egyébként kreatív (feltehetıen önállóan kigondolt) válaszban feltőnı, hogy a Nap kialvása nem jár együtt kataklizmával (pl. lehőléssel). 16% említette a „globális felmelegedést” (15-66 éves korig), ezt kiegészítve „kiszáradás”-sal, „jéghegyek elolvadásá”-val, „áradás”-sal. Egyvalaki említett jégkorszakot, egyvalaki szerint „felforrósodik a föld belseje és felrobban” (15), egy 8 éves szerint pedig „jön egy cunami”. A 16% említette globális felmelegedésnél senki sem jelezte, hogy az mikor következik be, és hogy a most zajló felmelegedésre gondol-e. Nem valószínő, hogy a válaszadók a távoli jövı elszabadult üvegházhatására (lásd késıbb!) gondoltak volna, ez esetben viszont elgondolkodtató, hogy mennyire felnagyítják a jelenlegi felmelegedés következményét. Ahhoz képest, hogy a hidegháborúnak vége, meglepıen sok válaszadó (14%) szerint háború végez a földi élettel. Ez a választípus 16-66 éves kor között fordul elı, azaz a 8-15 évesek között nem. „Atombombákkal a sok hülye amerikai miatt” (16), „III VH” (17), „elpusztítjuk magunkat” (18), „nukleáris bomba, atombomba” (17), „atomháború” (33), „atomrobbanás” (66). A bulvársajtóban leggyakrabban megjelenı meteorbecsapódást csak 12% említette (8, 15-18 évesek). Gazdasági/környezetvédelmi okot tesz felelıssé 12%: „sugárzások, szennyezések miatt” (12), „az ember tönkreteszi a földet” (18), „felrobban az egész a rengeteg környezetszennyezés miatt” (18). Eszkatologikus jellegő választ 6% adott: „meghalok, akkor vége mindennek. Vagy Isten eljön…” (15) „Isten eljön, mindenkinek a lelke él csak és várja az utolsó ítéletet” (18) „környezetpusztítás... remélem Isten nem várja meg, míg végleg tönkretesszük magunkat” (43). 6% „robbanás”-t adott meg. A földön kívüli civilizációval való találkozást egyvalaki jelölte meg okként: „a marslakók megesznek minket nyárson” (18). Egyvalaki válaszolt biológiai jellegő okkal: „virus” (18) A válaszokból az derül ki, hogy bár a kérdés a földi élet pusztulására vonatkozott, a legtöbben az emberiség pusztulására válaszoltak (vagy azzal együtt az élet általános kipusztulását is feltételezik - azaz ha az ember kipusztul, akkor más élılény sem bírhatja tovább). A válaszokból az volt meglepı, hogy viszonylag sokan válaszoltak emberi eredető (háború, környezetszennyezés) okkal, feltételezve, hogy az emberiség az egész földi életet képes (etikailag és technikailag) kipusztítani; másrészt viszont több válaszadó a Nap pusztulásának idıpontjában még feltételezi az emberiség létét (ami evolúcióbiológiailag sem valószínő). Megint mások viszont egy becsapódással vagy a globális felmelegedéssel az egész életet kipusztíthatónak vélik (amire az elmúlt kb. 4 milliárd éve nem volt példa): az egyes felsorolt okokat tehát nem tudják „reális” nagyságrendjében kezelni. A sci-fi írók a fentieknél még színesebb világvége-történeteket eszeltek ki: ezek is tipizálhatóak: a Magyar Scifitörténeti Társaság témakör-kódlistájában tematikus csoportokba sorolva találhatjuk ıket (S. Sárdi Margit et al. 1995, ELTE BTK MASFITT).
2
A tudományos világvége-szcenáriók története Üstökösök. Cammille Flammarion: Milyen lesz a világ vége (1894) c. tudományos-filozófiai kalandregényében üstökös közelít a Földhöz, s ennek apropóján a könyv szereplıi részletesen bemutatják a korabeli világvégeelméleteket. Míg korábban az üstökösökhöz természetfölötti alapon kötötték a szerencsétlenségeket, a XIX. századra ezeket a magyarázatokat természettudományosan „igazolták”: elterjedt elképzelés volt, hogy az üstökös csóvája a légkör megmérgezésével általános pusztulást idézhet elı vagy lángba boríthatja a Föld légkörét. Flammarion Csillagászati olvasmányok: Az üstökösök és hulló csillagok (1894) c. kötetében Pierre-Louis Maupertius (16981759) véleményét ismerteti: „Az üstökösöknek farkai ... mérgezı kigızölgéső párákkal lehetnek tele; nem lehetetlen, hogy találkozás esetében mindannyian megfulladnánk benne” (ez a nézet számos korabeli „ıs-sci-fi” alapját adja). Flammarion kalandregényében Laplace elméletét idézi: „[már a két égitest közeledésének hatására is] A Föld tengelye és forgása megváltozik; a tengerek elhagyják régi medrüket s az egyenlítı felé rohannak; az emberek és állatok nagy része belefullad ebbe az egyetemes vízáradatba vagy szétzúzódik a földgolyóra gyakorolt erıszakos nyomástól; egész fajok semmisülnek meg, az emberi munka minden emléke összeomlik; ilyen lenne az a szerencsétlenség, amelyet egy üstökösnek a belénkütıdése idézne elı”. Ezzel vitatkozik a korabeli tudósok egyike (Flammarion a maga nézetét szájába adva): „Lesz ugyan találkozás, összeütközés és lokális szerencsétlenség, de ezen kívül más semmi. Egy földrengéshez, vulkánkitöréshez vagy borzasztó szélvészhez fogható esemény lesz az egész”. A Föld. A becsapódásos elméleteken kívül más világvége-szcenáriók is forgalomban voltak: a vizek eltőnése (elszivárgása) miatt bekövetkezı szárazság, a légkör anyagának elfogyása, a Nap kihőlése és az emiatt beálló lehőlés, mindezek 10-20 millió év múlva. Egy másik elmélet katasztrófa nélkül is meg tudja adni a „világvégét”: „A végcél, amely felé a szárazföldek elmosása törekszik, nem egyéb, mint a szárazföld teljes síkká változása, vagyis leszállítása egy olyan színvonalra, amely a folyóvizek mai torkolatától alig különbözik. (...) Ha a szárazföld és óceán kölcsönös viszonyai nem változnak, a szárazföld végzete a teljes eltőnés. Kb. 4 millió esztendı [múlva] a tenger el fogja borítani a földgömb egész felületét.” Ezen elméletek között jól láthatók James Hutton uniformitarianista2 (1795), Charles Lyell katasztrofista (1830) és William Morris Davis eróziós ciklustanának (1889) hatásai. A Nap. A korabeli legelterjedtebb elmélet Madách Imre Ember tragédiájában (1862) jelenik meg: „Négy ezredév után a nap kihől, Növényeket nem szül többé a föld”; s e színen „Hóval és jéggel borított hegyes, fátalan vidék. A nap mint veres, sugártalan golyó áll ködfoszlányok között.”. A bibliai számításokon alapuló, elterjedt idıadatot az Ember tragédiája megjelenése idejére már több kutató (J.R. Mayer, Kelvin, Helmholtz) is cáfolta. Mégis, mint a 2007-es felmérésbıl látható volt, a kialvó Nap elmélete mindmáig - eredeti formájában - kitart. Flammarion pedig már a XIX. század végén így írhatott: „Nincs okunk tehát félni, hogy ez az óriási test kialszik valaha, sötétségben hagyva Földünket” (Csillagászati Olvasmányok 1894. NB: ı is hangsúlyozza sötétséget, akárcsak a mai megkérdezettek). A kihőlı Nap és az örökké fagyos, sötét Föld gondolata megmaradt ugyan (a fehér törpe Nap formájában), de a csillagfejlıdés jobb megértésével ez elé, kb. 7 milliárd évvel ezutánra beillesztettek még egy elemet, a légkörét (majdnem) a földpályáig kiterjesztı, vörös óriássá váló Napot (1. ábra)
2
Uniformitarianista: a geológiai jelenségeket nem hirtelen katasztrófák, hanem nagyon hosszú idın keresztül folyamatosan, egyenletesen jelentkezı hatások okozzák; éppen olyanok, mint amilyeneket ma is megfigyelhetünk
3
1. ábra: A Nap méretének változása felfúvódásakor.
