CO2 - wróg publiczny nr 1?

Lotny moderator

Pewien skromny XVII-wieczny flamandzki medyk i alchemik, podobnie jak tysiące innych mieszkańców zimniejszych krain Europy, od Londynu po Moskwę, każdej zimy spalał w kominku stosy drewna. Jak wszyscy wrzucał w ogień kolejne szczapy i wpatrywał się w ten magiczny obraz ujarzmionego żywiołu. Zapewne z tych rozmyślań zrodziło się pytanie: jak to jest, że spala się stosy drewna, a popiół wynosi w jednym małym wiaderku? Johann Baptysta van Helmont nie byłby alchemikiem (niektórzy uważają go za pierwszego chemika), gdyby nie zechciał tej obserwacji pogłębić. W jednym z eksperymentów spalił 62 funty drewna dębowego, otrzymując 1 funt popiołu. Doszedł do wniosku, że 98 proc. materii przekształciło się w gaz, który pierwotnie określił jako nieokiełznana (dzika) substancja lotna; po łacinie nazwano go spiritus silvestris, co oznacza gaz leśny (przy okazji Helmont wymyślił też sam termin gaz, deformując z flamandzka grecki chaos). Tak oto w ludzkiej świadomości zaistniał dwutlenek węgla.

Dziś wiemy, jak bardzo jest wszędobylski, choć zachowuje się tak, jakby go nie było. Nie widać go, nie ma zapachu ani koloru. Chętnie znika na dłużej w wodzie lub skałach. Lubi przebywać w gorzelniach, wytwórniach win i cukrowniach, w kopalniach i studzienkach kanalizacyjnych. Jest wielkim budowniczym – utwardza zaprawę i beton, z których tworzymy naszą cywilizację. Ma też zmysł artystyczny – to przy jego udziale powstał wystrój najpiękniejszych jaskiń świata – te wszystkie stalaktyty, draperie i perły jaskiniowe. Od odkrycia Helmonta musiało jednak upłynąć 200 lat, zanim dotarło do nas, że współrządzi światem żywym. I kolejne 200, zanim zorientowaliśmy się, że rządzi klimatem Ziemi.

Dach szklarni

Skąd wziął się naprawdę? To pytanie do gwiazd – tych z początku Wszechświata. To one były tyglem, w którym wytapiały się wszystkie pierwiastki cięższe od wodoru i helu. O młodej Ziemi wiemy, że niezależnie od sposobu, w jaki powstała (na zimno czy na gorąco), to w pewnym okresie, na pewno dawniej niż 4 mld lat temu, przypominała rozpalony, ale stygnący z biegiem czasu piec. Obecność w takich warunkach dwutlenku węgla wydaje się dość naturalna – był, obok tlenku węgla (CO) i azotu (N₂), produktem odgazowania stygnącej magmy. Do dziś zresztą, poprzez kratery wulkaniczne i ryfty, wnętrze Ziemi uwalnia pewne ilości tych gazów. Istotnym źródłem dwutlenku mogło też być bombardowanie meteorytowe naszej planety, szczególnie intensywne 4,5–4 mld lat temu. Uważa się, że właśnie wtedy, na najwcześniejszym etapie, uwolnione zostało z wnętrza Ziemi ok. 80–90 proc. całego ziemskiego CO₂. Reszta uwalniała się stopniowo w młodszych okresach dziejów Ziemi. Powiedzieć, że dwutlenek węgla dominował w atmosferze młodej Ziemi – to mało. Ocenia się, że w ówczesnej atmosferze było go 600 razy więcej niż obecnie. Przypominała ona, być może, obecne atmosfery Wenus i Marsa, w których zawartość CO₂ sięga 95–97 proc.

