Meddig maradhat zöld a Föld? Egy klímamodell tartományokat ad, nem világvége-dátumot

Meddig maradhat zöld a Föld? Egy klímamodell tartományokat ad, nem világvége-dátumot

Egy levél szűk kompromisszum keretei között él. Fényre, vízre, szén-dioxidra és olyan hőmérsékletre van szüksége, amelyet a kémiája elvisel. Egy emberöltő alatt a Nap e kompromisszum állandó részének tűnik. Egymilliárd év alatt azonban nem az.

Ahogy a Nap öregszik a fősorozaton, lassan fényesebbé válik. A több napfény melegíti a Földet, de a bolygónak van egy hosszú távú válasza: az esővíz, a szén-dioxid és a szilikátos kőzetek közötti reakciók eltávolíthatják a szén-dioxidot a légkörből. Ez gyengíti az üvegházhatást, és részben ellensúlyozza a felmelegedést. Ugyanez a bolygót hűtő válasz végül megfoszthatja a fotoszintetizáló szervezeteket attól a széntől, amelyből élő szövetet építenek.

Egy új Journal of Geophysical Research: Atmospheres tanulmány azt kérdezi, melyik korlát érkezhet el előbb: a túl nagy hőség vagy a túl kevés szén-dioxid. A válasz nem egy dátum, amikor a Föld meghal. Két szándékosan leegyszerűsített jövőbeli út mentén a fotoszintetikus életre alkalmazott korlátok nagyjából 1,35–1,87 milliárd év múlva következnek be.

Ez a tartomány a vegetatív bioszféráról szól: a Föld élő rendszerének arról a részéről, amelyet fotoszintetizáló szervezetek tartanak fenn, különösen növények és más élőlények, amelyek fényt és szén-dioxidot alakítanak biológiai anyaggá. Nem minden mikroba jövőjének előrejelzése. Nem az emberi civilizáció élettartama. Nem a bolygó élettartama.

A bolygó termosztátjának két bizonytalan beállítása van

A központi bizonytalanság a szilikátos mállás. A szén-dioxid feloldódik az esővízben, reagál a szilikátos kőzetekkel, majd végül az óceánok és üledékek felé szállítódik. Geológiai időskálán a vulkánok szén-dioxidot juttatnak vissza. Ezek a folyamatok együtt alkotják a karbonát–szilikát ciklus egy részét, amelyet gyakran bolygói termosztátként írnak le.

Melegebb, nedvesebb világban a mállás felgyorsulhat és gyorsabban távolíthatja el a szén-dioxidot. A tudósok azonban nem tudják, milyen erősen szabályozza majd ez a válasz a Földet egy fényesebb jövőbeli Nap alatt. Jacob Haqq-Misra és Eric Wolf ezért nem választott egyetlen, állítólag helyes pályát. Két szélső esetet modelleztek: szándékosan szélsőséges eseteket a bizonytalanság keretezésére.

• A gyenge mállású szélső esetben a légköri szén-dioxid 400 ppm marad, miközben a fényesedő Nap emeli a hőmérsékletet.
• Az erős mállású szélső esetben a globális felszíni átlaghőmérséklet 288 kelvin, körülbelül 15 Celsius-fok marad, miközben a növekvő napsugárzással a szén-dioxid mennyisége csökken.

Egyik ágat sem a Föld tényleges jövőjeként mutatják be. Az első azt kérdezi, mit tenne a hőség, ha a szén-dioxid magas maradna. A második azt kérdezi, mit tenne a szénhiány, ha a mállás a globális hőmérsékletet a mai átlag közelében tartaná.

Huszonkilenc beállt modellvilág, nem egy kétmilliárd éves film

A kutatók az ExoCAM háromdimenziós globális klímamodellt használták 29 egyensúlyi klíma kiszámítására az erősebb napsugárzás és az alacsonyabb szén-dioxid különböző kombinációiban. Minden esetet 70 modellévig futtattak. Itt egy modellév egy rögzített körülmények közötti szimulált éves ciklus: futási idő, amely arra szolgál, hogy a mesterséges klíma beálljon, nem egy lépés a Föld jövőjének évről évre történő előrejelzésében. A szimulált klíma beállása után az utolsó 20 évet átlagolták.

Ez a 29 eset különálló modellvilág. Minden futtatás a rács egy pontja, amely arra válaszol: „milyen beállt klíma illik ehhez a kiválasztott napsugárzás–szén-dioxid párhoz?” A számítógép nem a mai Földdel indult, majd folyamatosan fejlesztette tovább légkörét, kőzeteit, óceánjait és élőlényeit a következő kétmilliárd évre. A szerzők ehelyett a két sematikus mállási útvonalat vezették végig az előre kiszámított pontokon; a pontok közötti útvonalat önmagában nem szimulálták.

A táblázat a hivatalos modelladat-archívumban szereplő napsugárzás- és szén-dioxid-kombinációkat reprodukálja. Az esetazonosítókat itt olvasási segítségként, az archívum sorrendjében adtuk hozzá. Az S/S0 a relatív napállandó: a modellben használt beérkező napenergia osztva a mai S0 értékével. Az 1.2 tehát a mainál 20 százalékkal nagyobb beérkező napenergiát jelent. A CO2 (ppm) a légköri szén-dioxid keverési aránya egymillió légköri molekulára jutó molekulákban.

A modell-Föld felismerhető, de szándékosan korlátozott. Föld méretű és mai földrajzot használ. Teljesen cirkuláló óceán helyett leegyszerűsített rétegóceánja van, légköri nyomása nagyjából a Föld mai értékére, egy barra van állítva, a metán pedig rögzített. Pályája tökéletesen kör alakú (zéró excentricitás), forgástengelyének nincs dőlése (zéró ferdeség). Nincs benne explicit talaj, növényzet vagy a változó bioszféra visszacsatolása. A legfontosabb, hogy a klímamodell nincs dinamikusan összekapcsolva kőzetmállási modellel. Más szóval az ExoCAM nem számolja ki a mállást, nem frissíti vele a szén-dioxidot, majd nem futtatja a következő klímát visszacsatolási hurokban. A kutatók ehelyett előírták a két szélső útvonalat, és végigvezették őket a 29 esetből álló klímarácson.

Első szélső eset: elég szén-dioxid, túl sok hő

A gyenge mállású ágban a szén-dioxid 400 ppm-en marad. Ahogy nő a napenergia-bevitel, a hő válik korlátozó tényezővé.

A tanulmány korábbi munkákból két globális átlaghőmérsékleti küszöböt használ:

• 323 kelvinnél, vagyis globális éves átlagban körülbelül 50 Celsius-foknál a világot a legtöbb szárazföldi növény számára túl forrónak tekintik. A modell ezt a küszöböt körülbelül 1,68 milliárd év múlva éri el.
• 338 kelvinnél, vagyis globális éves átlagban körülbelül 65 Celsius-foknál a világot minden szárazföldi növény számára túl forrónak tekintik. A modell ezt a küszöböt körülbelül 1,87 milliárd év múlva éri el.

Ezek átvett biológiai korlátok, nem univerzális hőmérsékletek, amelyeknél minden fotoszintetizáló szervezet szükségszerűen elbukik. A globális átlag nagy regionális különbségeket is elfed. A tanulmány külön vizsgálja, hol maradhatnak megfelelőek a hőmérséklet és víz kombinációi, de egy klímatérkép címkéje nem katalogizálhat minden jövőbeli menedéket vagy alkalmazkodást.

Második szélső eset: elviselhető hőmérséklet, túl kevés szén-dioxid

Az erős mállású ágban a globális átlaghőmérséklet 288 kelvin, körülbelül 15 Celsius-fok marad, miközben a légköri szén-dioxid csökken. Itt a válasz attól függ, milyen kevés szenet képesek használni a különböző fotoszintetikus útvonalak.

• A hagyományos 10 ppm-es küszöbnél — egymillió légköri molekulára 10 szén-dioxid-molekula — a C4-fotoszintézis korlátja körülbelül 1,35 milliárd év múlva érkezik el. C4-fotoszintézist többek között a kukorica és a cukornád használ, és ez az útvonal a szén-dioxidot a megkötését végző enzim körül koncentrálja.
• A korábbi munkákban tárgyalt alternatív 2,9 ppm-es C4-küszöb körülbelül 1,64 milliárd évre tolja ezt.
• Egy bizonytalan 1 ppm-es küszöb, amelyet egyes CAM-növények — vagyis Crassulacean savanyagcserét használó, a szén-dioxid éjszakai felvételét nappali felhasználásától elválasztó növények — vagy oldott bikarbonátot használni képes vízinövények lehetséges fennmaradásával társítanak, körülbelül 1,84 milliárd évre tolja a korlátot.

Az utolsó számhoz tartozik a legnagyobb biológiai fenntartás. A szerzők kifejezetten bizonytalannak nevezik az egy ppm-es határt. Ez nem kísérletileg megállapított túlélési küszöb minden CAM-növény vagy vízi növényzet számára a jövőbeli Föld körülményei között.

Miért nem lejárati dátum az 1,86 milliárd év?

A tanulmány címadó, körülbelül 1,86 milliárd éves becslése a két optimista felső végpont átlaga: 1,84 milliárd év a szén-dioxid-korlátozott ágban és 1,87 milliárd év a hőkorlátozott ágban. Két eltérő forgatókönyv tömör összefoglalása. Nem egy harmadik, nagyobb pontosságú modelleredmény, és nem a legjobb becslésű dátum.

Még a tágabb 1,35–1,87 milliárd éves tartományhoz sem tartozik egyetlen valószínűség. Alsó és felső értéke eltérő mállási feltevésektől, eltérő biológiai küszöböktől és egyetlen klímamodell-konfigurációtól függ. A tartomány legalább annyira méri a kísérletben hozott döntéseket, mint az időt.

Más korlátok előbb érkezhetnek

A vegetatív bioszféra leghosszabb becslései megközelítenek egy különálló és bizonytalan határt: a nedves vagy elszabaduló üvegházhatást, amely jelentős óceánvesztést indíthat el. A klímamodellek jelentősen eltérnek abban, mikor kezdődnek ezek az állapotok növekvő napsugárzás mellett, különösen a mai körülményektől távol. Egyes becslések az optimista fotoszintézis-korlát elé helyezik őket.

Ez azt jelenti, hogy a felső ágat nem lehet ígéretként olvasni arra, hogy a Föld még 1,87 milliárd évig megtartja óceánjait, ismerős kontinenseit vagy lakható felszíni körülményeit. A modell nem tartalmazza a jövőbeli lemeztektonikát, a szárazföldterület változásait, a fejlődő ökoszisztémákat vagy teljesen dinamikus óceánt sem. A légkör energiaelnyelésére és -kibocsátására vonatkozó számításokat ráadásul olyan erős napsugárzási és rendkívül alacsony szén-dioxid-tartományokba tolják, ahol a különböző modellek eltérnek egymástól.

Az evolúciós alkalmazkodás és a technológiai beavatkozás lehetőségként jelenik meg a tanulmány tárgyalásában. Nem a 29 klímaszimuláció eredményei. A modell nem mutatja, hogy a jövő élőlényei egy ppm-es fotoszintetikus útvonalat fejlesztenek ki, és azt sem, hogy egy civilizáció egymilliárd éven át kezeli a légkört.

Ez nem a mai klímaválságról szóló eredmény

A Nap fényesedése több százmillió–több milliárd éves időskálán hat. A mai ember okozta felmelegedés a gyorsan növekvő üvegházhatású gázokból ered évtizedes és évszázados időskálán. Ezek különböző kényszerek, radikálisan különböző időtávokon, és különböző kérdésekre válaszolnak.

Ebben a tanulmányban semmi sem gyengíti a jelenlegi klímaváltozás bizonyítékait, és semmi sem érv a cselekvés halogatása mellett. Egy bioszféra, amely egy távoli modellforgatókönyvben esetleg megtart valamennyi fotoszintetikus életet, nem ugyanaz, mint egy klíma, amelyben a mai társadalmak és ökoszisztémák biztonságban maradnak.

A tanulmány értéke abban áll, hogy fegyelmezettebbé tesz egy távoli kérdést. Megmutatja, hogy a korábbi, egyszerűbb modellek talán túlságosan felmelegedtek, amikor a napsugárzás növekedett, miközben a szén-dioxid rögzítve maradt, és hogy a fotoszintetikus életnek több fennmaradási útja lehet, mint amit egyetlen kanonikus szénküszöb sugall. Azt is megmutatja, miért kapcsolódik minden további milliárdévtöredékhez egy feltételezési lánc.

A levelet tápláló Nap lassan változik. Hogy a Föld további 1,35, 1,87 vagy más számú milliárd évig marad-e zöld, attól függ, hogyan reagálnak együtt a kőzetek, a víz, a légkör és az élet. A becsületes eredmény nem egy dátum. Hanem ennek a kompromisszumnak a tágabb képe.

Röviden

Egy háromdimenziós klímatanulmány azt kérdezi, meddig maradhat fenn a Föld vegetatív — fotoszintetikus — bioszférája, miközben a Nap lassan fényesedik. A kutatók 29 különálló egyensúlyi klímát számoltak ki, és két szemléltető szélső esetet vezettek végig rajtuk. Gyenge mállással és 400 ppm-en rögzített szén-dioxiddal a szárazföldi növényekre alkalmazott hőhatárok körülbelül 1,68 és 1,87 milliárd év múlva jelennek meg. Erős mállással, valamint 288 kelvinen, vagyis körülbelül 15 Celsius-fokon rögzített globális átlaghőmérséklettel a fotoszintézisre alkalmazott szén-dioxid-határok körülbelül 1,35, 1,64 és — egy bizonytalan küszöb használatával — 1,84 milliárd év múlva érkeznek el. A gyakran idézett 1,86 milliárd év csupán a két optimista felső végpont kerekített átlaga. Ezek forgatókönyvfüggő modelltartományok, nem dátumok arra, mikor ér véget a Föld, az emberiség vagy minden élet. A modell előírt útvonalakat, mai földrajzot, rétegóceánt használ, és nincs benne explicit talaj–növényzet vagy klíma–mállás összekapcsolás; a leghosszabb becslések pedig bizonytalan üvegház- és óceánvesztési határokat közelítenek meg.

Tárgyilagos mérleg

Mit mutat a tanulmány: Ebben az ExoCAM-konfigurációban a háromdimenziós klímák növekvő napsugárzás és rögzített szén-dioxid mellett általában kevésbé melegszenek, mint az összehasonlításra használt egyszerűsített modellek. Két előírt mállási szélső eset és több alkalmazott biológiai küszöb mellett a vegetatív bioszféra korlátai nagyjából 1,35–1,87 milliárd év múlva jelennek meg.

Mi hihető, de nem bizonyított: Hogy egyes CAM-növények vagy oldott bikarbonátot használó vízinövények körülbelül egy ppm légköri szén-dioxid mellett is fenntarthatják a fotoszintézist; hogy az alkalmazkodás vagy technológia tovább hosszabbíthatja a fotoszintetikus életet; és hogy a valódi klíma–mállás útvonal a két modell-szélső eset között marad.

Mit nem mutat: Rögzített dátumot minden növény, minden élet, az emberi civilizáció, a Föld óceánjai vagy a bolygó végére; a következő kétmilliárd év egyetlen folyamatos szimulációját; vagy bármilyen okot a mai ember okozta klímaváltozás lebecsülésére.

Fő korlátok: Huszonkilenc egyensúlyi eset egyetlen klímamodell-családból; előírt, nem dinamikusan összekapcsolt mállási pályák; mai földrajz; rétegóceán; rögzített metán; nulla tengelyferdeség és excentricitás; explicit talaj, növényzet vagy bioszféra-visszacsatolás hiánya; bizonytalan hő- és szén-dioxid-küszöbök; valamint nagy modellkülönbségek a nedves és elszabaduló üvegházhatás környezetében.

Mennyi bizalma legyen egy általános olvasónak? Nagy bizalommal mondható, hogy a tanulmány kiszélesíti a hihető modelltartományt, és azonosítja az azt szabályozó feltevéseket. Közepes bizalom indokolt a számszerű tartományban mint e modellen belüli hasznos keretben. Alacsony bizalom indokolt bármely pontos dátumban, mert a legtávolabbi végpontok szándékosan szélsőséges klímapályáktól és bizonytalan biológiától függenek.