A felfúvódó Nap azonban úgy tőnik, hogy már egy rég halott – és száraz – Földet fog elemészteni. Néhány újabb modellszámítás ugyanis a Föld mint (geológiailag és biológiailag) élı bolygó halálát jóval közelebbi idıpontra helyezi át. Ezek alapja D. O. Gough 1981-es csillagfejlıdési modellje. Eszerint a Nap energiakibocsátása már fısorozati élete során is fokozatosan növekszik. Élete kezdetén mai energiakibocsátása (luminozitása) 70-75%-ával sugárzott. Az elmélet nyomán vetıdött föl annak problémája, hogy a korai Föld e halvány Nap dacára miért nem fagyott be: 30% albedóval számolva -39°C volt az üvegházhatás nélküli átlaghımérséklet. Ezt a problémát nevezik a halvány Nap paradoxonnak. Hasonlóan érdekes, hogy a napluminozitás növekedése ellenére a Föld középhımérséklete nagyjából azonos (az életlehetıségeket bizosító) szinten maradt évmilliárdokon át. James Lovelock Gaia-hipotézise (1979) magyarázatot ad a stabil éghajlatra: a Gaia rendszer képes ellensúlyozni ezt a változást. Legalábbis mindezidáig képes volt. Mitıl pusztulhat ki az élet? Most húzzuk tovább a korábban említett, általában a jelenig megrajzolt görbéket, melyek a Föld radioaktív hıtermelését, a légkör CO2-tartalmát és a Nap energiatermelését mutatják.3 Mindhárom (elméleti) görbe nagy léptékben egyirányú trendet mutat, milliárd éves idıskálán. A hıkészlet és légköri CO2 csökkenıt, a napluminozitás növekvıt. A jelenleg jól ismert tendencia a CO2 szint évszázados mértékő növekedése; itt viszont évmilliárdos idıskálán történı csökkenésrıl van szó, a kezdeti CO2-dús légkörtıl kiindulva. Ez (vagy/és a CH4) elegendıen nagy üvegházhatást okozott, hogy az akkor „halvány Nap” hatását ellensúlyozza. (Hasonlóképp történhetett az ısi Marson is.). Az üvegházhatás a Földön azóta folyamatosan csökken, ezzel ellensúlyozva a melegedı Napot4: a végeredmény nagyjából állandó felszíni hımérséklet.
3
Akárcsak XIX. századi társai, az itt bemutatott elméletek is csak modellek. A korai halvány Nap paradoxonra is sokféle megoldás létezik (a Nap mégsem volt halvány, a Föld igen nagy tengelyferdeségő volt), a korábbi földtörténeti korok légkörének CO2-tartalma és hımérsékleti viszonyai is bizonytalan számításokon alapszanak. Kasting 1987-es modellje szerint ahhoz, hogy a mai földi átlaghımérséklet kialakulhasson, ha csak a széndioxiddal számolunk mint üvegházgázzal, annak a korabeli napluminozitás mellett 4,5 milliárd éve parciális légnyomásának [azaz a többi gázt nem nézve csak a CO2 légnyomásának] 1 (0,1– 10) atm-nak, 2,5 milliárd éve pedig 0,1 atm-nak (100 mbar) kellett lennie (ma a Marson 6 mbar). Az elmúlt kb. 600 millió év CO2-tartalma jelentıs ingadozásokat mutat, bár összességében csökkenı tendenciát, kb. 300 millió évvel ezelıtti minimummal (Karoo jégkorszak). A korai CO2-dús légkör tehát elméleti megállapítás; egyes paleotalajok vizsgálata épphogy alacsony CO2szintre utal; viszont (van másik!) helyettesítheti a CH4, melynek jelentıs szerepe lehetett a korai Föld üvegházhatásában. 4 A Nap energiakibocsátása tovább növekszik, amint magjában mind több hidrogén alakul át héliummá: a fúzió miatt belsejében egyre kevesebb számú részecske lesz; és ez a He már nem termel energiát: így a gravitációs nyomás miatt a mag jobban összehúzódik (nı a sőrősége): ennek következtében felmelegszik, és így növeli a héjában („körülötte”) lévı H fúzióját, azaz az energiatermelést.
4
A földi élet végérıl szóló tanulmányok ma alapvetıen két okot jelölnek meg: a „szén-dioxid-szomjt” (CO2 starvation), és a túlzott felmelegedést; s ez utóbbit követıen az óceánok elpárolgását. A légköri CO2 elfogyásának biológiai következményeirıl és a napluminozitás növekedésének biológiai hatásáról – a felmelegedésrıl – már a hetvenes években cikkezett Mihail. I. Budüko szovjet klimatológus, aki 1982-ben adta ki elméletei összefoglalását angolul A Föld kílmája: múlt és jövı c. könyvében (Budyko 1982), megemlítve egy jövıbeli hógolyó Föld lehetıségét is. Ekkor már ismert Lovelock Gaia-elmélete. Gaia a Föld-bioszféra rendszer, ahol a bioszféra képes a környezetet (a Földet) szükségleteinek megfelelıen átalakítani, szabályozni. A hımérsékletet planetáris termosztátként a CO2-szint szabályozásával tartja szinten (Lovelock és Whitfield 1982). A napluminozitás növekedésével nı a hımérséklet, intenzívebb a párolgás, több a csapadék, erısebb a kızetek eróziója és óceánfenékre ülepedése, és így a vulkáni CO2-kigázolgás kevesebb CO2-t tud a légkörbe juttani, mint amennyi onnan kikerül: a légköri CO2-szint csökken, csökken a hımérséklet. Ha hideg van, kisebb a párolgás, ezzel a csapadék, ezáltal az erózió, miáltal a CO2 légkörbıl kivonása is: tehát az állandóan mőködı vulkáni CO2-kigázolgás hatására a légköri CO2-tartalom növekedhet: azaz melegebb lesz.
Káros sugárzások. Akárcsak a távoli jövıben, a távoli múltban is erıs sugárzásnak volt kitéve a felszín. A magnetoszféra véd a napszéllel terjedı töltött részecskéktıl, az ózonpajzs az UVB+C sugárzástól. A földtörténet elsı 1,5–2 milliárd évében (3,9-2,5 milliárd éve) a DNS-re káros 200–315 nm UVB+UVC sugárzás akadálytalanul juthatott el a felszínig. Így az élılényeknek vagy biológiai védelmet kellett kifejleszteniük vagy UV sugárzásmentes helyen élniük. Az exobolygóknál a lakhatósági zónán belül is limitáló tényezı az erıs UV sugárzás (pl. a csillagok életének kezdetén vagy M-törpéknél), de az UV-kitettséget befolyásolja a bolygó forgási ideje is (rövidebb nappal esetén kisebb megterhelés egyszerre) – ez a korai Földnél is szempont lehet. Ám UV-szőrıként nem csak ózonpajzs szolgálhat hanem – pl. a vulkánokból majd metanogén (metántermelı) baktériumokból – a légkörbe juttatott metán fotokémiai bomlásával keletkezı szénhidrogén-szmog. Ilyen található napjainkban a Titánon, de ilyen lehetett a korai Földön az oxigén megjelenéséig, és esetleg a korai Marson is. Az oxigén feldúsulásával a metán oxidálódott és véget ért a termofil (melegkedvelı) anaerob baktériumok (archaeák) uralma; és a metán mint üvegházgáz kiesésével a korai „melegebb” Föld kora is. Egy ilyen szmogréteg egyrészt tehát megakadályozhatta a víz vagy az ammónia fotodisszociációját (fotolízisét: fény [UV sugárzás] hatására történı elbomlását), azaz így közvetve melegíthette a légkört, de ugyanakkor kevesebb napfényt engedhetett a felszínre, azaz hőthetett is („ellen-üvegházhatás5”), ha igaz ez a modell. A légköri CO2 a 200 nm alatti, szintén káros sugárzást elnyeli, így a korai CO2-légkörben a fiatal Nap a mainál az UV hullámhosszokon erısebb kibocsátását is ellensúlyozhatta; s ma is szőrıként szolgál. Az oxigén és az ózonpajzs szerepét jól mutatja, hogy a szárazföldeken az UV védelem megjelenéséig nem volt élet, holott a stabil és megfelelı hımérséklet, légnyomás és a folyékony víz is rendelkezésre állt. (Gondoljuk el, hogy az életben gazdag óceánok melletti szárazföldek élettelenek maradtak évmilliárdokon át a Földön; a Marson csak szárazföldek vannak; és sem UV-védelem, sem folyékony víz nincs a felszínen.).