Do czego był potrzebny dwutlenek węgla w tych najbardziej zamierzchłych czasach? Przede wszystkim, żeby nie wychłodzić ani nie przegrzać kolebki życia. Zobaczmy, co by było, gdyby wokół dawnej Ziemi, tej sprzed 4 mld lat, zainstalować naszą współczesną atmosferę. Średnia temperatura powierzchni planety byłaby niższa od punktu zamarzania wody. Ówczesne Słońce nie świeciło bowiem jeszcze pełną mocą – ocenia się, że było o jedną trzecią słabsze. Tymczasem z zapisu skalnego wiemy, że woda w stanie ciekłym istniała na powierzchni Ziemi bardzo wcześnie, przynajmniej 3,8 mld lat temu. To właśnie CO₂, podobnie jak dziś, był tym dachem szklarni, który nie przeszkadza w docieraniu promieniowania słonecznego do powierzchni Ziemi, ale uniemożliwia wypromieniowanie z niej ciepła w przestrzeń kosmiczną. Ale gdyby odwrócić sytuację i naszą współczesną Ziemię otulić tą pierwotną atmosferą sprzed miliardów lat, to dach tej szklarni, wielokrotnie grubszy niż obecnie, zmieniłby powierzchnię naszej planety w prawdziwe piekło. W obu przypadkach szansa na zagnieżdżenie się życia byłaby znikoma.

Na szczęście dwutlenek węgla dobrze rozpuszcza się w wodzie, a jednocześnie potrafi z niej się uwolnić. W ten sposób z pomocą mórz i oceanów reguluje swoje stężenie w atmosferze. Ten duet – woda i dwutlenek węgla – funkcjonuje niezwykle sprawnie, gdyż w ciągu ostatnich 3,5 mld lat klimat na Ziemi zawsze sprzyjał życiu, choć kilkakrotnie nasza planeta zamieniała się w lodową kulę.

Dwutlenek węgla był też, w czasach gdy w atmosferze nie było jeszcze wolnego tlenu, głównym rzeźbiarzem powierzchni Ziemi. Jest bardzo aktywny chemicznie. Rozpuszczając się w wodzie, tworzy kwas węglowy, który był pierwszorzędnym niszczycielem powszechnych wówczas na Ziemi skał magmowych. Wyrywał z budujących te skały krzemianów atomy wapnia i magnezu tworząc węglany, a te osadzały się na dnie ówczesnych mórz i oceanów w postaci wapieni, dolomitów, przeobrażonych niekiedy w marmury. Powstały wtedy pokłady tych skał o nieprawdopodobnej wprost miąższości. Przez 2 mld lat, a więc prawie połowę dziejów Ziemi, dwutlenek węgla wyręczał tlen w dziele przeobrażania ziemskiej litosfery. Płacił za to wysoką cenę – trafiał na geologiczny cmentarz (jednak z nadzieją zmartwychwstania).

Tarcza ozonowa

Pierwotna Ziemia była niemal pozbawiona wolnego tlenu, a tym samym w zupełnie śladowych ilościach występował atmosferyczny ozon (O3), absorbujący promieniowanie ultrafioletowe (UV). Jej powierzchnia poddana była więc działaniu tego śmiertelnego dla wczesnych form życia czynnika, zanim nie rozwinęły się biochemiczne mechanizmy chroniące organizmy przed promieniami UV i naprawiające wywołane przez nie uszkodzenia w materiale genetycznym. W sukurs przyszedł dwutlenek węgla, a zwłaszcza ten z wyższych warstw atmosfery. Następowała tam tzw. fotodysocjacja, czyli rozpad CO₂ pod wpływem krótkofalowego światła słonecznego na węgiel oraz wolny tlen. Koncentracja tego gazu w górnej atmosferze sprzyjała formowaniu się warstwy ozonowej, której rolę rozpoznaliśmy nie tak dawno. Wiemy, że jest tarczą, która chroni organizmy żywe przed szkodliwym działaniem promieniowania ultrafioletowego Słońca.

Przez pierwszych kilkaset milionów lat dwutlenek węgla kształtował warunki na powierzchni naszej planety. I nawet wtedy, gdy pojawiło się życie, mógł spokojnie zapełniać ziemską atmosferę. Najpierwotniejsze bowiem ślady życia wskazują, że narodziło się ono, gdy nie było wolnego tlenu w atmosferze. Nawiasem mówiąc, brak tlenu w powietrzu i wodzie był zbawienny, gdyż w przeciwnym razie nie byłaby możliwa synteza wielu związków organicznych nieodzownych do powstania życia. W każdym razie gdy ok. 2 mld lat temu wkroczyło na arenę dość gwałtownie życie tlenowe, a więc to oparte na fotosyntezie, świat już kipiał życiem, które lubowało się takim otoczeniem, jak

...

[pełna treść dostępna dla abonentów Polityki Cyfrowej]