Po dobu nejméně miliardy let vzdálené minulosti měla být planeta Země zamrzlá, ale nebyla. Vědci si mysleli, že vědí proč, ale nová modelovací studie od týmu Alternative Earths z NASA Astrobiology Institute vyhodila hlavního aktéra tohoto dlouho přijímaného scénáře.
Lidé se obávají skleníkových plynů, ale před 1,8 miliardami až 800 miliony let je obyvatelé mikroskopických oceánů skutečně potřebovali. Slunce bylo o 10 až 15 procent slabší než dnes – příliš slabé na to, aby planetu samo zahřálo. Země vyžadovala silnou směs teplo zachycujících plynů, aby oceány zůstaly tekuté a obyvatelné.
Po celá desetiletí kladli vědci zabývající se atmosférou do hlavní role metan. Myšlenka byla taková, že metan, s 34krát větší kapacitou zachycování tepla než oxid uhličitý, mohl vládnout po většinu prvních 3,5 miliardy let historie Země, kdy zpočátku chyběl kyslík a později jen o něco málo víc než závan. (V dnešní době tvoří kyslík jednu pětinu vzduchu, který dýcháme, a zničí metan během několika let.)
„Správné vyhodnocení biogeochemických cyklů v oceánech odhaluje, že metan má mnohem mocnějšího nepřítele než kyslík,“řekla Stephanie Olsonová, postgraduální studentka na University of California, Riverside, členka týmu Alternative Earths. a hlavní autor nové studie publikované 26. září v časopise Proceedings of the National Academy of Sciences. "Nemůžete dostat významný metan z oceánu, jakmile je tam síran."
Síran nebyl faktorem, dokud se v atmosféře neobjevil kyslík a nespustil oxidační zvětrávání hornin na souši. Rozkladem minerálů, jako je pyrit, vzniká síran, který pak teče po řekách do oceánů. Méně kyslíku znamená méně síranu, ale i 1 procento moderního množství stačí k zabití metanu, řekl Olson.
Olson a její spoluautoři Alternative Earths, Chris Reinhard, odborný asistent věd o Zemi a atmosféře na Georgia Tech University, a Timothy Lyons, významný profesor biogeochemie na UC Riverside, tvrdí, že během miliardy let, které posuzovali, síran v oceánu omezil atmosférický metan na pouhých 1 až 10 částic na milion – nepatrný zlomek z hojných 300 částic na milion nabízených některými předchozími modely.
Osudnou chybou těchto minulých klimatických modelů a jejich předpovědí složení atmosféry je podle Olsona to, že ignorují to, co se děje v oceánech, kde většina metanu vzniká, protože specializované bakterie rozkládají organickou hmotu.
Síran v mořské vodě je pro metan problémem dvěma způsoby: Síran přímo ničí metan, což omezuje, kolik plynu může uniknout z oceánů a hromadit se v atmosféře. Síran také omezuje produkci metanu. Život dokáže získat více energie redukcí síranů než výrobou metanu, takže spotřeba síranů dominuje nad produkcí metanu téměř ve všech mořských prostředích.
Numerický model použitý v této studii vypočítal redukci síranů, produkci metanu a širokou škálu dalších biogeochemických cyklů v oceánu za miliardu let mezi 1,8 miliardami a 800 miliony let. Tento model, který rozděluje oceán na téměř 15 000 trojrozměrných oblastí a vypočítává cykly pro každou oblast, je zdaleka modelem s nejvyšším rozlišením, jaký byl kdy aplikován na starověkou Zemi. Pro srovnání, jiné biogeochemické modely rozdělují celý oceán na dvourozměrnou mřížku ne více než pět oblastí.
„Ve skutečnosti neexistují žádné srovnatelné modely,“říká Reinhard, který byl hlavním autorem souvisejícího článku v časopise Proceedings of the National Academy of Sciences, který popsal osud kyslíku během stejných modelových běhů, které odhalily smrtící účinky sulfátu. vztah s metanem.
Reinhard poznamenává, že kyslík uštědřil metanu další ránu na základě nezávislých důkazů, které nedávno zveřejnil tým Alternative Earths v časopisech Science and Geology. Tyto dokumenty popisují geochemické podpisy v horninovém záznamu, které sledují extrémně nízké hladiny kyslíku v atmosféře, možná mnohem méně než 1 procento moderních hodnot, až do doby před 800 miliony let, kdy dramaticky vzrostly.
Méně kyslíku se zdá být pro metan dobré, protože jde o nekompatibilní plyny, ale s tak extrémně nízkými hladinami kyslíku vyvstává další problém.
"Volný kyslík [O2] v atmosféře je nutný k vytvoření ochranné vrstvy ozónu [O3], který může chránit metan před fotochemickou destrukcí,“řekl Reinhard. Když výzkumníci spustili svůj model s nižšími odhady kyslíku, ozónový štít se nikdy nevytvořil, takže skromné obláčky metanu, které unikaly z oceánů, byly vydány napospas destruktivní fotochemii.
S degradovaným metanem čelí vědci nové vážné výzvě, aby určili skleníkový koktejl, který vysvětluje klima a životní příběh naší planety, včetně miliardy let bez ledovců, řekl Lyons. Znalost správné kombinace dalších ohřívacích látek, jako je vodní pára, oxid dusný a oxid uhličitý, nám také pomůže posoudit obyvatelnost stovek miliard dalších planet podobných Zemi, které podle odhadů sídlí v naší galaxii.
„Pokud na exoplanetě objevíme metan, je to jeden z našich nejlepších kandidátů na biosignaturu a metan dominuje mnoha rozhovorům při hledání života na Marsu,“řekl Lyons. "Přesto by metan téměř jistě nebyl detekován mimozemskou civilizací při pohledu na naši planetu před miliardou let - navzdory pravděpodobnosti jeho biologické produkce po většinu historie Země."