A Gaia-rendszer széthull. Számos, egymástól független (bár egyszerő) modell egyöntetően kb. 1 milliárd évvel ezutánra teszi a magasabb rendő élet és további kb. 1 milliárd évvel késıbbre az óceánok pusztulását. Franck et al. (1999) szerint: „1 milliárd év után minden görbe egy irányba mutat és a hımérséklet közel 100 C°-ot emelkedik planetológiailag rövid idı [10-100 millió év] során. Az élet minden formája bizonyosan elpusztult ekkorra.” A Tellusban így írnak ugyanık: „A lakhatósági zóna 1,4 milliárd év múlva a geodinamika (a Föld geológiai mőködése) következtében teljességgel összeomlik”. (2. ábra)
5
A terminológiában a hatások: üvegházhatás és anti- (ellen-) üvegházhatás; utóbbi kelthet önfenntartó hőtıház (icehouse)-állapotot; az elszabadult üvegházhatás pedig a „forróház” (hothouse)-állapotot.
5
2. ábra: Különféle modellek elırejelzései a földfelszín hımérsékletének alakulásáról a következı néhány milliárd évre, összevetve a standard Nap luminozitásának (vagyis kb. a napállandónak) változásával.
Itt tehát az összeomlás oka nem egyedül a Nap, hanem a geodinamika. Kérdés még, hogy mi jön elıbb: a széndioxid-szomj, és ez okozza az élet halálát, vagy a (vízgız, metán vagy CO2 okozta) üvegházhatás (a Nap felfúvódása, majd kihőlése 7 milliárd év múlva, a földbelsı teljes kihőlése (befagyása) pedig valószínőleg csak ezután következik be). Az elméletnek az igazi ismertséget nem a szaklapok, hanem Peter D. Ward geológus-zoológus és Donald Brownlee csillagász szerezték, akik együtt Amerika „ismeretterjesztı asztrobiológusai”. A Föld bolygó élete és halála címő 2002-es tudományos bestsellerükben tárják a szélesebb közönség elé az elmélet részleteit. Ward és Brownlee szerint a földi bioszféra már most túl van élete derekán. A biomasszatermelés össztömege tekintetében már most leszálló ágban vagyunk (ez kötıdik a hımérséklet csökkenéséhez), bár a biodiverzitás ettıl még növekedhet. A Föld bolygó 12 milliárd éves teljes történetébıl – elméletük szerint – mindössze egymilliárdot tesz ki az állatok kora. Az elsı négymilliárd évbıl 3,5 a „mikrobák elsı kora” volt, mint ahogy alig kb. fél milliárd év múlva megkezdıdik a mikrobák második kora. Ahhoz, hogy idáig eljussunk, a CO2 szint már említett – nagy idıtávon keresztül jelentkezı – folyamatos csökkenése nyitja meg az utat. Ha az eddigi évmilliárdos trend folytatódik, a növények számára nem lesz elég szén-dioxid a fotoszintetizációhoz, így a növényi élet megszőnik. A lecsökkent CO2
6
hiába csökkenti az üvegházhatást (egyre kisebb mértékben), az egyre melegebb Nap hatását ez sem tudja ellensúlyozni. A CO2-szint pedig lassan eléri lehetséges minimális értékét. A növények vége: a szén-dioxidszomj? Lovelock és Whitfield modelljében még 150 ppm (0,15 mbar) CO2-szintnél húzzák meg a „C3 típusú” fotoszintetizáló növények széndioxid-szomjának határát, aminek elérését 100 millió évvel ezutánra feltételezik. A legutóbbi glaciálisban a CO2-szint 180 ppm-re esett vissza (az átlaghımérséklet a mainál 5 fokkal hidegebb volt), amikor a C3 növények fotoszintézise már erısen korlátozott volt – nem a hımérséklet, hanem a CO2-szint miatt. A C3 növények számára az optimális CO2 parciális nyomásérték 10-50 mbar volna (maximum: kb. 80 mbar, minimum: 0,08 mbar) (Fodorpataki 2004). Ehhez képest a Földön ma 0,37 mbar a CO2 parciális nyomása. Az evolúció viszont újabb fejlesztésekre is képes: ilyenek máris – az épp a széndioxid-szomj miatt „kifejlesztett” – „C4” növények, melyek belsejükben emelt CO2 szintet tartanak fenn, és kisebb vízveszteséggel is dolgoznak, így képesek maradnak fotoszintetizálni (pl. főfélék) melegebb és szárazabb területen (hidegben a C3 a hatékonyabb). A kaktuszok a biztonságosan hővös éjszaka veszik fel a CO2-t, melyet tartalékolnak és nappal használnak fel fotoszintézisre („CAM típusú fotoszintézis”). Ez hasonlóképp extrém körülmények közötti stabil fotoszintetizációt tesz lehetıvé. Caldeira és Kasting 1992-ben a szárazságtőrıbb C4 fotoszintetizáló növények igényei alapján már 10 ppm-et (0,01 mbar) jelöl meg a szén-dioxid-szomj határának. Az ezen alapuló bioszféra pusztulását 0,9-1,5 milliárd évvel ezutánra teszik. (Megjegyzés: a geológiailag már nem túl aktív Marson a szén-dioxid parciális nyomása kb. 6–10 mbar). Franck et al. modelljében (2006) a többsejtőek 0,8-1,2, az eukarióták 1,3-1,5 milliárd év múlva pusztulnak ki, s legkésıbb a prokarióták (pl. cianobaktériumok) (1,6 milliárd év múlva). Miért csökken a CO2? A növények a légkör széntartalmának 10%-át használják fel évente fotoszintézisben, miközben oxigént termelnek, és saját szárazanyagukat gyarapítják (szén). Az aerob lények egyrészt belélegzik az oxigént, másrészt lebontják az elfogyasztott szerves anyagba kötött szenet. Végeredményben CO2-t lélegeznek ki. Ha ezt nem tennék, a légkör CO2 tartalma kb. 20 év alatt elfogyna (Fodorpataki 2004). (Elméleti összehasonlításul: ha megszőnne a párolgás, a légkör víztartalma 10 nap alatt csapadékként kihullna). Így azonban az élıvilág a maga részérıl egyensúlyt tart: Az élıvilág a fotoszintézisében a CO2-t fogyasztja, de a légzésben termeli. Ehhez azonban hozzájön a vulkanizmus által „kipöfékelt” CO2. Az egyenleg negatív oldalán az élet és a lemeztektonika archiváló természete található: az elhalt növények eltemetıdve a szenet kivonják a körforgásból (ezt mi napjainkban ismét „forgalomba hozzuk”), a mészvázúak pedig mészkıként temetik el. A mélytengerben aztán az óceánfenéken kiülepedı mésziszap a kızetlemezek mozgásával üledékestül-mészkövestül visszaolvad az asztenoszférába6 – és épp a (mészalkáli) vulkanizmus révén kerül vissza a CO2 egy része a légkörbe. Más része azonban a köpenyben halmozódik fel (mint a korai ıslégkör CO2-tartalma) vagy mészkıhegységek, eltemetett kıszénmezık formájában raktározódik, azaz a légkörbıl eltőnik. A légköri CO2 változását a CO2-t pufferlı (tartalékolni képes) óceánok tudják mérsékleni. Nagyon hosszú távon összességében több CO2 vonódik ki a légkörbıl, mint amennyi termelıdik, de az aktuális klimatikus és geológiai viszonyoktól függıen a mérleg általában egyensúly közelében van.
