Nauka

Lotny moderator

CO2 - wróg publiczny nr 1?

Zjawiskom wulkanicznym i gorącym źródłom towarzyszą na kolosalną skalę wyziewy różnych gazów. Zjawiskom wulkanicznym i gorącym źródłom towarzyszą na kolosalną skalę wyziewy różnych gazów. giopuo / Flickr CC by SA
W powszechnym­ odczuciu dwutlenek­ węgla nie dość, że psuje klimat, to jeszcze wtrąca się do gospodarki świata. Ale wątpliwe, czy wyrok, jaki usiłują wydać na niego i klimatolodzy,­ i politycy, może być wykonany.

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 siarkowodór, dwutlenek węgla, metan.

Jedna z hipotez mówi, że zaczynem życia mogły być tlenek i dwutlenek węgla pochodzące z gorącej magmy w głębokomorskich źródłach wulkanicznych. Miałyby się one wiązać na powierzchni ziaren siarczków żelaza (pirytu) i reagować z wodorem z gorących źródeł, tworząc monomery organiczne. Uważa się również, że w tych najdawniejszych czasach, prawdopodobnie co najmniej 3,5 mld lat temu, zaczęła funkcjonować fotosynteza, jednak o charakterze nietlenotwórczym. Taką metodę miały wykorzystywać pewne bakterie i glony – najbardziej archaiczne organizmy na naszej planecie. A dwutlenek węgla stanowił jeden z podstawowych składników pokarmowych.

Ale gdy mniej więcej 2 mld lat temu pojawił się w atmosferze wolny tlen – wszystko się zmieniło. Skalę tej zmiany obrazuje jedna liczba – z gazu ongiś dominującego w atmosferze zostało nam dzisiaj 0,035 proc. Słownie: trzydzieści pięć tysięcznych procenta. Co się stało? Skąd taka degradacja? Na kosmiczną wręcz skalę.

Potrzebne było miejsce dla tlenu. Poza tym Słońce grzało coraz mocniej, a życie zaczęło wytwarzać także inne gazy cieplarniane (np. metan, amoniak). Czy dwutlenek węgla przestawał być potrzebny? Otóż dopiero teraz, w tym tlenotwórczym wariancie fotosyntezy dwutlenek węgla stał się naprawdę niezbędny. Tego fundamentalnego równania uczą się dzieci już w szkole podstawowej: woda + światło + dwutlenek węgla = tlen i materia organiczna.

Nie może być życia bez węgla, a ten materia ożywiona czerpie z dwutlenku węgla. A jednak to właśnie rodzące się życie obeszło się z dwutlenkiem węgla dość okrutnie.

Gaz w grobie

Wielu z nas choć raz w życiu było w Dolinie Kościeliskiej. Albo przynajmniej oglądało białe ściany Giewontu z Krupówek, w dolinie Prądnika podziwiało skały Ojcowa, Pieskową Skałę. A może Pieniny? A już na pewno każdy trzymał w ręku kawałek węgla. I te białe skały (wapienie, dolomity, marmury) i węgiel ze Śląska to jest to samo – grobowiec dwutlenku węgla. Tego właśnie sprzed milionów i miliardów lat. Jak uziemił się nadmiar CO2?

Najpierw zadziałała czysta chemia – wspomniany już bardzo aktywny kwas węglowy (dwutlenek węgla rozpuszczony w wodzie deszczowej) niszczył powierzchniowe skały wchodząc w reakcje chemiczne z wapniem i magnezem. Produktem były węglany, które osadzały się na dnie mórz. W ten sposób dwutlenek węgla samoczynnie, niejako na własne życzenie, usuwał się z atmosfery. Potem na geologiczny cmentarz zaczęły go odsyłać organizmy żywe – lądowe, a zwłaszcza morskie. Zaczęły wykorzystywać dwutlenek węgla rozpuszczony w wodzie do budowy swoich skorupek i pancerzy, które przez miliony lat w postaci węglanowego deszczu opadały (i wciąż opadają) na dno oceanów, tworząc pokłady o kilometrowych grubościach. Dzięki procesom górotwórczym możemy je dziś podziwiać w Tatrach Zachodnich, w Jurze Krakowsko-Częstochowskiej, w klifach angielskich wybrzeży nad kanałem La Manche czy w masywie Everestu.

