Gaz nieokiełznany

Przez cztery i pół miliarda lat nikomu nie wadził. Przeciwnie, wiernie, choć dyskretnie, troszczył się o życie na Ziemi. Aż nagle pewien gatunek strunowców, który sam nadał sobie przydomek sapiens, rozpanoszył się na planecie w czasie jednej z przerw między zlodowaceniami i uznał dwutlenek węgla za wroga numer 1. Za wroga ludzkiej cywilizacji, ba, wroga całej przyrody.

A przecież to ten gaz był przy narodzinach Ziemi. To on przez pierwsze miliony lat przygotowywał kolebkę dla najbardziej niezwykłego tworu pod Słońcem, a może w całym wszechświecie: dla życia. To on był jego niańką na niemowlęcym etapie, w warunkach, gdy w atmosferze nie było jeszcze tlenu. Gdy na arenę wkroczyło życie tlenowe, został jego ochroniarzem, ale okazał się przede wszystkim niezastąpiony jako jego współtwórca, będąc uczestnikiem fotosyntezy (tego fundamentalnego równania uczą się dzieci już w szkole podstawowej: woda + światło + dwutlenek węgla = tlen + materia organiczna).

Przy tym dwutlenek węgla nie jest natrętny, doskonale wyczuwa, kiedy i gdzie jest go za dużo lub za mało – i usuwa się w cień. Ale zawsze jest gotowy do powrotu, gdyby pojawiło się zagrożenie dla ukochanego dziecka Ziemi – życia.

TAJEMNICA SMOCZEJ JAMY

Początki dla ziemskiego dwutlenku węgla były bardzo obiecujące. Uważa się, że właśnie na najwcześniejszym etapie ewolucji planety, 4-4,5 mld lat temu, 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 CO₂ w ówczesnej atmosferze było 600 razy więcej niż obecnie. Przypominała ona być może obecne atmosfery Wenus i Marsa, w których zawartość CO₂ sięga 95-97 proc.

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 w okresie 4,5-4 mld lat temu.

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 go nam dzisiaj 0,035 proc.

Co się stało? Skąd taka degradacja na kosmiczną wręcz skalę?

Chyba każdy choć raz w życiu był na Wawelu i w Smoczej Jamie. A jeżeli nie, to może podziwiał Ojcowski Park Narodowy. A przynajmniej trzymał w ręku kawałek węgla. Zarówno te białe skały (wapienie, dolomity, marmury), jak i węgiel ze Śląska, są tym samym: grobowcem dwutlenku węgla. Tego właśnie sprzed milionów i miliardów lat.

Jak naturze udało się tak „uziemić” nadmiar CO₂? Dwutlenek węgla w czasach, gdy w atmosferze nie było jeszcze wolnego tlenu, był głównym rzeźbiarzem powierzchni Ziemi. Jest bardzo aktywny chemicznie. Rozpuszczając się w wodzie, tworzy kwas węglowy, który stał się pierwszorzędnym niszczycielem powszechnych wówczas na Ziemi skał magmowych. Rozpuszczony w wodzie deszczowej, 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. W ten sposób dwutlenek węgla samoczynnie usuwał się z atmosfery.

Potem na geologiczny cmentarz zaczęła go odsyłać działalność organizmów żywych. Organizmy zarówno lądowe, jak i morskie, ale przede wszystkim morskie, zaczęły wykorzystywać dwutlenek węgla rozpuszczony w wodzie morskiej do budowy swoich skorupek i pancerzy, które przez miliony lat w postaci „węglanowego deszczu” opadały (i wciąż opadają) na dno oceanów, gdzie tworzą 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.

ZBUDOWAŁ SZKLARNIĘ

O jego istnieniu dowiedzieliśmy się zaledwie 400 lat temu. A 200 lat temu pojawiło się pierwsze nieśmiałe pytanie: dlaczego zalewana promieniami słonecznymi Ziemia nie nagrzewa się do momentu, kiedy sama stanie się tak gorąca jak Słońce? Postawił je sobie matematyk, genialny Jean Baptiste Fourier. Być może wyczuwał, że za tym pytaniem kryje się pole do fascynujących matematycznych dociekań i obliczeń. Nie mylił się, ale z jego obliczeń ilości energii otrzymywanej ze Słońca i wypromieniowywanej przez powierzchnię planety w kierunku przeciwnym wynikały jakieś nonsensy: Ziemia powinna być zamarznięta na kość, utrzymując temperaturę -15 st. C. A zatem – doszedł do wniosku – nie całe ciepło ziemskie jest w stanie uciec w przestrzeń kosmiczną. Atmosfera, być może jakiś jej składnik, musi je zatrzymywać. Jak dach szklarni...

Budowa szklarni była pierwszym zadaniem dwutlenku węgla w najbardziej zamierzchłych czasach. Robił wszystko, żeby nie wychłodzić ani nie przegrzać kolebki życia. Co by było, gdyby wokół dawnej Ziemi, tej sprzed 4 miliardów lat, zainstalować naszą współczesną atmosferę? Otóż 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, spełniał wówczas funkcję ciepłej kołderki (czy raczej grubej pierzyny), tego dachu szklarni, który nie przeszkadza promieniowaniu słonecznemu docierać do powierzchni Ziemi, ale uniemożliwia jej wypromieniowanie ciepła w przestrzeń kosmiczną.

Ale gdyby odwrócić sytuację i naszą współczesną Ziemię otulić pierwotną atmosferą sprzed miliardów lat, to dach szklarni, wielokrotnie grubszy niż obecnie, zmieniłby powierzchnię naszej planety w prawdziwe piekło. W obu przypadkach szansa na zagnieżdżenie się życia na naszej planecie byłaby znikoma. Na czym polega ten kluczowy dla nas mechanizm?

Natura wyposażyła dwutlenek węgla, oprócz funkcji gazu cieplarnianego, w inne niezwykłe właściwości. Przede wszystkim ma dar nieograniczonego rozpuszczania się w wodzie, a jednocześnie potrafi ją zawsze swobodnie opuścić. W ten sposób, zarówno wtedy, jak i później, a także dzisiaj, dwutlenek węgla z pomocą mórz i oceanów reguluje swoje stężenie w atmosferze. Jak widać, duet ten – woda i CO₂ – funkcjonuje niezwykle sprawnie, gdyż, jak wiemy, w ciągu ostatnich trzech i pół miliarda lat klimat na Ziemi ani przez moment nie był niesprzyjający życiu, choć kilkakrotnie zdarzały się nieprzyjemne wpadki – Ziemia zamieniała się w lodową kulę.

POKONAŁ LÓD, SKONSTRUOWAŁ TARCZĘ

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 Ziemię-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? Życie na Ziemi jest praktycznie niezniszczalne. Przetrwało pod lodową pokrywą, odradzając się po jej ustąpieniu jeszcze bujniej.

Pierwotna Ziemia była niemal pozbawiona wolnego tlenu, a tym samym w zupełnie śladowych ilościach występował atmosferyczny ozon (O₃), absorbujący promieniowanie ultrafioletowe (UV). Powierzchnia Ziemi poddana była więc działaniu tego, śmiertelnego dla wczesnych form życia, czynnika. Organizmy musiały się najpierw nauczyć żyć w tych ekstremalnie trudnych warunkach i dlatego skaliste, bombardowane promieniowaniem ultrafioletowym obszary ówczesnej planety były pozbawione życia, zanim nie rozwinęły się biochemiczne mechanizmy chroniące organizmy przed promieniami UV i naprawiające wywołane przez nie uszkodzenia w materiale genetycznym. W sukurs znów przyszedł dwutlenek węgla, a zwłaszcza ta jego część, która lubiła przebywać w wyższych warstwach 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.

GAZ BEZ PRZYSZŁOŚCI?

W dziejach Ziemi widoczny jest trend do stopniowego zmniejszania się zawartości wolnego dwutlenku węgla. Jeszcze na początku paleozoiku (600-400 mln lat temu) jego zawartość w atmosferze 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. Trafia do różnych magazynów: rozpuszczony w oceanie, w materii organicznej – w żywych tkankach i próchnicy, torfie, węglu, ropie naftowej i gazie, w wapieniach i innych skałach węglanowych... Niektórzy wieszczą, że stały spadek ilości CO₂ w atmosferze i wodach oceanicznych sprawi, że w końcu będzie go za mało, by podtrzymać fotosyntezę, i nastąpi kres życia na Ziemi. Wyliczano, że może to nastąpić za 100 mln lat. Inni badacze twierdzą, że mamy przed sobą jeszcze cały miliard lat.

