Ponovo u žižu interesovanja dolazi pitanje i otvara se rasprava na temu da li se Zemljina klima menja i koliko udela u tome ima čovek? Na prvi deo pitanja odmah možemo da damo potvrdan odgovor. Kao što ćemo videti u daljem tekstu, klima Zemlje po svojoj prirodi nipošto nije stacionaran fenomen, tj. ona prolazi kroz periodične promene od ledenih do toplih doba. Na drugi deo pitanja je znatno teže dati odgovor zbog mnoštva faktora i složenih procesa koje treba uzeti u obzir. U ovom članku ćemo razmotriti neke od najbitnijih fenomena koji oblikuju klimu naše planete, kao što su efekat staklene bašte i globalno zagrevanje, uzroci nastanka i smene ledenih i toplih doba, i ugljenični ciklus, proces koji, kao što ćemo videti, leži u osnovi i povezuje sve prethodno pomenute.

Uragan snimljen iz Međunarodne svemirske stanice. Foto NASA

Efekat staklene bašte

Polazimo od famoznog efekta staklene bašte. Pre svega, Zemljinu atmosferu čine najvećim delom azot (78%) i kiseonik (21%). Preostalih 1% popunjavaju vodena para, ugljen dioksid, argon, helijum, neon, metan i razni drugi gasovi. Sunčevo zračenje koje stiže do Zemljine atmosfere jednim delom biva apsorbovano* na raznim visinama, a jednim delom prolazi i stiže do Zemljine površine i zagreva je. Sada tako zagrejana Zemljina površina počinje da zrači ali u infracrvenom delu spektra. Mali deo tog zračenja prođe kroz atmosferu i izgubi se u svemiru, ali najveći deo apsorbuju tzv. gasovi saklene bašte i reemituju nazad ka površini. Tako jedan deo toplote ostaje zarobljen i dolazi do povećanja temperature. U gasove staklene bašte spadaju vodena para (H 2 O), ugljen dioksid (CO 2 ), metan (CH ), azot oksid (N O), hlor flor karbonati (CCl F), i još neki manje značajni gasovi. Iako je ugljen dioksid poznat kao ozloglašeni gas staklene bašte, najveći udeo u stvaranju efekta ima vodena para. Međutim, njena koncentracija u atmosferi je manje-više konstantna i regulisana kruženjem vode u prirodi, dok se prisustvo ugljen dioksida u atmosferi ljudskom delatnošću naglo povećava. Povećanje koncentracije CO 2 dovodi do rasta temperature, čime se povećava isparavanje vode iz okeana, a samim tim i koncentracije vodene pare koja, rekli smo, znatno efikasnije zarobljava toplotu.

O ovom fenomenu se s vremena na vreme može čuti ponešto u medijima, u krajnje pojednostavljenoj varijanti, u kojoj se kaže da naučnici upozoravaju da se korišćenjem fosilnih goriva povećava emitovanje ugljen dioksida u atmosferu, time dovodi do efekta staklene bašte i globalnog zagrevanja što može imati katastrofalne posledice. Iako sasvim tačna, prethodna formulacija ne opisuje u potpunosti značaj i ulogu ovog efekta. Efekat staklene bašte postoji i danas, postojao je i pre pojave čoveka, štaviše, bez ovog efekta Zemlja bi bila potpuno zamrznuta i opstanak bilo kakvih složenijih oblika života apsolutno ne bi bio moguć! Naime, ako poznajemo snagu Sunčevog zračenja i Zemljin albedo (sposobnost refleksije upadnog zračenja) možemo na jednostavan način odrediti očekivanu temperaturu na površine naše planete. Na osnovu ovih vrednosti i odgovarajuće formule, dobićemo da bi prosečna temperatura trebala da bude -20°C, što se znatno razlikuje od prijatnih +15°C koliko iznosi stvarna prosečna temperatura! Odakle višak od 35°C? Pa upravo zahvaljujući gasovima staklene bašte koji su oduvek bili u sastavu atmosfere i sprečili Zemlju da se potpuno zamrzne.

