Jeśli nie będziemy patrzeć na Ziemię jak na planetę, która zachowuje się tak, jakby była żywa, przynajmniej w stopniu umożliwiającym regulację klimatu i właściwości chemicznych, brakować nam będzie woli do zmiany naszego sposobu życia. Nie zrozumiemy, że zrobiliśmy z Ziemi naszego największego wroga.
26 lipca tego roku w wieku 103 lat zmarł James Lovelock, doktor medycyny, chemik, współpracownik NASA, współodkrywca problemu dziury ozonowej, jeden z prekursorów nauki o klimacie, zwolennik energetyki jądrowej. Najsłynniejszą, prekursorską ideą, jaką głosił, była tzw. hipoteza Gai zakładająca, że Ziemię jako całość należy traktować jako jeden organizm, zdolny między innymi do zwalczania zagrażających mu gatunków.
Już wiele lat temu, w książce Ekologia. Przewodnik Krytyki Politycznej opublikowaliśmy fragment jego książki The Revenge of Gaia w przekładzie Bartosza Dzudzewicza i Karola Templewicza. Po raz pierwszy udostępniamy jego część na stronie Krytyki Politycznej.
**
Mało kto (wliczając mnie – przez pierwsze dziesięć lat od narodzin tej koncepcji) wie, czym jest Gaja. Większość naukowców mówiąc i myśląc o żyjącej części Ziemi, nazywa ją biosferą, choć ściśle rzecz biorąc, biosfera to tylko geograficzne pojęcie nazywające przestrzeń, gdzie toczy się życie – cienka sfera na powierzchni Ziemi. Nieświadomie rozszerzają oni definicję biosfery na coś więcej niż tylko przestrzeń życia, ale nie tłumaczą jasno, gdzie się ona zaczyna i kończy, a także – co robi.
Jeśli popatrzymy od środka, Ziemia prawie w całości składa się z gorących, stopionych skał oraz metalu. Gaja to cienka, sferyczna powłoka materii, która otacza żarzące się wnętrze; zaczyna się tam, gdzie zaskorupiałe skały stykają się z gorącą magmą wnętrza Ziemi – około 100 mil poniżej powierzchni – i rozciąga się jeszcze 100 mil ponad nią: przez oceany i powietrze, do gorętszych sfer termicznych [thermosphere] na granicy kosmosu. Zawiera w sobie biosferę – jest dynamicznym systemem fizjologicznym, który przez ponad trzy miliardy lat utrzymuje na Ziemi warunki odpowiednie do życia.
Nazywam Gaję systemem fizjologicznym, gdyż wydaje się, że nieświadomie dąży do celu, jakim jest utrzymanie klimatu i właściwości chemicznych [chemistry] w stanie umożliwiającym życie. Jej cele nie są ściśle wyznaczonymi zadaniami – Gaja dostosowuje się do aktualnego środowiska i adaptuje do takich form życia, jakie przyszło jej w sobie nosić.
O Gai należy myśleć jako o systemie składającym się z ożywionych i nieożywionych elementów. Gwałtowny rozwój życia, umożliwiany przez światło słoneczne, wzmacnia Gaję, ale ta dzika i chaotyczna siła napotyka ograniczenia [constraints], które kształtują bezcelowy byt tak, aby sam się regulował na korzyść życia. Sądzę, że zrozumienie tych ograniczeń wzrostu jest kluczowe dla intuicyjnego pojęcia, czym jest Gaja.
Ważny jest tu fakt, że ograniczenia te dotyczą nie tylko organizmów żyjących w biosferze, ale także fizycznego i chemicznego środowiska. Oczywistością jest, że życie nie utrzyma się przy zbyt wysokiej lub zbyt niskiej temperaturze, ale nie jest już tak oczywiste, że ocean zamienia się w pustynię, kiedy temperatura jego powierzchni wzrasta powyżej 12°C: stabilna wierzchnia warstwa ciepłej wody przestaje się mieszać z chłodniejszymi, pełnymi składników odżywczych wodami z głębin. Ta czysto fizyczna właściwość wód oceanicznych odcina dopływ składników odżywczych do organizmów zamieszkujących ciepłą warstwę i wyższa, nasłoneczniona warstwa wody szybko staje się pustynią. Być może jest to jeden z powodów, dla których celem Gai wydaje się utrzymanie Ziemi w chłodzie.