Az utolsó földlakók. A jövı üvegházát a Földön tehát nem a CO2 okozza, hanem egy másik üvegházgáz, a H2O. (Errıl lesz szó a következı részben.) Ma mindkét anyag többsége „biztonságban” (az óceánokban vagy kızetekben) található, de van belılük a légkörben is, ami szintén fontos, egyrészt mert ezen is alapszik a fotoszintézis, másrészt mert üvegházhatásuk nélkül a Föld visszafordíthatatlan hőtıház állapotba (icehouse) jutna. A szárazföldi felszíni életet az oxigén felhalmozódásával létrejövı ózonpajzs tette lehetıvé. A jövıben – a magas hımérséklet miatt – az élet ismét a föld és víz alá fog költözni. A növényzettel borított szárazföld képe is csak rövidebb periódus tehát bolygónk életében; ahogy a jégsapkás Föld is inkább „anomália”. A Föld „átlagos” képe a puszta kontinensek sárgás színe, a vízmosások és sivatagok világa; az élet pedig rendesen a vizek lakója. A növények, és velük az állatok kipusztulása után a mélytengerekbe, a felszín alá és talán a légkör felsıbb, hővösebb rétegeibe szorul vissza a bioszféra. Végül csak azok a szervezetek maradnak életben, melyek az idıvel szélsıségesen forróvá váló légkörhöz és/vagy a CO2-hiányhoz alkalmazkodnak: talán ugyanazok az extremofilek (extrém forróságot kedvelı, nem fotoszintetizáló szervezetek, melyekkel a földi élet története kezdıdhetett. Az utolsó lények valószínőleg ismét oxigénmentes 6
A Vénuszon sem élet, sem (globális) lemeztektonika nincs, ami kivonná a CO2-t a légkörbıl; van viszont vulkanizmus, ami termeli; a H2O-t pedig a fotodisszociáció és magnetoszféra hiányában a légkört erodáló napszél bontja fel és tünteti el.
7
környezetben, alacsony energiaszinten mőködı anaerob kemolitoautotróf hipertermofilek (oxigén és fény nélkül élı, magas hımérséklető kedvelı mikrobák) lesznek, mint amilyenek a mélytengeri füstölgık lényei (ellentétben pl. a fotolitoautotróf növényekkel). A földi élet a Kozmosz keretes szerkezető költeménye. *** A fenti szcenárió, különösen a „közeli”, százmillió éves idıskálák megváltoztathatják gondolkodásunkat a földi bioszféra történetérıl. A XVIII. századig minden keresztény ember számára egyértelmő volt, hogy a Földet Isten teremtette párezer évvel korábban és az isteni gondviselés tartja fenn az ember számára lakhatóként, de ha az ember erkölcsisége túlságosan romlik, akkor akár meg is szüntetheti rajta az életfeltételeket (pl.: Noé-történet). A XX. században az élettelen folyamatoknak (pl. a stabil Napnak) tulajdonítottuk, hogy a Föld lakható maradt, ma pedig úgy látjuk, hogy a földi éghajlat az elmúlt 3,5 milliárd évben az élet és a geológiailag aktív Föld különös visszacsatoló mechanizmusai révén maradt nagyjából stabil a belsı és külsı energiaforrások intenzitásának változása ellenére. Véletlen volt? (folytatjuk–bibliográfiát a 2. rész végén adunk)
8
Gaia halála 2. Hargitai Henrik
Gaia. Az élet és bolygójának evolúciója össze van kötve. A geológiailag élı bolygótest halála után a biológiai élet sem maradhat fenn. Kérdés, melyik vége jön el hamarább. A népszerő elméletek közül most nézzük elıször a befagyó, majd a felforró Föld világát.
A megfagyó földfelszín. A mai elméletek között egyre több mutat rá olyan globális katasztrófákra, melyek következtében éppcsakhogy megmaradt az élet. A „poszt-neokatasztrofizmus” mai kora olyan elméletek sorát hozza, melyeket korábban legalábbis kevéssé valószínőként (vagy egyszerően nevetségesként) tartottak számon. Ilyenek pl. a becsapódás általi fajkihalás (dinók), vagy a Hold becsapódásos-lefröccsenéses képzıdése. Az egyik legújabb olyan léptékő éghajlatváltozást feltételez, mely szerint a Föld valaha már megérte a madáchi eszkimó világot, igaz, még szárazföldi élılények nélkül. Az egyenlítıig befagyott Föld gondolata „hógolyó Föld” elmélet (Kirschvink 1992, Hoffmann et al. 1998) néven terjedt el7, melynek geológiai bizonyítékait az elmélet ellenzıi természetesen ellentétesen értelmeznek)8. A globális hógolyót eredményezı hőtıházbıl (icehouse) az elmélet szerint a jégfedte óceánok alá zárt vulkánok CO2-termelése, illetve az ezáltal keltett, kis idıre elszabadult üvegházhatás olvasztotta fel, és lökte vissza a „normális” állapotba, aminek következményeként viszont egy rövid ideig 60 °C fokos forróság köszöntött a Földre. Mások szerint a Föld nem hó-, hanem csak sárgolyóvá vált (slushball Earth), azaz az egyenlítı fagymentes maradt. A legutóbbi lehőlés már 70 millió éve elkezdıdött, 37 millió éve az Antarktisz „befagyása” indult el, amit az északi félteke (pl. Grönland) eljegesedése követett, majd a pleisztocén jégkorszak. A mai 15°C-os átlaghımérséklet és a jégsapkák megléte alapvetıen anomália; s a mérsékelt övi (C3) növényeknek 20–25°C, a trópusi (C4) füveknek 35°C volna az optimális „mőködési hımérséklete”. Budüko 1970-es évekbeli elmélete szerint a hógolyó Föld szcenárió a közeljövıben is megvalósulhat Földünkön. Az elmélet szerint a CO2-csökkenés hatására már a közeljövıben elkezdıdik egy újabb, hosszú glaciáció9. Ebbıl a maihoz képest 10%-kal nagyobb luminozitású Nap fogja csak kiolvasztani (kb. 1 milliárd év múlva) a Földet, de ekkor már nem áll vissza a normál állapot, mert túl forró lesz a Nap: a több százmillió évnyi fagyot átvészelt élılények hirtelen 80°C-os forróságban találják magukat. A modell innentıl nem úgy folytatódik, ahogy hasonló elızmények után a mai hógolyó Föld modellek szerint a múltban történt: akkor normál körülmények visszatértek s az élıvilág nagy evolúciós ugrásai követték a környezet megváltozását. A jövıben az üvegházhatás végérvényesen elszabadul. A CO2-szint és a hımérséklet összefüggését az antarktiszi jégmagok (Vosztok jégmag) elemzése az elmúlt 400 ezer évre bizonyítja (200–280 ppm közötti CO2-változás kb. 10°C hımérsékletingást okozott); de kérdés, hogy nagyobb idıskálán is ilyen egyértelmő-e az összefüggés. A jégkorszak létrejöttét a klasszikus elmélet szerint a pályaelemek változása okozza (Milankovics-Bacsák ciklus), de lehet kozmikus por, a tengelydılés változása10, becsapódás, a Föld körül keletkezett törmelékgyőrő árnyékoló hatása stb. is. A Föld felszínén is a körülmények „kedvezı állása” szükséges. A poláris sapka kialakulásához kedvezı, ha az É–D-i vízáramlás az óceánokban blokkolva van: azaz ha a pólus körbe van zárva (pl: É-i sark ma) vagy kontinens van rajta (pl: Antarktisz ma) vagy ha egy szuperkontinens fekszik az egyenlítı mentén (mint részben Rodinia esetén). 7
Pl. a neoproterozoikumi, kriogénnek is nevezett [sturti-varangi], 630-750 millió éve a Rodinia szuperkontinensen lezajlott jégkorszak/ok; vagy a korábbi huroni [2,1 Ga] glaciációk). 8
Lásd még: http://www.snowballearth.org Ha csak a CO2-szintet vennénk figyelembe, akkor a mai CO2-növekedés ennek ellenében hatna. Csakhogy egy újabb elmélet szerint a következı glaciális periódus annál hamarabb jön el, minél erısebben melegszik a légkör: a poláris jég megolvad, sarkvidék víze kihígul, ezért az ide dél felıli áramlással jutó sós és meleg víz is kihígul és nem tud a mélybe süllyedni, azaz leáll az áramlás áramköre. Északról tehát elkezdıdik a lehőlés, és az albedó pozitív visszacsatolásával terjed gyorsan dél felé; amint ez a jégkorszakokban megtörténhetett.