Isušena rečna korita na Marsu

Da bi smo u potpunosti sagledali značaj ovog efekta pogledaćemo naša dva najbliža suseda, Veneru i Mars. Na Veneri, sa prosečnom temperaturom od +460°C vlada pravi pakao. Na Marsu, sa druge strane, temperatura retko prelazi nulu, a u proseku je oko pedeset podeoka ispod. Dakle, imamo ono što naučnici vole da nazivaju “fenomen zlatokose”: tri planete, jedna suviše topla, jedna suviše hladna, a jedna taman kako treba. Šta je uzrok ovakvom stanju stvari? Očigledan odgovor koji se nameće jeste udaljenost od Sunca – Venera je bliža Suncu pa je tamo svakako toplije, dok je Mars udaljeniji pa su temperature tamo niže. Ipak, ovo je samo deo odgovora. Ako na sličan način odredimo očekivanu temperaturu na površini Veneri dobićemo znatno višu vrednost nego na Zemlji, ali opet, ništa ni blizu paklenih +460°C. Sa druge strane, na zamrznutom Marsu očigledno ne može postojati voda u tečnom stanju. Ipak, na crvenoj planeti vidimo dokaze – isušena rečna korita, doline i brojne druge oblike reljefa – koji jasno govore da je Marsom nekad tekla voda. Pogađate, opet je prste umešao efekat staklene bašte. Venerinu gustu atmosferu čini 97% ugljen dioksid koji je ovaj efekat razvio do drastičnih razmera. Marsova atmosfera, iako se takođe sastoji pretežno od ugljen dioksida, izuzetno je retka, pa isti efekat ovde ne dolazi do izražaja. Međutim, Mars je nekada morao imati dovoljno gustu atmosferu koja bi preko efekta staklene bašte obezbedila dovoljno toplote za postojanje tečne vode na površini. Kako je Mars dva puta manji od Zemlje, raspolaže i znatno manjom silom gravitacije, tako da je vremenom gubio svoju atmosferu, i istovremeno se i hladio, a sa hlađenjem preostali ugljen dioskid se kondenzovao i zaledio na površini. Interesantno je da Zemlja ima gotovo istu količinu ugljen dioksida kao i Venera, međutim, dok se kod Venere on nalazi slobodan u atmosferi, na Zemlji je, u raznim oblicima, zarobljen u krečnjačkim i organskim sedimentnim stenama, a samo mali deo je u atmosferi i njegova koncentracija se reguliše ugljeničnim ciklusom.

Princip staklene bašte

Da li se Zemlja zagreva?

Na primeru naša dva suseda sagledali smo u punoj meri ulogu i značaj efekta staklene bašte, odnosno koncentracije ugljen dioksida u atmosferi, kako u pozitivnom tako i negativnom smislu. Sve to potvrđuju i podaci dobijeni iz dubokih slojeva leda sa istraživačke stanice Vostok na Antarktiku. Kako se led na Antarktiku nikad ne topi, mehurići vazduha zarobljeni u slojevima leda na velikim dubinama predstavljaju savršene uzorke atmosfere iz odgovarajućeg doba, a na osnovu koncentracije određenog izotopa kiseonika moguće je prilično pouzdano odrediti i temperaturu tog doba. Rezultati istraživanja slojeva leda koji odgovaraju periodu od poslednjih 400.000 godina pokazuju da postoji potpuna korelacija između koncentracije ugljen dioksida i temperature.

Merenja pokazuju da, od početka industrijske revolucije pa do danas, koncentracija ugljen dioksida beleži eksponencijalni rast. I koncentracije ostalih značajnih gasova staklene bašte (metan, azot oksid) se nalaze u stalnom rastu. Izuzetak su famozni hlor flor karbonati, sastojci raznih sprejeva čija je upotreba zbog štetnog dejstva na ozonski omotač ograničena, pa se njihova koncentracija nalazi u blagom padu. U istom periodu i prosečna površinska temperatura beleži rast. Uočljivo je da je poslednja decenija dvadesetog veka ubedljivo najtoplija, sa nekoliko rekordnih godina po temperturi. A u zavisnosti od modela koji se koristi, u 21. veku očekuje se povećanje prosečne temperature od 1°C od 5°C (u 20. veku je zabeležen porast od 0,6°C). Na prvi pogled ovo možda ne deluju dramatično, ali u pitanju jesu značajne vrednosti; setimo se da je tokom ledenih doba prosečna temperatura bila svega desetak stepeni niža od današnje. Tokom dvadesetog veka zabeležen je i rast nivoa mora za 10 do 20 centimetara; početkom 21. veka po prvi put se otapaju neke oblasti zaleđenog sibira; planinski glečeri se povlače, a ledene površine oko polova se smanjuju.