czytaj także
Zauważycie, że mówiąc o Gai, nie przestaję się posługiwać metaforą „żyjącej Ziemi”. Nie sądźcie jednak, że traktuję Ziemię jako istotę czującą czy nawet żyjącą na sposób zwierzęcia lub bakterii. Myślę, że nadszedł czas, by nieco rozszerzyć dogmatyczną i ograniczoną wizję życia, zgodnie z którą jest ono czymś reprodukującym się i naprawiającym za pomocą doboru naturalnego błędy, jakie pojawiły się w tym procesie.
Zauważyłem, że przydatne jest wyobrażanie sobie Ziemi na podobieństwo zwierzęcia, być może dlatego, że moje pierwsze zetknięcie z poważną nauką już po skończeniu studiów miało miejsce na polu fizjologii. To jednak zawsze była dla mnie tylko metafora – aide pensée, nic bardziej poważnego niż myśli żeglarza, który do swojej łodzi odnosi się jak do kobiety. Jeszcze do niedawna nie przychodziło mi do głowy żadne konkretne zwierzę, jednak zawsze chodziło o coś dużego – jak słoń czy wieloryb. Ostatnio, kiedy coraz bardziej docierał do mnie problem globalnego ocieplenia, myślałem o Ziemi bardziej jak o wielbłądzie.
Wielbłądy, w przeciwieństwie do większości zwierząt, utrzymują swoją temperaturę na dwóch różnych, ale stabilnych poziomach. W dzień, gdy na pustyni robi się nieznośnie gorąco, wielbłądy podnoszą temperaturę ciała do 40°C – dostatecznie blisko temperatury powietrza, by uniknąć konieczności chłodzenia się poprzez wypacanie cennej wody. W nocy pustynia jest zimna, często nawet mroźna: wielbłąd doprowadziłby do poważnej utraty ciepła, gdyby próbował utrzymać temperaturę ciała na poziomie 40°C, obniża ją więc do bardziej odpowiednich 34°C, które wystarczają do przeżycia. Gaja, jak wielbłąd, może przyjąć wiele stabilnych stanów, dostosowuje się więc do zmiennego środowiska wewnętrznego i zewnętrznego.
Przez większość czasu jej stan się nie zmieniał – trwał przez kilka tysięcy lat, do około 1900 roku. Kiedy jednak nacisk jest zbyt duży, bez względu na to, czy chodzi o ciepło, czy zimno, Gaja, tak jak wielbłąd, zmienia swój stan na inny, łatwiejszy do utrzymania. Taka zmiana nastąpi teraz.
Przy klimatycznej gorączce wysiadają termometry i giną ludzie. „Ale przecież kiedyś też było ciepło”
czytaj także
Metafora ta jest kluczowa, by zrozumieć kłopotliwą sytuację, w jakiej się znaleźliśmy, poradzić sobie z nią lub nawet coś w niej poprawić. Globalna zmiana wymaga od nas znajomości prawdziwej natury Ziemi, czyli tego, byśmy postrzegali ją jako największe żyjące stworzenie w Układzie Słonecznym, a nie jako coś nieożywionego, jak w haniebnym pomyśle „statku kosmicznego Ziemia”. Dopóki zmiana ta nie zajdzie w sercach i umysłach, nie będziemy mogli instynktownie poczuć, że mieszkamy na żywej planecie, która może reagować na dokonywane przez nas zmiany, udaremniając je lub pozbywając się nas. Jeśli nie będziemy patrzeć na Ziemię jak na planetę, która zachowuje się tak, jakby była żywa, przynajmniej w stopniu umożliwiającym regulację klimatu i właściwości chemicznych, brakować nam będzie woli do zmiany naszego sposobu życia. Nie zrozumiemy, że zrobiliśmy z Ziemi naszego największego wroga.
To prawda, że wielu naukowców, zwłaszcza klimatologów, dostrzega już, że nasza planeta ma możliwości regulacyjne, ale jeszcze dużo brakuje, by poglądy takie stały się potoczną wiedzą. Nie jest łatwo pojąć koncepcję Gai, planety, która jest zdolna do utrzymania na swojej powierzchni życia przez jedną trzecią czasu trwania wszechświata, i dopóki IPCC (Intergovernmental Panel on Climate
Change) nie podniósł alarmu, niewiele z tej koncepcji wynikało. […]
Co nowego w katastrofie? Klimatolodzy zapowiadają postwzrost
czytaj także
Jak funkcjonuje Gaja?