9
10
Ez a hatás fıleg a nagy hold híján instabil tengelyferdeségő Marson okozhat gyakrabban jelentısebb éghajlati változásokat.
9
A kihőlı földbelsı. A Föld keletkezésekor a felszíni hımérsékletet a geotermikus és napenergia határozta meg, akárcsak ma, de a magmaóceán fázisban és utána a felszínt alulról jobban főtötte a földbelsı, mint a Nap. A napenergia - a „csecsemıkori” T Tauri fázist leszámítva - a mainál gyengébb volt, de az UV tartományban erısebb. Hı jutott a felszínre a Föld mélyébıl (a gravitációs differenciáció11 során történı energiafelszabadulás következményeként) felszínen keletkezett a számos nagy becsapódás energiájából és az esetleges gızlégkörbıl. A geotermikus energia (hıáram, hıfluxus) fı forrása a különbözı mélységben eltérı arányban jelen levı radioaktív elemek hıtermelése (a különféle kızetek hıtermelési képessége eltérı; a hosszú felezési idejő izotópok a köpenybe és a kéregbe vándoroltak): a 238U, 235U, 232Th and 40K bomlása. Az így keletkezı hımennyiség folyamatosan csökken (1. ábra): mivel ez hajtja a lemeztektonikát, törvényszerő, hogy a lemezmozgások és az üvegházgázokat a légkörbe juttató magmatizmus, vulkanizmus folyamatosan gyengülnek, majd megszőnnek. (A Holdon el sem indultak - az már rég kihőlt, a Mars is csekély aktivitás jelét mutatja.) A belsı hınek más forrásai is vannak: a Föld becsapódások általi összeállásakor keletkezett (akkréciós) hı máig megmaradt hányada, a földmag keletkezésekor keletkezett hı maradéka, árapályerık súrlódási hıje, hı a földrengések energiájából, a köpeny differenciációjából, a felszínre ömlı láva (0,5%) (Anderson 2005).
1. ábra: A radioaktív izotópok hıtermelése A Föld keletkezésekor minden hıtermelı folyamat erısebb volt; pl. a 26Al a bolygók kialakuláskor a legjelentısebb hıforrás lehetett, de mára – 0,7 millió éves felezési ideje miatt – már teljesen elbomlott; ugyanekkor – egy elmélet szerint – a korai T-Tauri fázisú Nap napszéljével mozgó mágneses tere a szilikátbolygó kızeteiben áramokat keltett, amik elektromágneses induktív hıtermeléssel jártak – e 2-3 millió évig mőködı hatások dominálhattak az égitestek megolvasztásában (Gaffey 1997). (Ma az Io hıtermelésében vehet részt ilyen hatás.) A Föld állandó hőlése és a radioaktív izotópok folyamatos bomlása visszafordíthatatlan folyamat12, míg a (ma) ennél kisebb hıtermeléső nem-radioaktív folyamatok részben „megújulók” (pl. árapályhı). A földbelsı mozgásai (köpenycseppek, konvekciós áramlások) a hıtermelés megszőntével leállnak (erre példa lehet a Mars) és így a lemezmozgások is megszőnhetnek: ez pedig már a felszínfejlıdési ciklusok leállását is jelenti. Ettıl kezdve nem kerül több CO2 a légkörbe a magmatizmus által, de a légkörben CO2 formában található és az erózióval kiülepedı szén sem tőnik el a szubdukciós zónákban. A szénkörforgás tehát mindkét irányban leáll. Ha a lemeztektonika leáll, de a forrópont-vulkanizmus (még) nem, akkor (pl.) CO2 még kerül a légkörbe, de onnan már nem tőnik el. A
11
A nehezebb (nagyobb sőrőségő) anyagok (pl. vas) a mélybe süllyednek (ebbıl lesz a mag), a könnyebbek (pl. szilikátok) felfelé emelkednek (ebbıl lesz a köpeny és a kéreg). A folyamat során hı szabadul fel; részben a földbelsı összepréselıdése miatt.
12
Bár a mélybıl érkezı hı késleltetve jelenik meg a felszínen, mert azt csak 1-2 milliárd év után éri el.
10
lemezmozgások leállásával a Föld elveszti hıáramlási szelepét: még egy vénuszihoz hasonló pulzáló magmatizmus13 is kialakulhat (ami az önmagukhoz képest eleve álló szuperkontinenseket is szétdarabolja). . A távoli jövı geográfiája. A lemezmozgások leállása után már nincs hegységképzıdés (az esetleges forró folt vulkánokat leszámítva), de lehet még erózió, hiszen a napenergia fenntarthatja a víz körforgását és erısödésével akár a mainál is élénkebb lehet a cirkuláció. Mindez a teljes planáció-denudációig (felszínelegyengetésig) tartana. Ha azonban a víz tőnik el hamarabb a légkörbıl (ami valószínőbb), fordított helyzet is elıállhat. A víz nélküli Föld felszínét a lejtıs tömegmozgások és a por vándorlása alakítaná – kérdés, hogy a lassan mozgó fiatal óceánfenék víz és üledék nélkül milyen felszíni képet mutatna a magasabban fekvı idıs kontinensekhez képest. A lemezmozgások ugyanakkor attól is megszőnhetnek, ha elpárolognak az óceánok, mert a szubdukció alábukását a víz „kenı” hatása teheti lehetségessé. Itt tehát a víz eltőnése magával vonná a lemezmozgások leállását: nincs hegységképzıdés, de erózió sem: az egyensúlyt Gaia „holtában” is fenntartja. A kihőlı Földnek a „belsı dinamója” leállhat, így emiatt végleg eltőnhet a Föld (aktív) mágneses mezeje (itt merül fel, hogy a rég kihőlt Merkúrnak akkor miért van erıs magnetoszférája). Nem tudni, hogy mindez mikor következik be. Az élet megszőnte és a Föld kihőlése után tehát a felszín nem olyan lesz, mint a szintén élettelen, de aktív ısi Földön14, sem pedig olyan, mint a Holdon (ısi kráterek): egy új, még sosem látott felszíntípus alakul ki. A becsapódások már nem játszanak jelentıs szerepet (egy esetleges becsapódás természetesen bármikor felboríthatja ezt a szcenáriót), a magmatizmus - lemeztektonika szerepe kérdéses, az erózióé pedig a légkör és hidroszféra meglététıl függ. A vízkészlet eredete. A Vénusz és a Föld hasonló vízkészlettel indulhatott (ennek mértéke vitatott). A Vénuszról mára teljesen, még kötött formában is eltőnt a víz. Hogy milyen mértékben fogy és fogyott a korai Földön a vízkészlet, ismét vad találgatás területe. Lehetséges, hogy - ha elfogadjuk az elméletet - a Hold keletkezésekor a Theia nevő égitest Földbe csapódása az akkor már kicsapódott vízkészlet 80%-át lelökte a Földrıl. Eszerint e becsapódás nélkül egyrészt nincs Holdunk, másrészt a Földön a kontinentális lemezek felszíne is (ha kialakulnak) víz alatt volna (Bertaux et al 2007). Az akkréció során az (óceánnyi) vizet már tartalmazó légkör többször is kicsapódhatott és egy újabb óriási becsapódás nyomán újra elpárologhatott, gızlégkört eredményezve. Hosszabb nyugalmi periódus után, 3,9 milliárd éve a késıi nagy bombázás idıszakában újra több nagy becsapódás érhette a Földet (ekkor keletkeztek a nagy holdi medencék), eltörölve az addigi életet. Ezekben az idıszakokban akár 100 atm / 1500 K viszonyok (olvadt magma, sőrő légkör) is lehettek a felszínen (Matsui, Abe 1986). A vizet ma a Földön a (trópusi) tropopauza hidegcsapda-mechanizmusa (Holton, Gettelman 2001) tartja benn: felfelé haladva a hımérséklet hől, a pára kondenzálódik, a víz/jég pedig visszahull. Az UV sugárzást pedig jóval e réteg fölött kiszőri a – fotodisszociációval – kialakuló ózonpajzs. E nélkül a magaslégkörbe jutó vízgız fotodisszociációval felbomlana, és a hidrogén megszökne. A mai Földön a sztratoszféra száraz, így nincs vízbomlásra lehetıség (különféle áramlásokkal jut némi H2O a sztratoszférába, így kismértékő vízbomlás létezik). A melegebb és ózonréteg nélküli ısi légkörben a víz bomlása intenzívebb lehetett, mint ma. A vízkészlet nem csak „felfelé”, hanem „lefelé” is szivárog: a geológiai okokra visszavezethetı szivárgás elmélete (igaz, más magyarázattal) már a XIX. században megjelent. A víz a szubdukciós zónában a köpenybe távozik az óceánokból, ám ez Bounama et al. (2001) modellje alapján 1 milliárd év múlva a mai vízkészlet 27%-át érinti; a