Imajući u vidu sve navedeno, na pitanje iz podnaslova možemo definitivno da odgovorimo: da, Zemlja se zagreva! Pitanje koliko u tome udela ima čovek još uvek predstavlja kontraverzu u naučnom svetu. Klimatski modeli nisu dovoljno pouzdani da bi dali definitivan odgovor. Moguća su i alternativna objašnjenja trenutnog globalnog zagrevanja, na primer, posmatrani rast temperature je moguće objasniti promenom Sunčevog zračenja za samo 1%. Sam ugljenični ciklus (koji ćemo razmotriti kasnije) nije dovoljno dobro proučen – npr., koncentracija ugljen dioksida raste duplo sporije nego što je očekivano; oko 50% ugljen dioksida emitovanog ljudskom aktivnošću tokom godine biva apsorbovano. Samim tim nije moguće nedvosmisleno tvrditi da je povećanje koncentracije ugljen dioksida u toj meri povezano sa ljudskim delovanjem. Ipak, poklapanje značajnijeg rasta prisustva CO 2 i početka industrijske ere bi predstavljalo veliku koincidenciju. Postoje i druge snažne indicije da čovek jeste odgovoran za povećanje koncentracije CO 2 (npr. odnosi koncentracija određenih izotopa ugljenika). U svakom slučaju, dok nam nauka ne da definitivan odgovor, ova upozorenja treba shvatiti krajnje ozbiljno jer posledice mogu biti katastrofalne.

Zemlja kao snežna grudva

Dan posle sutra

Po jednom scenariju, povećanje prosečne temperature za desetak stepeni bi moglo da dovede do oslobađanja velikih količina ugljen dioksida zarobljenog u okenaskom basenu i Zemlja bi završila u stanju sličnom onom na Veneri. Postoje indicije da je jedno od većih masovnih izumiranja u prošlosti bilo izazvano upravo ovim mehanizmom. Međutim, znatno verovatnije je da bi, iako to zvuči paradoksalno, globalno zagrevanje zapravo dovelo do novog ledenog doba!

Ključ svega su morske struje. One prenose toplu vodu iz ekvatorijalnog područja u hladnije krajeve i ‚vuku‘ sa sobom vetrove i vazdušne mase i tako kreiraju klimu određenog područja. Kao dobru ilustraciju njihovog značaja možemo uzeti Norvešku, u kojoj uspevaju određene vrste voća iako se nalazi na istoj geografskoj širini kao i neke oblasti Sibira koje su pod večnim ledom; ili Englesku, gde su tokom sezone brojne plaže pune kupača dok na istim širinama u Kana- di žive polarni medvedi. Ukratko, za blagu klimu Evrope zaslužna je golfska struja.

Najbitnija stvar u celoj priči je tzv. „velika okeanska pokretna traka“, sistem struja koji povezuje sve okeane. Naučnici koji se bave ovim fenomenom vole da kažu da nikad ne možete preterati u naglašavanju značaja ove‚ pokretne trake‘! Ona je najodgovornija za Zemljinu klimu u globalu. Za njeno funkcionisanje veoma su bitni odnosi ukupnih količina tople i hladne vode u okeanima kao i koncentracija soli. Jedna od najočiglednijih posledica globalnog zagrevanja jeste topljenje velikih ledenih površina oko polova. Dakle, u slučaju značaj- nijeg porasta prosečne temperature, velike količine hladne vode bi ušle u sistem struja u okeanima, odnosno ‘veliku pokretnu traku’, što bi poremetilo pomenute odnose tople i hladne vode i koncentraciju soli. To bi poremetilo ili čak potpuno zaustavilo ‘pokretnu traku’, što bi dovelo do pravog novog ledenog doba! Upravo takav scenario je opisan u filmu ‘Dan posle sutra’ koji se prošle godine davao u bioskopima. Iako je u filmu ceo proces radi dramatike znatno ubrzan, sam tok događaja i posledice su verno predstavljeni. Jedan od prvih pokazatelja početka ovog procesa je povećan broj ekstremnih vremenskih fenomena, kao što su, na primer, uragani. To nas vraća na početak ovog članka gde smo pomenuli da je u ovoj godini zabeležen rekordan broj istih. Naravno, još uvek je rano za izvlačenje bilo kakvih ozbiljnih zaključaka, ali to bi moglo da bude jedno od poslednjih upozorenja.