Niektórzy badacze podejrzewają, że wybuch aktywności biologicznej ok. 900 mln lat temu i zbyt gwałtowny proces pobierania dwutlenku węgla z atmosfery mógł doprowadzić do obniżenia ogólnej temperatury i do szybkiego rozrastania się powierzchni pokrytych śniegiem i lodem. Biała Ziemia odbijała coraz więcej promieni słonecznych, co przy jasności Słońca mniejszej niż obecnie mogło doprowadzić do lawinowego spadku temperatury i przeobrażenia Ziemi w mroźną białą kulę – stabilną i martwą śnieżkę. Coś takiego prawdopodobnie wydarzyło się w dziejach Ziemi – i to dwukrotnie. Co nas uratowało? Aktywność gorącego wnętrza Ziemi. A tak naprawdę znowu dwutlenek węgla, dostarczany do atmosfery przez wulkany – niekonsumowany przez organizmy żywe zgromadził się w atmosferze w niespotykanym stężeniu, nasilając efekt cieplarniany. A życie? Ono jest praktycznie niezniszczalne. Przetrwało pod lodową pokrywą, odradzając się po jej ustąpieniu jeszcze bujniej.

A jednak, na dłuższą metę, widoczny jest w dziejach Ziemi trend do stopniowego zmniejszania się zawartości wolnego dwutlenku węgla w atmosferze. Jeszcze na początku paleozoiku (600–400 mln lat temu) jego zawartość była kilkunastokrotnie większa niż obecnie. W okresie karbonu (ok. 300 mln lat temu) jego poziom spadł do praktycznie współczesnego stanu, chociaż w cieplarnianych czasach mezozoiku było go znowu w powietrzu 4–5 razy więcej. Rodzi się zatem niepokojące pytanie: czy dwutlenek węgla – służący przecież do budowy materii organicznej i dbający o termikę atmosfery – jest już stracony na zawsze? Ależ skąd!

Plankton na parę

„Wody i skały naszej planety są pełne węgla, który nie może się doczekać, kiedy zostanie utleniony i zasili pulę CO2 w powietrzu” – zauważa w swojej książce „Twórcy pogody” Tim Flannery, australijski biolog ze Zrzeszenia Zaniepokojonych Naukowców (Wentworth Group of Concerned Scientists). Dotyczy to i tego dwutlenku węgla pogrzebanego w głębokich grobach, na dnie oceanów, i tego pochowanego płytko – w torfie, węglu, ropie naftowej, gazie, i tego budującego organizmy żywe. Razem z tym w mikroskopijnej ilości zawartym w powietrzu – nieustannie krąży, zamieniając się miejscami, uzupełniając niedobory lub tnąc nadwyżki.

Ten węgiel najgłębiej pogrzebany czeka oczywiście najdłużej. Muszą minąć miliony lat, nim skały osadowe na dnie mórz ulegną w głębi skorupy ziemskiej przeobrażeniu w magmę, która następnie wydostanie się ponownie na powierzchnię w kraterach wulkanicznych i ryftach śródoceanicznych. Zjawiskom wulkanicznym i gorącym źródłom towarzyszą na kolosalną skalę wyziewy różnych gazów. Tą drogą powraca też do atmosfery dwutlenek węgla zmagazynowany na „trudne czasy”.

Krążąc między litosferą, hydrosferą, biosferą i atmosferą, dwutlenek węgla uczestniczy w skomplikowanych sprzężeniach zwrotnych – dodatnich i ujemnych. Kiedy na przykład tektonika płyt jest bardzo aktywna, a powierzchnia mórz wzrasta, do atmosfery wydziela się dużo CO2, a klimat staje się cieplejszy i wilgotniejszy. To przy wysokim stężeniu CO2 przyspiesza proces wietrzenia i sprzyja rozwojowi fitoplanktonu w wodach, co z kolei prowadzi do usuwania nadmiaru dwutlenku węgla. Z czymś takim mieliśmy do czynienia w okresie kredowym (ok. 100 mln lat temu), gdy w krótkiej skali czasowej doszło do nawet pięciokrotnego wzrostu stężenia dwutlenku węgla w atmosferze.