13
A vulkaniumus hosszú ideig szünetel; ezalatta mélyben a szigetelı kéreg alatt felhalmozódik a hı, majd egy küszöbértéket átlépve megolvasztja a kérget és globális magmaelöntés kezdıdik; a „szelep kinyílik”, a hı kiszabadul, a kéreg ismét „megfagy” és a fogyamat újra kezdıdik. 14
A magmaóceán megszilárdulásával elsıdleges kéreg→kráterezett földi „terra” ısfelszín→magmatizmussal kiömlı bazaltok, pajzsvulkánok→a krátereket elborító óceánok→ újabb differenciációval gránitos kontinensek.
11
visszacsatoló hatás (pl. vulkanizmus) miatt teljesen nem tőnik el, és „szivárgása” a lemezmozgások lassulása miatt is lassul. Az energiamérleg meghatározói. A felszíni hımérsékletet elsıdlegesen a felszínt elérı napenergia határozza meg. Itt a Föld planetáris albedójának van szerepe15. Napjainkban a földgömb felhıkbıl, jégsapkából, sivatagokból, erdıkbıl, óceánokból stb. „kikevert” planetáris albedója 30%16, effektív egyensúlyi hımérséklete így –17°C, az üvegházhatás ezt +15°C-ra emeli. Ha a napállandót és az üvegházhatást a mai szinten hagyjuk, de az albedót megváltoztatjuk, eltérı Földeket láthatunk: a Vénuszhoz hasonló, 100%-os felhıborítás miatt 70%-ra növelt albedó esetén az átlaghımérséklet csak -34°C lenne. Ha a Földet teljesen friss hó borítaná (90% albedó), tényleges átlaghımérséklet -83°C lenne; felhımentes, tiszta légkörő (elméleti) óceánbolygó esetén (10% albedó) az átlaghımérséklet +32°C volna. Fontos itt a légkör állapota, hiszen a felhık vagy a légkör aeroszoltartalma jelentısen módosítják a bolygó planetáris albedóértékét: az viszont kérdés, hogy mikor mennyire volt (és lesz) felhıs és poros a Föld légköre. A jég és hó; a kontinensek összmérete és elhelyezkedése (pl mennyi szárazföld esik a sivatagi zónába) ugyancsak fontos szempont: ma még jégkorszakban van a Föld, tehát a jégsapkák növelik az albedót. A nagy albedó tehát csökkenti a hımérsékletet, az üvegházhatás növeli. Ez a radiatív mérleg. A tényleges felszíni hımérséklethez azonban hozzájárulnak egyéb hőtı hatások is, melyek a légkör mozgásával (konvekció) kapcsolatosak. Ilyen például a hıt a pólusok felé és felfelé mozgató cirkuláció. Az óceánok párolgása hőti az óceánok vizét, így a légkört is. Az elpárolgott vízgızben vitt látens hı a felhık kondenzálódásakor szabadul fel sok km magasságban.17 A nedves üvegházhatás Talán ugyanaz az elmélet magyarázza a Vénusz távoli, ismeretlen múltját, mint a Föld távoli, ismeretlen jövıjét: a kiindulási helyzetben a melegedéssel a folyékony víz elpárologva segít egy H2O alapú, „nedves” üvegházhatás (moist/wet greenhouse effect) (Kasting 1988) létrejöttében, melynek során az óceánok vizének mind nagyobb része a légkörbe párolog. A modellek szerint erre kb. 1 milliárd év múlva, a Nap luminizitásának kb. 10% növekedésére kerülne sor. 70°C körül a sztratoszféra fı alkotóeleme már a vízgız. A H2O erıs üvegházgáz: a jelenlegi üvegházhatás kb. 60%-áért felel a vízgız (kb. +18°C); kb 20%-áért a CO2 (+6°C); kb. 7%-ért a metán, ózon, CFC-gázok stb. (ezek az adatok bizonytalanok18). A melegben párolgó mind több gız a légkörben tovább erısíti az üvegházhatást. A modell azonban a felhık hatását nem veszi figyelembe. A páratartalom növekedésével a felhık és a párás-ködös levegı növelik a Föld albedóját, azaz több fényt ver vissza, így kevesebb jut be. Tehát a felhık és a pára lefelé visszatartják a meleget, de kifelé visszaverik a bejövı napfényt, azaz részben üvegházhatástalanítóként is mőködnek. A felhık ezen kívül visszajuttatják az elpárolgó vizet a felszínre, azaz a víz körforgása mindkét irányban intenzívebb lesz. A napluminozitás növekedésének 1 milliárd év alatt 6 fok (feketetest-) hımérséklet-emelkedést lehet betudn. Ez Kasting modelljében 45 fokos tényleges hımérsékletemelkedést generál pozitív visszacsatolással, a légköri vízgız segítségével. Ha a modell megvalósulna, azaz 1 milliárd év múlva 60 C-ra nıne a Föld átlaghımérséklete, az óceánok fokozatosan elpárolognának. A párolgás ugyan hőti a felszínt, de csak addig, amíg vannak szabad vízfelületek. Ezután azonban elszabadul a nedves üvegházhatás19. A mai óceánok tömege 1,4x1024 g; ez a légkörbe jutva 230 atm légnyomást adna, ami a víz kritikus pontja [vízfázis lehetıségének megszőnése] (220 bar, 374°C) fölött van (Kasting 1988). Ekkor tehát a teljes hidroszféra a légkörbe gızölgött. 90°C elérése körül a légkör már tökéletesen átlátszatlanná válik a termális infravörösben, így több hıt nem 15
A planetáris (Bond-) albedó alatt a teljes területre, éves idıbeli változásokra és minden hullámhosszra átlagolt, minden irányú visszaverést figyelembe vevı albedót számoljuk, ellentétben a geometrikus albedóval, mely kiterítve, felülrıl nézve számítja a visszaverést. Utóbbi a Földre 36%. 16
A teljes mérlegben a – fıleg trópusi – felhık fényvisszaverése kb. 20%. A jeges területek olyan helyen verik vissza a fényt, ahol nem kap túl sok energiát a Föld. 17 Philander (1998, p. 78.) szerint az üvegházhatású gázok egy óceán nélküli Földön 67°C-ra növelnék a Föld átlagos felszíni hımérsékletét. Mivel a legfontosabb üvegházgáz a vízgız, így a számítás elméletinek tekinthetı. (A megadott érték kiszámítása nincs levezetve, valószínőleg csak a hıelvonást veszi figyelembe, a látens hı felszabadulását nem.) 18 Különösen, mivel politikailag sem mindegy, hogy az egyes elemek szerepét mekkorának vesszük.A vízgız szerepére az irodalomban 50-95% között különféle adatok vannak; a vízgız aránya pedig a légkörben is helytıl és idıtıl függıen erısen változik. 19 Philipona et al. (2005) szerint ez a folyamat már megkezdıdött, méghozzá lokálisan, Európában.