Tak czy inaczej, rodzi się niepokojące pytanie: czy ten dwutlenek węgla, spełniający na powierzchni planety tak zasadniczą rolę, jest już stracony na zawsze?

Ależ skąd! Tim Flannery, australijski biolog z Zrzeszenia Zaniepokojonych Naukowców (Wentworth Group of Concerned Scientists), pisze, że wody i skały naszej planety są pełne dwutlenku węgla, który „nie może się doczekać”, kiedy zostanie utleniony i zasili pulę CO₂ w powietrzu. Dotyczy to zarówno dwutlenku węgla pogrzebanego w głębokich grobach na dnie oceanów, i tego pochowanego w torfie, ropie naftowej itp. – i tego budującego organizmy żywe. Razem z CO₂ zawartym w powietrzu, zasoby dwutlenku węgla nieustannie krążą, zmieniając się miejscami, uzupełniając niedobory lub tnąc nadwyżki.

Ten 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 przez kratery wulkaniczne i ryfty śródoceaniczne. Zjawiskom wulkanicznym i gorącym źródłom towarzyszą na kolosalną skalę wyziewy różnych gazów. Tą drogą powraca też do atmosfery dwutlenek węgla zmagazynowany na „trudne czasy”.

ZAMIARY NATURY

Żeby zachować na Ziemi warunki niezmiennie przyjazne życiu, natura umiejętnie żongluje sprzężeniami zwrotnymi – dodatnim i ujemnym. Kiedy na przykład tektonika płyt jest bardzo aktywna, a poziom mórz wzrasta, zalewając znaczne obszary lądu, do atmosfery wydziela się dużo CO₂ i klimat staje się cieplejszy i wilgotniejszy. Ciepły i wilgotny klimat przy wysokim stężeniu CO₂ przyspiesza proces wietrzenia i sprzyja rozwojowi fitoplanktonu w wodach, a to prowadzi do usuwania nadmiaru dwutlenku węgla. Taki pogodowo-klimatyczny stabilizujący system sprzężenia zwrotnego zaproponowali James Walter, Paul Hays i James Kasting z Uniwersytetu Michigan. Nazwano go WHAK (akronim od nazwisk autorów).

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.

Znamy i rozumiemy zarysy tego mechanizmu, ale – jak pisze Tim Flannery – prawdziwą zagadką na scenie zmian klimatycznych jest para wodna: żaden inny czynnik nie ma większego wkładu w naszą niepewność przewidywania przyszłych zmian klimatycznych. Nie jest też rozpoznany wpływ innych gazów cieplarnianych – przede wszystkim metanu, ale także freonów i podtlenku azotu.

Jak w takim razie wyglądają nasze próby – nieporadne i, jak wielu uważa, pozbawione szans na sukces – przeciwdziałania procesowi globalnego ocieplenia? Czy nie są przejawem naszego niezwykłego zarozumialstwa podsycanego przez współczesnych klimatologów przekonanych, że rozpoznali już mechanizmy ziemskiego termostatu, i co więcej, że przejrzeli zamiary natury?

***

Skromny XVII-wieczny flamandzki medyk i alchemik, Johann Baptista van Helmont, jako pierwszy zadał sobie pytanie: jak to jest, że spala w kominku stosy drewna, a popiół wynosi w jednym małym wiaderku? Nie byłby alchemikiem (niektórzy uważają go za ostatniego alchemika i pierwszego chemika), gdyby nie zechciał tej obserwacji wyrazić ściślej. 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 substancja lotna” (po łacinie nazwano go spiritus silvestris).

Nie zaszkodziłoby, gdyby współcześni klimatolodzy pamiętali o tej trafnej nazwie.  

ADAM ZUBEK jest geografem i dziennikarzem popularnonaukowym, stale współpracuje z „Tygodnikiem Powszechnym”.