Dla zrozumienia Gai kluczowe jest, by pamiętać, że jej funkcjonowanie podlega pewnym ograniczeniom i ma wytyczone ramy. Samolubne geny popychają całe życie do reprodukcji i jeśli jedyne ograniczenia stanowią konkurencja i wzajemne pożeranie, rezultatem jest chaotyczna fluktuacja populacji. Próby modelowania, które nie uwzględniają ograniczeń środowiskowych, od słynnego modelu lisów i zajęcy biofizyka Alfreda Lotki i Vito Volterry do ostatnich prób wykorzystujących teorię złożoności, nie są w stanie uzyskać stabilności naturalnego ekosystemu. Już w 1925 roku Lotka ostrzegał, że w równaniach tego typu uproszczonych modeli brakuje ograniczającego środowiska fizycznego i że będą one trudne do rozwiązania.
Pomimo tych ostrzeżeń abstrakcyjna matematyka biologii populacyjnej fascynowała akademickich biologów przez co najmniej siedemdziesiąt lat. Z ledwością radzi sobie ona jednak z reprezentowaniem prawdziwego świata i nie satysfakcjonuje mocniej stojących na ziemi naukowców – ekologów prowadzących obserwacje w terenie [muddy-boots ecologists]. Zbadajcie jakikolwiek trwały [long-term] naturalny ekosystem w jednym z miejsc, które pozostają nietknięte, a zobaczycie, że jest on dynamicznie stabilny, tak jak wasze własne ciało.
Wielu dwudziestowiecznych biologów podchodziło do nauki, którą uprawiali, z wiarą w nieomylność genetycznego opisu życia. Ich przekonanie było tak silne, że nie mogli sobie wyobrazić ewolucji ekosystemu zachodzącej niezależnie od genów składających się na niego organizmów. W rzeczywistości epigenetyczna ewolucja ekosystemów Gai może zachodzić po prostu przez dobór istniejących gatunków. Gdy ekosystem doświadcza trwałych zakłóceń, takich jak długotrwały upał lub susza, te gatunki, które wykażą większą tolerancję, zostaną wyselekcjonowane z zespołu istniejących genotypów i będą się rozmnażać, aż zaczną dominować. Odpowiednie dostrojenie ewolucji genetycznej kończy proces adaptacji. Ewolucja ekosystemów i Gai wiąże się z czymś więcej niż tylko samolubny gen.
Niestabilna matematyka nieograniczonej konkurencji i drapieżnictwa [predation] żywych organizmów jest podobna do zachowania niesfornych, często pijanych tłumów, które zbierają się nocą w centrach miast. Ograniczenia narzucone przez silną społeczność, pewną swojej siły i wspartą sprawnymi oddziałami policyjnymi, przynoszą ciszę i stabilność, ale zanika ona i często rządzi chaos. Gaja jest silnie ograniczoną reakcją nieożywionego środowiska. Darwiniści mają rację, mówiąc, że dobór preferuje organizmy, które żyją, rozprzestrzeniając najwięcej swoich genów, ale żywiołowy wzrost zachodzi w ramach ograniczonej przestrzeni, gdzie sprzężenie zwrotne ze środowiskiem pozwala na naturalną samoregulację.
Konsekwencje nieograniczonego wzrostu wykładniczego były często używane jako przykład siły życia. Gdyby pojedyncza bakteria się podzieliła i powtarzała tę czynność co dwadzieścia minut, przy braku ograniczeń dla wzrostu i nieskończonej ilości pożywienia w dwa dni cała populacja ważyłaby tyle co Ziemia.
Drapieżnictwo i ograniczona podaż składników odżywczych, stanowiące lokalne bariery, to wszystko, co w pre-Gai uwzględniali biolodzy. Obecnie wiemy, że takie właściwości globalne, jak skład atmosfery i oceanów oraz klimat, są ograniczeniami zapewniającymi stabilność.
czytaj także
Jak więc działają te środowiskowe ograniczenia? Zależy to od tolerancji samych organizmów. Wszystkie formy życia mają dolną, górną oraz optymalną temperaturę wzrostu. To samo odnosi się do kwasowości, zasolenia oraz zawartości tlenu w powietrzu i wodzie. Te właściwości środowiska wyznaczają granice dla żyjących w nim organizmów.
Z wyjątkiem niewielu wysoko wyspecjalizowanych organizmów, ekstremofili, które żyją w gorących źródłach bliskich wrzenia, na dnie słonych jezior, a nawet w silnym kwasie naszych żołądków, prawie wszystkie formy życia są kapryśne, gdy chodzi o warunki życia. Pojedyncze komórki, które tworzą życie, wymagają odpowiedniej mieszanki soli i składników odżywczych w swoim środowisku wewnętrznym i tolerują jedynie niewielkie zmiany w składzie otaczającego świata. Gdy miliardy komórek się łączą, formując duże zwierzęta i rośliny, mogą regulować swoje wnętrze niezależnie od zmian w otoczeniu; sauna ani pływanie w słonej wodzie nie wyrządzają nam krzywdy. Bakterie, algi i inne organizmy jednokomórkowe nie mają jednak innego wyboru, niż żyć w takiej temperaturze i warunkach, w jakich akurat się znajdą, i w rezultacie zaadaptowały się do przewidywalnego zakresu temperatur, zasolenia i kwasowości.
Ale nawet dla nich zakres temperatur mieści się między –1,6°C – temperaturą zamarzania wody morskiej – oraz 50°C. U ludzi, większości ssaków i ptaków temperatura ustaliła się w okolicach 37°C i nazywa się ich stałocieplnymi. Mniej wybredne gady i bezkręgowce określa się ciekawym słowem – pojkilotermia, albo nazywa zmiennocieplnymi. Nasze ciała mogą przez krótki czas utrzymywać wewnętrzną temperaturę 34°C lub 41°C, ale gdy spada ona poniżej 36°C lub wzrasta ponad 39°C, z całą pewnością nie jest z nami dobrze. Czy jest się Eskimosem w Arktyce, czy Buszmenem w upale pustyni Kalahari, nasze wewnętrzne limity są właśnie takie.
Życie głównego nurtu rozkwita, gdy temperatura mieści się w przedziale od 25°C do 35°C, ale jest to zaledwie fizjologiczna część regulacji. Na życie wpływają także fizyczne właściwości materialnych składników Ziemi. Nagrzewająca się woda powyżej 4°C zaczyna się rozszerzać. Jeśli powierzchnia oceanu jest ogrzewana z góry przez słońce, górna warstwa absorbuje większość ciepła słonecznego, rozszerza się i staje jaśniejsza niż głębsze, nieruchome i chłodniejsze wody. Ta cieplejsza warstwa powierzchniowa ma od 30 do 100 metrów. Tworzy się, gdy światło słoneczne jest dość silne, by podnieść temperaturę powierzchni do ponad 10°C.
Co nam mówi pogorzelisko? Pocztówki z australijskiego czarnego lata [rozmowa z Szymonem Drobniakiem]
czytaj także
Ciepła warstwa powierzchniowa jest stabilna i poza gwałtownymi sztormami, wywołanymi np. przez huragany, pozostaje nietknięta, a zimniejsze wody poniżej nie mieszają się z nią. Tworzenie się tej warstwy staje się potężnym ograniczeniem dla życia w oceanie. Producenci pierwszego rzędu, zamieszkujący wczesną wiosną w nowo powstałej warstwie, szybko przechodzą cykl, w którym zużywa się niemal wszystkie jej składniki odżywcze. Martwe pozostałości po wiosennym rozkwicie osiadają na dnie i wkrótce warstwa powierzchniowa jest opustoszała, zamieszkana tylko przez ograniczoną i głodującą populację alg. Tropikalne wody są właśnie dlatego tak przejrzyste i niebieskie, że stanowią pustynię oceanu. Obecnie zajmują one 80% powierzchni wód na świecie. W Arktyce i Antarktyce wody powierzchniowe nie przekraczają temperatury 10°C. Woda z dna miesza się z tą spod lustra wody i składniki odżywcze są wszędzie dostępne.
W początkach dwudziestego wieku podróże międzykontynentalne odbywano morzem. Podróżni z Nowego Jorku wybierający się statkiem do Europy widzieli najpierw czyste, błękitne wody Golfsztromu, a potem, w miarę żeglugi na północ i wschód, minąwszy Cape Cod, wpływali w zimny Prąd Labradorski i nagle woda stawała się ciemna i zawiesista. Mieszkańcy oceanu mogą lubić ciepło, ale właściwości wody nie pozwalają im cieszyć się ciepłotą o wiele wyższą niż 10°C, chyba że są przygotowani utrzymać małą liczebność i przymierać głodem. Jest to ważne globalne ograniczenie wzrostu i powód, dla którego Gaja ma się lepiej, gdy jest chłodna.
Na ogromnych pustyniach współczesnych oceanów można natrafić na oazy, które znajdują się u wybrzeży kontynentów, gdzie zimne, bogate w składniki odżywcze wody wydobywają się z głębin. Morza u ujść wielkich rzek, jak Missisipi, Ren, Indus czy Jangcy, stanowią sztuczne oazy, bogate w pokarm, który spływa tam z upraw na lądzie. Oazy te jednak, tak naturalne, jak i sztuczne, odgrywają niewielką rolę.
Podobne i równie ważne ograniczenie dla wzrostu obserwujemy na lądzie. Organizmy żywe rozkwitają bujnie, gdy temperatura wzrasta do mniej więcej 40°C. Jednakże woda, która jest im niezbędna do życia, staje się w naturze trudno dostępna, gdy temperatura znacznie przekracza 20°C. W zimnych porach roku, gdy pada i temperatura nie przekracza 10°C, woda pozostaje w miejscu przez dłuższy czas, gleba jest więc wilgotna i sprzyja wzrostowi. W lecie, gdy średnie temperatury wynoszą około 20°C, deszcz od razu paruje, pozostawiając ziemię suchą. Jeśli deszcze nie padają dostatecznie często, gleba traci wilgoć. Powyżej 25°C parowanie jest tak szybkie, że bez ciągłych opadów gleba wysycha i powstaje pustynia. Podobnie jak się to dzieje w wierzchniej warstwie oceanu, organizmom może odpowiadać, gdy jest ciepło, ale właściwości wody wyznaczają granice ich wzrostu.
Głód, zniszczenie, choroby, migracje i wojna. Tak, mowa o twoim życiu
czytaj także
Richard Betts z Hadley Centre pokazał, jak lasy tropikalne do pewnego stopnia przezwyciężyły to ograniczenie, przystosowując się do ciepłego otoczenia w taki sposób, by odzyskiwać wodę. Ekosystem dokonuje tego, utrzymując chmury i deszcz ponad sklepieniem lasu, choć jego zdolności są tutaj również ograniczone. Betts i Peter Cox wysunęli tezę, że wzrost temperatury o 4°C wystarczyłby, by sparaliżować puszczę amazońską i zmienić ją w pustynię. Byłoby to wynikiem lokalnych konsekwencji szybszego parowania deszczu, a także globalnych zmian wiatrów w świecie cieplejszym o cztery stopnie.
Woda zamarza w temperaturze 0°C, ale sól w oceanach obniża temperaturę zamarzania do –1°C. Życie może się przystosować nawet do tak niskich temperatur – ryby pływają w niezamrożonej wodzie o ujemnej temperaturze, jednakże aktywne życie w stanie zamarznięcia jest niemożliwe. Gdy Sandy i ja odwiedziliśmy laboratoria British Antarctic Survey w Cambridge, byliśmy oczarowani, widząc rybę w zbiorniku o temperaturze –1,6°C podpływającą żywo do naszego gospodarza, Lloyda Pecka, w oczekiwaniu na jedzenie. Dla ryby temperatura ta była najwyraźniej znośna. Gdy zawarta w organizmie woda zamarza lub paruje, uwolnione sole osiągają duże stężenie. Jeśli zasolenie przekroczy 8%, śmierć jest natychmiastowa. Organizmy w pewnym zakresie zaadaptowały się do tego zjawiska. Woda morska zawiera na przykład 6% soli, blisko śmiercionośnego stężenia.
Dobór faworyzował te organizmy, które potrafią wytwarzać substancje neutralizujące szkodliwe konsekwencje zwiększonej zawartości soli. W oceanie produkują one w tym celu ogromne ilości kwasu dimetylosulfoniopropanowego (DMSP), na lądzie zaś arktyczne owady mają zdolność tworzenia związków, które chronią je przed osiągnięciem śmiertelnego stężenia soli w trakcie zamarzania.
Te fizyczne bariery wynikające z właściwości wody mają wpływ na wzrost i kształtują relację między wzrostem, temperaturą i rozkładem życia na Ziemi. Z czysto ludzkiego punktu widzenia obecny interglacjał, przynajmniej dopóki nie zaczęliśmy kombinować, jest lepszy od epoki lodowcowej. Być może dlatego, że wpływowi ludzie zamieszkują rejony półkuli północnej, które podczas zlodowacenia były pod lodem lub pokrywała je tundra. Z punktu widzenia Gai zlodowacenie jest stanem pożądanym, ze znacznie zimniejszą powierzchnią wody, a więc bogatszym życiem oceanicznym. Woda z oceanów mogłaby posłużyć jako budulec lodowców, co obniżyłoby poziom mórz o 120 metrów. Dzięki temu powstałby obszar lądu o powierzchni Afryki, na którym mogłyby wyrosnąć rośliny.
Jak widzieliśmy, więcej życia było na chłodniejszej Ziemi, czego dowodzi mniejsza zawartość dwutlenku węgla – trzeba wiele życia, by zdusić ją do poziomu niższego niż 200 cząsteczek na milion (ppm). Więcej, badania lodowej pokrywy Antarktyki sugerują, że produkcja siarczku dimetylu (DMS) była w epoce lodowcowej prawie pięciokrotnie wyższa. Większa produkcja gazu siarkowego oznacza więcej morskich alg, źródła DMS, w oceanach. Według mnie, gdyby ziemski system, Gaja, mógł wyrażać swoje preferencje, opowiedziałby się za chłodem epoki lodowcowej, a nie dzisiejszym stosunkowym ociepleniem.
Gaja reguluje nie tylko temperaturę. Utrzymanie stabilnego składu chemicznego jest równie kluczowe. Andrew Watson i Tim Lenton uczynili duży krok w stronę odkrycia mechanizmu regulacji stężenia tlenu atmosferycznego i roli, jaką odgrywa ważny, lecz rzadki pierwiastek – fosfor. Peter Liss badał w oceanach biologiczne źródła istotnych pierwiastków: siarki, selenu i jodu. Skomplikowane związki między żyjącymi w oceanach algami, produkcją gazu siarkowego, chemią atmosferyczną, fizyką chmur i klimatem są powoli wyjaśniane w dziesiątkach laboratoriów na całym świecie.
czytaj także
Teraz, gdy akceptuje się regulacje Gai, nawet jeśli się ich nie rozumie, podejmowany jest ogólnoświatowy wysiłek, by odkryć statystykę ziemskiego życia. Wiele szczegółów można znaleźć w książce The Earth System napisanej przez Kumpa, Kastinga i Crane’a. Warto zapoznać się z tą pozycją jako źródłem, nawet jeśli nie wiąże się ona tak ściśle z hipotezą Gai, jak by mogła.
W 1994 roku razem z jednym z jej autorów, moim przyjacielem, amerykańskim geochemikiem Lee Kumpem opublikowałem w „Nature” pracę, która prezentowała komputerowy model Ziemi podobny do Stokrotkowego Świata, ale bardziej realistyczny. Zamiast stokrotek mieliśmy tu ekosystemy oceanicznych alg, które wpływały na klimat, zmniejszając zawartość dwutlenku węgla oraz tworząc białe chmury. Na lądzie znajdowały się ekosystemy leśne, które także wypompowywały dwutlenek węgla i tworzyły chmury. Interesowało nas tempo wzrostu organizmów w różnych temperaturach. Przyjęliśmy ogólnie akceptowane wartości przyrostu alg i drzew w idealnych warunkach, gdy woda i składniki odżywcze są nieograniczone. Dane pokazały, że największy wzrost następuje w okolicach 30°C, ustaje on natomiast poniżej 0°C i powyżej 45°C. Następnie wzięliśmy pod uwagę realne ograniczenia związane z fizycznymi własnościami wody. Dla alg w oceanie najlepszą temperaturą jest około 10°C, ponieważ gdy jest cieplej, tworzy się trwała warstwa powierzchniowa, która odcina dopływ pokarmu. Podobnie na lądzie: górną granicę wzrostu drzew wyznacza współczynnik parowania wody. Optimum dla drzew to około 20°C.
Gdy w naszym modelu równomiernie zwiększaliśmy ilość ciepła ze Słońca lub, utrzymując ją na stałym poziomie, zwiększaliśmy ilość dwutlenku węgla, jak to się dzieje obecnie w prawdziwym świecie, model zachowywał dobrą regulację, w której rolę odgrywały oba ekosystemy, oceaniczny i lądowy.
Gdy jednak zawartość dwutlenku węgla zbliżała się do 500 ppm, regulacja zaczynała zawodzić i następował gwałtowny skok temperatury. Przyczyną była niewydolność ekosystemu oceanicznego. Gdy świat się ocieplał, algom brakowało pożywienia z powodu rozszerzającej się ciepłej powierzchni oceanów i w końcu całkowicie znikały. W miarę jak zmniejszał się obszar występowania alg, ich zdolność chłodzenia malała, a temperatura szybowała w górę.
Wykres: Przewidywanie klimatu według modelu opisanego w tekście
Wzrost emisji CO od 1 do 3 w ciągu 20 tysięcy lat
Wykres pokazuje przebieg tego modelu, w którym zanieczyszczenie CO2 rośnie ponad trzykrotnie od poziomu z ery przedprzemysłowej. Jest to i tak mniej, niż obecnie oddajemy do atmosfery. Górna część wykresu pokazuje zmianę temperatury. Górna linia odpowiada przewidywanym wartościom dla martwej planety, niższa – dla naszej modelowej Ziemi. Model jest prostym narzędziem pokazującym, czy wzmocnienie jest negatywne, czy pozytywne. Wprowadziliśmy małe okresowe wahania ciepła słonecznego. Amplituda tej fluktuacji utrzymana jest na stałym poziomie i odbija się w zmianach stałej poza tym temperatury kontrolnej martwej planety, którą pokazuje na rysunku górna linia. Niższa część wykresu prezentuje zmiany w wegetacji na lądzie, ilości alg i dwutlenku węgla. Gdy regulacja działa poprawnie, ilość alg i roślin oraz temperatura wykazują zmniejszoną fluktuację.
Gdy jednak ekosystem alg jest obciążony, wahania się zwiększają i następuje ich wzmocnienie. Po nagłym skoku średniej temperatury z około 16 do 24°C mamy do czynienia z największymi wahaniami, a w końcu z wyginięciem alg.
Model ten zaskakująco dobrze obrazuje obserwowane i przewidywane zachowanie Ziemi. Punkt zwrotny, 500 ppm dwutlenku węgla, zgodnie z IPCC oznacza wzrost temperatury o mniej więcej 3°C. Jest to wartość bardzo bliska 2,7°C, według przewidywań klimatologa Jonathana Gregory’ego temperaturze wystarczającej do zapoczątkowania nieodwracalnego topnienia lodów Grenlandii. Szanowani naukowcy, którzy monitorują oceany i atmosferę, już raportują o przyspieszonym wzroście zawartości CO2 i zmniejszaniu się populacji alg w Atlantyku i Pacyfiku w miarę ich ogrzewania.
Zdaję sobie sprawę, że argumenty opierające się na podobnych modelach oraz geofizjologii nie są jeszcze same w sobie dość mocne, by uzasadnić polityczne działanie, ale nabierają wagi w połączeniu z dowodami pochodzącymi z Ziemi. Wszystkie systemy, o których wiemy, że wpływają na klimat, są obecnie w fazie wzmocnienia zachodzących procesów [are now in the positive feedback]. Każdy wzrost ilości ciepła z dowolnego źródła zostanie wzmocniony, a nie zneutralizowany, jak należałoby tego oczekiwać od zdrowej Ziemi. Oczywiście, gdybyśmy mogli wywołać trend ochładzający, te same sprzężenia zwrotne pracowałyby dla nas.
czytaj także
Niektóre z tych sprzężeń to:
– Sprzężenie zwrotne albedo lodu [ice albedo feedback], które zaproponował pierwotnie rosyjski geofizyk M.I. Budyko (albedo odnosi się do zdolności odbijania promieni przez powierzchnię lub obiekt). Powierzchnia pokryta śniegiem odbija z powrotem w przestrzeń prawie całe padające na nią światło, tak więc pozostaje zimna. Gdy śnieg na jej obrzeżach zaczyna topnieć, pokazuje się ciemna ziemia, która absorbuje światło słoneczne i się ogrzewa. Jej ciepło topi więcej śniegu i przez to pozytywne wzmocnienie topnienie przyspiesza aż do momentu, gdy śnieg znika. W przypadku chłodzenia ten sam proces zachodzi w odwrotnym kierunku. W tym momencie pływający lód basenu arktycznego topi się gwałtownie. To przykład efektu Budyko w działaniu.
– W miarę ogrzewania się oceanów zwiększa się obszar ubogi w pokarm, co czyni ocean mniej przyjaznym dla alg. Obniża to poziom redukcji dwutlenku węgla i zdolność tworzenia białych,
odbijających światło chmur.
– Na lądzie podwyższona temperatura destabilizuje lasy tropikalne i zmniejsza obszar, jaki pokrywają. Ziemia, która zastępuje las, nie ma mechanizmów chłodzenia, jest gorętsza, a więc las – jak lód – „topnieje”.
– W 1999 roku Richard Betts w artykule w „Nature” jako pierwszy opisał, że lasy na Syberii i w Kanadzie są ciemne i absorbują ciepło. W miarę jak świat się ociepla, powiększa się ich obszar, tym samym absorbują one jeszcze więcej ciepła.
– Gdy wymierają ekosystemy lasów i alg, ich rozkład uwalnia do atmosfery dwutlenek węgla oraz metan. W ocieplającym się świecie to również działa jako pozytywne sprzężenie zwrotne.
– Wielkie pokłady metanu znajdują się w kryształkach lodu, w lukach o wielkości cząsteczki, zwanych klatratami. Są one stabilne jedynie w zimnie lub pod dużym ciśnieniem. W miarę ocieplania się Ziemi rośnie zagrożenie, że klatraty stopnieją, uwalniając ogromne ilości metanu, który jest dwadzieścia cztery razy silniejszym gazem cieplarnianym niż dwutlenek węgla.
Prawie na pewno istnieją inne systemy, zarówno geofizyczne, jak i geofizjologiczne, które mają wpływ na klimat, a których dotąd nie odkryliśmy. Jednak zakres globalnego ocieplenia wskazuje, że nie istnieje żadne negatywne sprzężenie zwrotne, które mogłoby powstrzymać wzrost temperatury. Jedyny znany nam system działający jako negatywne sprzężenie zwrotne to długotrwałe uchodzenie dwutlenku węgla przez wietrzenie [weathering sink], proces „rock-weathering”. Wietrzenie jest biochemicznym procesem, w którym dwutlenek węgla rozpuszczony w deszczówce reaguje z wapienno-krzemiennymi skałami. Skalne żyjątka znacznie podnoszą wydajność usuwania dwutlenku węgla. Wyższa temperatura prowadzi do szybszego przyrostu tych żyjątek na skałach, powiększając ujście dla CO2. Zbytnie ogrzewanie masywów może jednak także ten proces zmienić w pozytywne sprzężenie zwrotne.
Istnieje jeszcze inne negatywne sprzężenie zwrotne. Gwałtowne tropikalne sztormy wydobywają pożywienie spod wierzchniej warstwy wód, pozwalają więc algom rozkwitnąć. Na razie nie wiemy, jak duży jest wpływ tego zjawiska na klimat.
Przeszłe i obecne zanieczyszczenie atmosfery dwutlenkiem węgla i metanem jest podobne do naturalnego uwolnienia tych gazów, jakie miało miejsce pięć milionów lat temu, gdy do atmosfery dostały się porównywalne ilości węgla. W efekcie temperatura wzrosła o mniej więcej 8°C w regionach północnych i 5°C w tropikach. Konsekwencje tego ocieplenia trwały dwieście tysięcy lat.