Klasična ledena doba

To je bio scenario nastanka novog ledenog doba izazvanog ljudskom aktivnošću. Međutim, podaci dobijeni iz dubokih slojeva večnog leda, kao i iz sedimenata sa okeanskog dna, pokazuju da su se kroz celu Zemljinu istoriju smenjivala ledena i topla doba. Uspešno objašnjenje ove pojave dao je Milutin Milanković. On je utvrdio da se klima menja zbog promene osunčavanja Zemljine površine, do čega dolazi usled periodične promene parametara Zemljine orbite oko Sunca. Naime, ekscentricitet (eliptičnost) orbite se menja od 0,005 do 0,058 sa periodom od 100.000 godina (današnja vrednost 0,017). Zatim, nagib Zemljine ose uzima vrednosti od 22°,1 do 24°,5 sa periodom od 41.000 godina (danas iznosi 23°,5). I konačno, tu je i precesija, kretanje Zemljine ose koje se može uporediti sa kretanjem ose čigre, sa periodom od 23.000 godina. Milanković je, na osnovu promene ovih parametara, izračunao kako se menja količina svetlosti koja pada na određene geografske širine, i na osnovu toga izradio tablice iz kojih je moguće odrediti kako se granica večnog leda spušta, odnosno diže, tokom vre- mena. Kada je, nešto kasnije, iz geoloških nalaza dobijena pouzdana rekonstrukcija vremenskih prilika i kretanja granice večnog leda u prošlosti, dobijena kriva je veoma dobro odgovarala Milankovićevoj krivi, sa tri istaknuta perioda, upravo ona tri koja je Milanković predvideo. Poslednje takvo ledeno doba okončano je pre oko 10.000 godina, a na svom vrhuncu, pre 18.000 godina, led je prekrivao dobar deo Evrope, Azije i Severne Amerike.

Zemlja kao snežna grudva

O Zemlji kao snežnoj grudvi ‘Astronomija’ je već pisala (dr Milan Ćirković, Astronomija br. 5) pa ćemo sad samo ukratko podsetiti o čemu se radi. Na osnovu geoloških nalaza utvrđeno je da je Zemlja u periodu pre 900 do 600 miliona godina nekoliko puta bila potpuno okovana ledom. Ove epizode, označene kao epizode ‚snežne grudve‘, bile su, dakle, znatno dramatičnije i dugotrajnije od gore opisanih ‚klasičnih‘ ledenih doba. One nisu mogle biti izazvane ‘Milankovićevim ciklusima’; o njihovom uzroku i dalje se spekuliše (intenzivna globalna vulkanska aktivnost, smanjenje Sunčevog zračenja...?). Ova hipoteza ‚Zemlje kao snežne grudve‘ bila je dugo osporavana jer nije bilo jasno kako bi Zemlja izašla iz ove takozvane ‚bele smrti‘, pošto led ima veoma visok albedo, to jest, reflektuje gotovo svu upadnu svetlost. Odgovor je pronađen u prestanku funkcionisanja ugljeničnog ciklusa, procesa čiju smo važnost već naglasili, a sada ćemo ga malo bliže razmotriti.