Ląd bez lodu

Innego rodzaju sprzężenia zwrotnego możemy się spodziewać w naszych czasach. Globalne ocieplenie powoduje zmniejszenie lub zanik pokrywy lodowej i śniegowej. Ciemniejsza powierzchnia pochłania jeszcze więcej światła słonecznego, powodując jeszcze większe nagrzanie. Jednak z ogrzanych oceanów zaczyna parować więcej wody. Wzrasta zachmurzenie, które odbija więcej światła z powrotem w przestrzeń kosmiczną. Ilość ciepła docierającego do powierzchni planety spada – to prosta droga ku kolejnej epoce lodowcowej.

Przyroda wciąż wymyśla nowe mechanizmy ulepszające termostat Ziemi. 300 mln lat temu wymyśliła plankton wapienny – drobne morskie skorupiaki. Stworzonka te swobodnie dryfują po otwartym oceanie regulując obieg węgla między atmosferą, oceanem i osadami dennymi. Nadwyżkę dwutlenku węgla pochłonęły rafy koralowe, które we współczesnej postaci powstały i szeroko się rozprzestrzeniły 55 mln lat temu. Nie do końca wiemy, po co powstały (6–8 mln lat temu) formacje darniowe, czyli trawy. Widocznie potrzebne było kolejne spowolnienie obiegu dwutlenku węgla w przyrodzie.

Czy w takim razie cywilizacja ludzka nie jest przypadkiem sposobem na uwolnienie pewnych zasobów dwutlenku węgla z tych najpłytszych źródeł (paliwa kopalne), żeby całkowicie pozbyć się lodów z powierzchni Ziemi? Jak w takim razie wyglądają nasze próby – nieporadne i, jak wielu uważa, bezskuteczne – przeciwdziałania temu procesowi? Czy nie są przejawem naszego niezwykłego zarozumialstwa podsycanego przez współczesnych klimatologów, przekonanych, że rozpoznali już mechanizmy termostatu Ziemi?

Zapominamy, że to nie nam decydować, co jest stanem równowagi dla Ziemi i biosfery. Nasza działalność (łącznie z najbrudniejszym przemysłem, całą chemią, nawet wojną nuklearną) nie jest w stanie zaszkodzić Ziemi. James Lovelock, twórca hipotezy Gai, pisze: „Wydaje się, że wojna jądrowa na pełną skalę, choć z pewnością straszliwa dla wszystkich jej uczestników, nie stałaby się tak często przedstawianą powszechną apokalipsą. Dla Gai mogłaby przejść niemal niezauważona”. Podobnie jak wszystkie niemal wytwory naszej cywilizacji, co opisał niedawno Alan Weisman w książce „Świat bez nas”. Z jego obserwacji wynika, że znaczna część infrastruktury tworzonej przez człowieka uległaby niemal natychmiastowemu zniszczeniu. Wiele domów zawaliłoby się w ciągu kilkudziesięciu lat. Dłużej, przez tysiąclecia, mogłyby przetrwać niektóre przedmioty codziennego użytku (z tworzyw sztucznych, stali nierdzewnej).

Wszystkie drobne zaburzenia równowagi przyrodniczej, które my lubimy nazywać globalnymi katastrofami, przyroda wyrównałaby sobie w ciągu kilku dziesięcioleci. Cóż więc wobec jej potęgi znaczą nasze najlepsze albo najgorsze działania? Mogą zaszkodzić, i z pewnością zaszkodzą, tylko nam samym.

 

Polityka 50.2009 (2735) z dnia 12.12.2009; Nauka; s. 74
Oryginalny tytuł tekstu: "Lotny moderator"
Więcej na ten temat
Reklama

Czytaj także

Ja My Oni

Uroda przynosi w życiu profity. Ale nie jest źródłem szczęścia

Już trzymiesięczne niemowlęta przyglądają się ładnym twarzom istotnie dłużej niż nieładnym. I niezależnie od wieku, płci i rasy pochylającej się nad nimi osoby.

Grzegorz Gustaw
26.11.2019
Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną