A Föld klímája nagy változásokon ment keresztül, a globális vulkanizmustól a bolygót lehűlő jégkorszakokig és a napsugárzás drámai változásaiig. Pedig az élet az elmúlt 3,7 milliárd évben folyamatosan verte.

Az MIT kutatóinak a Science Advancesben végzett tanulmánya most megerősíti, hogy a bolygó egy „stabilizáló visszacsatolási” mechanizmussal rendelkezik, amely több százezer éven keresztül működik, hogy visszarántsa az éghajlatot a küszöbről, és a globális hőmérsékletet állandó, lakható tartományon belül tartsa.

Csak hogyan valósítja meg ezt? Valószínűleg a „szilikátmállás” – egy geológiai folyamat, amelynek során a szilikátkőzetek lassú és egyenletes mállása olyan kémiai reakciókat foglal magában, amelyek végül a szén-dioxidot kivonják a légkörből az óceáni üledékekbe, és a gázt a kőzetekben csapdába ejtik.

A tudósok régóta gyanítják, hogy a szilikát mállás nagy szerepet játszik a Föld szénciklusának szabályozásában. A szilikát mállási mechanizmus geológiailag állandó erőt biztosíthat a szén-dioxid – és a globális hőmérséklet – kordában tartásában. De eddig soha nem volt közvetlen bizonyíték az ilyen visszacsatolás folyamatos működésére.

Az új eredmények a paleoklíma adatainak tanulmányozásán alapulnak, amelyek rögzítik a globális átlaghőmérséklet változásait az elmúlt 66 millió évben. Az MIT csapata matematikai elemzést alkalmazott annak megállapítására, hogy az adatok feltártak-e olyan stabilizáló jelenségekre jellemző mintákat, amelyek geológiai időskálán szabályozzák a globális hőmérsékletet.

Azt találták, hogy valóban úgy tűnik, hogy a Föld hőmérsékleti ingadozásai több százezer éves időskálán mérséklődnek. Ennek a hatásnak az időtartama hasonló ahhoz az időtartamhoz, amely alatt a szilikát mállás várhatóan hat.

Az eredmények az elsők, amelyek tényleges adatokkal igazolják a stabilizáló visszacsatolás létezését, amelynek mechanizmusa valószínűleg a szilikátos időjárás. Ez a stabilizáló visszacsatolás megmagyarázná, hogy a Föld hogyan maradt lakható a geológiai múlt drámai éghajlati eseményei révén.

„Egyrészt jó, mert tudjuk, hogy a mai globális felmelegedés végül megszűnik a stabilizáló visszacsatolás révén” – mondja Constantin Arnscheidt, az MIT Föld-, Légkör- és Bolygótudományi Tanszékének (EAPS) végzős hallgatója. „Másrészt azonban több százezer évbe telik, mire ez megtörténik, tehát nem elég gyorsan ahhoz, hogy megoldjuk mai problémáinkat.”

A tanulmány társszerzői Arnscheidt és Daniel Rothman, az MIT geofizika professzora.

Stabilitás az adatokban

A tudósok már korábban is láttak utalásokat az éghajlatstabilizáló hatásra a Föld szénciklusában: az ősi kőzetek kémiai elemzései kimutatták, hogy a Föld felszíni környezetébe és onnan kifelé irányuló szénáramlás viszonylag kiegyensúlyozott maradt, még a globális hőmérséklet drámai ingadozása révén is. Ezenkívül a szilikátos időjárási modellek azt jósolják, hogy a folyamatnak valamilyen stabilizáló hatással kell lennie a globális éghajlatra. És végül, a Föld tartós lakhatóságának ténye a szélsőséges hőmérsékleti ingadozások bizonyos eredendő, geológiai ellenőrzésére utal.

„Van egy bolygó, amelynek éghajlata oly sok drámai külső változásnak volt kitéve. Miért élte túl az élet ennyi ideig? Az egyik érv az, hogy szükségünk van valamiféle stabilizáló mechanizmusra, hogy a hőmérsékletet az élethez megfelelő szinten tartsuk” – mondja Arnscheidt. 
"De soha nem bizonyították adatokból, hogy egy ilyen mechanizmus következetesen szabályozta volna a Föld éghajlatát."

Arnscheidt és Rothman arra törekedett, hogy megerősítse, valóban működött-e a stabilizáló visszacsatolás azáltal, hogy a globális hőmérséklet-ingadozások adatait vizsgálták a geológiai történelem során. Egy sor globális hőmérsékleti rekorddal dolgoztak, amelyeket más tudósok állítottak össze, az ősi tengeri kövületek és kagylók kémiai összetételéből, valamint a megőrzött antarktiszi jégmagokból.

"Ez az egész tanulmány csak azért lehetséges, mert nagy előrelépések történtek a mélytengeri hőmérsékleti rekordok felbontásának javítása terén" - jegyzi meg Arnscheidt. „Most már 66 millió évre visszamenőleg állnak rendelkezésünkre adatok, amelyek között legfeljebb több ezer év van egymástól.”

Gyorshajtás a megállóig

Az adatokhoz a csapat a sztochasztikus differenciálegyenletek matematikai elméletét alkalmazta, amelyet általában a széles körben ingadozó adatkészletek mintáinak feltárására használnak.

„Rájöttünk, hogy ez az elmélet előrejelzéseket ad arra vonatkozóan, hogy milyennek látnánk a Föld hőmérsékleti történetét, ha bizonyos időskálán érkeztek volna visszajelzések” – magyarázza Arnscheidt.

Ezzel a megközelítéssel a csapat elemezte a globális átlaghőmérséklet történetét az elmúlt 66 millió évre vonatkozóan, figyelembe véve a teljes időszakot különböző időskálákon, például több tízezer év és több százezer év között, hogy kiderüljön-e a stabilizáló visszacsatolás mintái. minden időskála.

"Bizonyos mértékig olyan, mintha az autója száguldana az utcán, és amikor behúzza a féket, sokáig csúszik, mielőtt megállna" - mondja Rothman. 
„Van egy időskála, amelyen belül a súrlódási ellenállás vagy a stabilizáló visszacsatolás beindul, amikor a rendszer visszatér állandósult állapotába.”

A visszacsatolás stabilizálása nélkül a globális hőmérséklet-ingadozások idővel növekedni fognak. A csapat elemzése azonban feltárt egy olyan rendszert, amelyben a fluktuációk nem növekedtek, ami arra utal, hogy egy stabilizáló mechanizmus uralkodott az éghajlaton, mielőtt az ingadozások túlságosan extrémek lettek volna. Ennek a stabilizáló hatásnak az időskálája – több százezer év – egybeesik azzal, amit a tudósok a szilikátmállásra jósolnak.

Érdekes módon Arnscheidt és Rothman azt találta, hogy hosszabb időtávon az adatok nem mutattak ki stabilizáló visszacsatolást. Vagyis úgy tűnik, hogy egymillió évnél hosszabb időtávon nincs visszatérő visszahúzódása a globális hőmérsékletnek. Mi tartotta kordában a globális hőmérsékletet ezen hosszabb időtávon?

„Van egy olyan elképzelés, hogy a véletlennek nagy szerepe lehetett abban, hogy több mint 3 milliárd év után miért létezik még élet” – mondja Rothman.

Más szóval, mivel a Föld hőmérséklete hosszabb szakaszokon ingadozik, előfordulhat, hogy ezek az ingadozások geológiai értelemben elég kicsik ahhoz, hogy egy stabilizáló visszacsatolás, például a szilikátos mállás időszakosan kordában tarthassa az éghajlatot. és még pontosabban, lakható zónán belül.

„Két tábor létezik: egyesek szerint a véletlenszerű véletlen elég jó magyarázat, mások szerint pedig stabilizáló visszacsatolásnak kell lennie” – mondja Arnscheidt. 
„Közvetlenül adatokból meg tudjuk mutatni, hogy a válasz valószínűleg valahol a kettő között van. Más szóval, volt némi stabilizáció, de valószínűleg a tiszta szerencse is szerepet játszott abban, hogy a Föld folyamatosan lakhatóvá vált.”

Ezt a kutatást részben a MathWorks-ösztöndíj és a National Science Foundation támogatta.

f