Ugljenični ciklus

Mogu se izdvojiti tri komponente ovog ciklusa. Tu je, najpre, kratko periodični organski ciklus; u okviru njega razli- kujemo kopneni, i nešto složeniji, okeanski (tzv. biološka pumpa). Osnovu ovog ciklusa čine fotosinteza i respiracija. U procesu fotosinteze biljke uzimaju ugljen dioksid iz atmosfere i sa vodom, uz pomoć Sunčeve svetlosti, grade ugljene hidrate, a ispuštaju kiseonik u atmosferu. Respiracija je proces suprotan ovom, odnosno predstavlja oslobađanje ugljen dioksida u atmosferu, što se dešava prilikom disanja, ili raspadanja organske materije. Negde u okviru ovog ciklusa, godišnje se apsorbuje 50% ugljen dioksida koji emitujemo u atmosferu.

Zatim, dugo periodični organski ciklus u kome se ugljenik taloži u vidu sedimentnih stena i fosilnih goriva, da bi posle dužeg vremena raznim procesima, u koje sad nećemo ulaziti, bio vraćen u atmosferu. 

Kruženje ugljendioksida iz vazduha kroz stene i magmu do vulkana i ponovo u vazduzh.

I konačno, dugo periodični neorganski ili ugljenično­silikatni ciklus. Ugljen dioksid, koji vulkani stalno izbacuju u atmosferu, uz pomoć kiše reaguje sa silikatnim mineralima iz stena i nastaju joni ugljene kiseline i kalcijuma. Oni putem reka i podzemnih voda dospevaju do okeana. Tu ih razni morski organizmi apsorbuju i ugrađuju u vidu kalcijum karbonata (krečnjaka) u svoje ljušture; kada uginu lagano tonu na dno okeana. Tu bi zauvek i ostali da se Zemljina kora ne sastoji od najmanje 15 ploča koje se kreću nezavisno, brzinom od 1 do 10 cm godišnje. Tokom vremena, tektonske ploče se podvlače jedne pod drugu i vuku sa sobom ovaj karbonat do gornje mantije, posle čega ponovo izbija u atmosferu kao ugljen di- oksid kroz vulkane.

Zahvaljujući celom ovom ciklusu, danas se 50 miliona gi- gatona ugljenika nalazi u organskim i krečnjačkim sedimentnim stenama, naspram svega 770 gigatona u atmosferi u vidu ugljen dioksida i metana; taman koliko treba da nam preko efekta staklene bašte obezbede prijatnih +15°C.

Ostaje nam još da podsetimo na ulogu ovog ciklusa u ‚oslobađanju‘ Zemlje od ‚bele smrti‘. Naime, kad Zemlja pretrpi globalno zamrzavanje, ugljen-dioksid više ne može da reaguje sa mineralima iz stena; međutim, vulkani mogu da nastave da rade i pod ledenim pokrivačem nekoliko kilometara debljine, tako da bi ugljen dioksid nastavio da se akumulira u atmosferi sve dok efekat staklene bašte ne bi postao dovoljno veliki da dovede do topljenja leda. Potom bi se sa obnovljenim padavinama višak ugljen dioksida ‚isprao‘ iz atmosfere i nastavio da kruži. Dakle, ugljenični ciklus deluje kao neki Zemljin prirodni termostat.

I da rezimiramo. Gledajući u naslage stena i leda videli smo da ekstremni klimatski uslovi na Zemlji nisu ništa neuobičajeno, štaviše da se javljaju redovno i periodično kroz celu istoriju naše planete. Posmatrajući kako se Zemlja kreće oko Sunca shvatili smo i zašto. Kao i da je susret sa još jednom takvom epizodom neumitan. A izučavajući naš dosadašnji uticaj na atmosferu shvatili smo i da do tog susreta može doći i znatno ranije nego što je to priroda predvidela. I dok nauka ne bude u stanju da nam ponudi definitivne odgovore, ostaje nam samo da posmatramo naše susede, Mars i Veneru, podsećajući sebe da bi i našu planetu, u bližoj ili daljoj budućnosti, mogla da zadesi slična sudbina.

_________________

* Zapravo, Zemljina atmosfera propušta samo mali deo elektromagnetnog spektra – vidljivo zračenje, radio područje i nešto malo infracrvenog, ali upravo u vidljivom području Sunce najviše zrači.