12
tud kisugározni. Egy ideig 2-300°C forró gızfürdıben úszó bolygót láthatunk, ahol a magasban kicsapódó víz nem tud visszahullani a felszínre, mert még elıbb újra elpárolog. Amint a gız eljut a magaslégkörbe (mert megszőnt a hidegcsapda) (Ingersoll, 1969), az ózonpajzs hiányában vagy akár fölötte az UV sugárzás hatására fotodisszociálhat, megindul a víz felbomlása, elszökése. A magaslégkörben lévı gız már akkor is disszociál, amikor víz még van a felszínen, a víz eltőnése tehát folyamatos. Ezután következik a „klasszikus” elszabadult üvegházhatás (runaway greenhouse). A Vénuszon a H2O elszökésekor az erıteljes vulkanizmus hatására kigázolgó CO2 váltotta fel a H2O-t (a CO2-t a Vénuszon nem nyeli el semmilyen folyamat). A jövıbeli Földön az óceánok elpárolgása után az üledékbıl és vízbıl felszabaduló szén-dioxid besegítésével, kb. 2-3,5 milliárd év múlva, a Nap luminizitásának kb. 40% növekedésére következhet be ez a fázis. Ekkor a Földön is megismétlıdhet az élettelen vénuszi forgatókönyv. A Nap vörös óriás fázisáig ekkor még több milliárd év van hátra.
A szakma reakciója Több, különféle szakterületen dolgozó (paleontológia, planetológia, kozmokémia) elismert kutatót is megkérdeztem arról, hogy mi a véleménye a Ward és Brownlee könyvében népszerősített elméletrıl, mely szerint a növényekkel a széndioxid-szomj végez, a földi élettel pedig az elszabaduló üvegházhatás. A válaszoknak épp különbözısége lepett meg. Egyikük szerint ez áltudomány: a jövıre vonatkoztatva bármit lehet mondani. Másikuk számára hite az, ami a jövırıl beszél: ez számára releváns választ ad az ember vagy a Föld végérıl, de legalábbis relevánsabbat, mint egy ilyen jóslat. Egy harmadik kutató azt mondta, hogy az elmélet mindkét megalkotója kiemelkedı eredeményeket ért el saját szakterületén, tehát ez az elméleti „ujjgyakorlatuk” is tudományosnak tekinthetı. De olyan kevés adatunk van, hogy ezek megfelelı összerendezésével szinte bármit ki lehet hozni, különösen ilyen hosszú távú elırejelzés esetén. A könyv internetes elemzıi között van olyan, aki szerint a szerzık „végletesen leegyszerősítik” modelljüket és könnyen lehet, hogy alapvetı szempontokat nem vettek figyelembe a modell megalkotásakor, pl. a felhık vagy a pályaelemek változásának szerepét. A Föld olyan komplex rendszer, melyet nem lehet néhány paraméter használatával modellezni. Mindenesetre a sok bizonytalanságban az biztos, hogy a kutatók a mai, azaz megfigyelhetı és mérhetı üvegházhatás esetén sem tudnak megegyezni pl. a vízgız szerepérıl (felhıként hőt vagy inkább vízgızgént főt). Nem csak azért nehéz véleményt mondani az elméletrıl, mert egy hosszú távú, ezért igazolhatatlan predikciót tartalmaz, hanem azért is, mert valóban multidiszciplináris tudás szükséges elbírálásához: az ıslénytani, biológiai, asztrofizikai, geofizikai, éghajlattani, légkörkémiai – szinte minden föld- és élettudományi szakma együttes tudása kell hozzá, hogy egy geoszféra-bioszféra (azaz Gaia-) modellel valóban elıre tudjuk jelezni a Föld jövıjét. Talán Gaia mőködésének leírása lesz a föld- és élettudományok Nagy Egyesített Elmélete, mint amilyet a fizikusok is várnak az univerzum alapparamétereinek megmagyarázására.
Az elmélet alkalmazása: exobolygók A Föld távoli jövıjének és távoli múltjának kutatását legjobban az exobolygóknál alkalmazhatjuk. Egy csillag energiakibocsátásából számított lakhatósági zóna elméleti határaihoz képest a valóságban a klíma vagy a geodinamika folyamatai miatt a zónán belüli bolygók is válhatnak lakhatatlanná – befagyva vagy túlfőtve – s az e zónán belül talált exobolygókról tett optimista megállapítások hallatán késztethet ez óvatosságra (1. táblázat). Fontos új felismerés, hogy egy naprendszerben a lakhatósági zóna mozog, azaz ebbe be- és kikerülhetnek bolygók. Elképzelhetı, hogy egy égitest már geológiailag leállt fázisban kerül bele egy csillag lakhatósági zónájába (pl. a Naprendszerben a Mars a jövıben). Ha túl idıs egy bolygórendszer, a geológiai aktivitás és ezzel a geológiai anyagkörforgás a bolygóin leállhatott, így már esetleg nem alakulhat ki tartós, önfenntartó bioszféra. Nem ismert, hogy pusztán a napenergia milyen anyagkörforgást tud fenntartani, illetve hogy az élet aktív magnetoszféra híján milyen ökológiai fülkéket találhat. Veszélyes azonban a Föld alapján általánosítani. A ma keletkezı, tehát az univerzum nehezebb elemekben történı feldúsulása miatt eredendıen más összetételő bolygók felszíni és felszín alatti mőködése szintén eltérhet az 5 milliárd éve kialakult égitestekétıl, mint amilyen „archívum” a Föld. Lehetséges, hogy a Jupiter gravitációs pajzsa sok becsapódástól megvédte a Földet; a Hold pedig stabilizálta dılésszögét és ezzel éghajlatát: a bolygó feszíni viszonyait tehát nem lehet pusztán önmaga és napja relációjában elemezni: a rendszer egyéb égitestjeinek hatását is figyelembe kell venni. A gázóriások körüli, árapályerı főtötte, változatos összetételő holdak; a lakhatósági zónában lévı, kötött keringéső égitestek vagy a kettıscsillagok körüli bolygók más típusú, izgalmas bioszférákat hordozhatnak. Hogy miféléket ennek felderítése a jövı planetológusainak feladata lesz. Szinte végtelen számú bolygó vár (?) felfedezésre.
13
Üvegházhat Valódi felszíni Naptávolsá Feketetest Fényvisszaver Fényvisszaver Effektív g hımérséklet* és (planetáris és (pl. felhık) egyensúlyi ás főtı átlaghımérsék millió km (0% albedó albedó) hőtı hatása hımérséklet* hatása let esetén) (kb.) Vénusz 108 56 75% -96 -40 kb. + 560 kb. 465 Föld 150 6 32,5 % -25 -17,5 + 32,5 15 Mars 228 -46,5 25% -16 -62 kb. +12 kb. -50 1. táblázat: A lakhatósági zóna egykori, mai és jövıbeli planetáris lakónak felszíni hımérsékletét meghatározó tényezıi ma. Lakhatónak az a bolygó számít, ahol folyékony víz lehet a bolygón. *Feketetest-hımérséklet: 0% albedó esetén (egyensúlyi hımérséklet a teljes beérkezı energia elnyelése esetén, azaz maximális lehetséges érték). **Effektív egyensúlyi hımérséklet: a planetáris albedó hatásával (a ténylegesen elnyelt sugárzás alapján), de az üvegházhatás nélkül. °C
Az ember a legerısebb? Kérdés, hogy a mi hatásunk – a légkörben feldúsuló CO2 és CH4 – milyen hosszú távú következményekkel jár. Hogy lesz-e egyáltalán bármilyen hosszú távú, az emberiségen túlívelı klimatikus hatása annak, hogy visszaadjuk a Föld-rendszernek, amit évtíz- és százmilliókkal ezelıtt kıszénbe és kıolajba zárt, szintén nem ismert. Mindenesetre az biztos, hogy egy jégkorszak interglaciálisában vagyunk, ami eleve nem maradhat stabil klímájú. A Föld eddigi története során a hirtelen éghajlati változásokat követték kihalások. Most az ember lett egy ilyen eseménysorozat elıidézıje, és ezt már klímaváltozás nélkül is „elérte”. A napluminozitás növekedése, a Föld hıtermelésének csökkenése, a bolygóközi törmelékek lassú „kisöprése” visszafordíthatatlan, egyirányú folyamatok, így e tekintetben a múltbéli események nem szolgálnak jó analógiaként a távoli jövı elırejelzésre. A Nap holnap is felkel, de ahogy nem léphetünk ugyanabba a folyóba kétszer, a holnap felkelı Nap sem az, amit tegnap láttunk, különösen hosszú távon nem. Az élet – a természetes és szexuális kiválasztódás – és a geológiai folyamatok bizarr játéka következtében négy milliárd évbe tellett, hogy bolygónkon az elsı értelmére ébredt faj megjelenjen. Mi vagyunk az elsık, de korántsem biztos, hogy az egyetlen értelmes földlakók. A földtörténet nagy katasztrófái utáni kihalásokat evolúciós ugrások, az új élettereken új és új típusú fajok megjelenése követte. Lehet, az ember esetleg földtörténeti korokon is átívelı (pillangó)hatása más, értelmes(ebb) fajok létezésének adna esélyt vagy fosztja meg ıket tıle (hogy melyik, az persze nem fog kiderülni). Még a borúlátó jóslatok idıskálájába is belefér jónéhány földi értelmes faj kialakulása. Egy faj élettartama néhány millió év: a bioszféra hátralevı életé még (feltehetıen) ennek sokszorosa. A távoli jövı is eljön egyszer; itt, ezen a bolygón is; Gaia megéri, ha mi, Homo sapiensek nem is. Esetleg automatáink a kék Marsról.
Hivatkozások Anderson D. L. (2005): Energetics of the Earth and the Missing Heat Source Mystery. MantlePlumes.org Bertaux J-L, M. Carr, D. J. Des Marais, E. Gaidos (2007): Conversations on the Habitability of Worlds: The Importance of Volatiles Space Sci Rev 129: 123–165 Bounama Ch., Franck S, Bloh W. (2001) The fate of Earth’s ocean Hydrology and Earth System Sciences, 5(4), 569– 575 Budyko M. I.: The Earth’s Climate: Past and Future. Academic Press 1982. Caldeira K., Kasting J. F. (1992).: The life span of the biosphere revisited. Nature vol 360, 1992. dec. 24-31 pp. 721723. Fodorpataki László (2004): A növények fotoszintézise. Kriterion, Kolozsvár, 2004. Franck S., Kossacki K., Bounama Ch. (1999): Modelling the global carbon cycle for the past and future evolution of the earth system Chemical Geology 159, pp. 305–317 Franck, S., A. Block, W. von Bloh, C. Bounama, H. J. Schellnhuber, Y. Svirezhev (2000) Reduction of Biosphere Life Span as a Consequence of Geodynamics Tellus 52B, 94-107 Franck, S. , C. Bounama, W. von Bloh (2006): Causes and timing of future biosphere extinctions Biogeosciences, 3, 85–92, Gaffey M. J. (1997): The early Solar System. Origins of Life and Evolution of the Biosphere 27: 185–203, 1997.
14
Gough D.O. (1981): Solar interior structure and luminosity variations Solar Physics 74, pp. 21-34 Graedel T. E., Sackmann I-J., Boothroyd A. I. (1991): Early Solar mass lost: A potential solution to the weak sun paradox. Geophysical Research Letters, 18, pp. 1881-1884. Hoffman, P.F., Kaufman, A.J., Halverson, G.P. & Schrag, D.P. (1998): A Neoproterozoic snowball Earth. Science 281, pp. 1342-46. Hoffman, P.F., Schrag, D.P. (2002): The snowball Earth hypothesis: testing the limits of global change Terra Nova, Vol 14, No. 3, 129–155 Holton, J. R. and Gettelman, A (2001).: Horizontal transport and the dehydration of the stratosphere, Geophys. Res. Lett., 28, 2799– 2802.
Ingersoll, A. P. (1969): The runaway greenhouse: A history of water on Venus. J. Atmos. Sci. 26: 1191-98. Kasting J. F. (1987): Theoretical constraints on oxygen and carbon dioxide concentrations in the Precambrian atmosphere. Precambr. Res. 34, 205, pp. 205-229 Kasting, J. F. (1988): Runaway and moist greenhouse atmospheres and the evolution of Earth and Venus Icarus, vol. 74, June 1988, pp. 472-494 Kirschvink, J. L. (1992): Late Proterozoic low-latitude global glaciation: the Snowball Earth, in JW Schopf & C Klein [szerk.] The Proterozoic Biosphere – A Multidisciplinary Study. Cambridge, pp. 51-52. Matsui T, Abe Y. (1986): Evolution of an impact-induced atmosphere and magma ocean on the accreting Earth Nature 319, 303-305 Lovelock J. E., M. Whitefield (1982): Life span of the biosphere. Nature 296, 561 - 563; Lovelock, J. (1979): Gaia. A földi élet egy új nézıpontból. Göncöl Kiadó, Budapest, 1987 (angol eredeti: 1979) Philander, G. (1998): Is the Temperature Rising? The Uncertain Science of Global Warming. Princeton University Press Philipona, R., B. Dürr, A. Ohmura, and C. Ruckstuhl (2005): Anthropogenic greenhouse forcing and strong water vapor feedback increase temperature in Europe, Geophys. Res. Lett., 32 Sackmann I-J., Boothroyd A. I., Kraemer, K. E. (1993): Our Sun III. Present and Future. The Astrophisycal Journal 418. pp. 457-468. S. Sárdi Margit és munkatársai (1995) A tudományos fantasztikum témakörei. Magyar Scifitörténeti Társaság, http://scifi.elte.hu/cikk.phtml?cim=kodlista.html Ward P. D. és D. Brownlee (2003): The Life and Death of Planet Earth Times Books Flammarion, C (1894).: Milyen lesz a világ vége. Légrády-testvérek, Budapest
A távoli jövıben a Föld légköre jórészt megszökik, a lassan felfúvódó Nap mind forróbra melegíti kihalt, vízmentes felszínét (modell). (fantáziamontázs)
15
A Földet a távoli jövıben gızlégkör övezi; alatta halványan látható az új elrendezéső kontinensek élettelen felszíne. (fantáziamontázs)
16
