مناخات الأرض المبكرة والغلاف الجوي

ما المقصود بمفارقة الشمس الخافتة لتغير المناخ على سطح الأرض؟

تشكل فترة ما قبل دهر الحياة (والمعروفة أيضاً باسم زمن ما قبل الكمبري) حوالي 88 بالمائة من الوقت المنقضي منذ نشأة الأرض، ومرحلة ما قبل دهر الحياة هي مرحلة غير مفهومة جيداً من تاريخ نظام الأرض، ولقد تم طمس الكثير من السجل الرسوبي للغلاف الجوي، والمحيطات والكائنات الحية وقشرة الأرض المبكرة بسبب التعرية والتحول والاندساس، ومع ذلك تم العثور على عدد من سجلات ما قبل دهر الحياة في أجزاء مختلفة من العالم، وخاصة من الأجزاء اللاحقة من هذه الفترة.

يعد تاريخ نظام الأرض قبل دهر الحياة البرية مجالاً نشطاً للغاية للبحث، ويرجع ذلك جزئياً إلى أهميته في فهم أصل الحياة وتطورها المبكر على الأرض، علاوة على ذلك تطور التركيب الكيميائي للغلاف الجوي للأرض والمحيطات إلى حد كبير خلال هذه الفترة، حيث لعبت الكائنات الحية دوراً نشطاً، كما يركز علماء الجيولوجيا وعلماء الحفريات وعلماء الأحياء الدقيقة وعلماء جيولوجيا الكواكب وعلماء الغلاف الجوي والكيمياء الجيولوجية، جهوداً مكثفة على فهم هذه الفترة.

هناك ثلاثة مجالات ذات أهمية خاصة ومناقشات لتبين تغير المناخ على سطح الارض، وهي: مفارقة الشمس الفتية الباهتة ودور الكائنات الحية في تشكيل الغلاف الجوي للأرض واحتمال أن الأرض مرت بمرحلة أو أكثر من مراحل (كرة الثلج) للتجلد العالمي.

تشير دراسات الفيزياء الفلكية إلى أن سطوع الشمس كان أقل بكثير خلال تاريخ الأرض المبكر، مما كان عليه في دهر الحياة، في الواقع كان الناتج الإشعاعي منخفضاً بدرجة كافية للإشارة إلى أن جميع المياه السطحية على الأرض كان يجب أن تكون صلبة خلال تاريخها المبكر، لكن الأدلة تشير إلى أنها لم تكن كذلك، ويبدو أن حل مفارقة الشمس الصغيرة الخافتة يكمن في وجود تركيزات عالية بشكل غير معتاد من غازات الاحتباس الحراري في ذلك الوقت، وخاصة الميثان وثاني أكسيد الكربون.

ومع زيادة سطوع الشمس تدريجياً بمرور الوقت، يجب أن تكون تركيزات غازات الدفيئة أعلى بكثير مما هي عليه اليوم، وكان من الممكن أن يتسبب هذا الظرف في ارتفاع درجة حرارة الأرض بما يتجاوز مستويات الحفاظ على الحياة؛ لذلك يجب أن تكون تركيزات غازات الدفيئة قد انخفضت بشكل متناسب مع زيادة الإشعاع الشمسي، مما يعني وجود آلية تغذية مرتدة لتنظيم غازات الاحتباس الحراري.

وقد تكون إحدى هذه الآليات هي التجوية الصخرية، والتي تعتمد على درجة الحرارة وتعمل بمثابة حوض مهم لثاني أكسيد الكربون بدلاً من مصدره، عن طريق إزالة كميات كبيرة من هذا الغاز من الغلاف الجوي، يتطلع العلماء أيضاً إلى العمليات البيولوجية (التي يعمل العديد منها أيضاً كمصارف لثاني أكسيد الكربون) كآليات تكميلية أو بديلة لتنظيم غازات الاحتباس الحراري على الأرض الفتية.

التمثيل الضوئي وكيمياء الغلاف الجوي:

كان لتطور بكتيريا التمثيل الضوئي لمسار جديد للتمثيل الضوئي، استبدال الماء (H2O) لكبريتيد الهيدروجين (H2S) كعامل مختزل لثاني أكسيد الكربون، عواقب وخيمة على الكيمياء الجيولوجية لنظام الأرض، وينطلق الأكسجين الجزيئي (O2) كمنتج ثانوي لعملية التمثيل الضوئي باستخدام مسار (H2O)، وهو أكثر كفاءة من الناحية النشطة من مسار (H2S) الأكثر بدائية.

أدى استخدام (H2O) كعامل اختزال في هذه العملية إلى ترسيب واسع النطاق لتكوينات الحديد النطاقات، أو (BIFs)، وهو مصدر 90 في المائة من خامات الحديد الحالية، كما أدى الأكسجين الموجود في المحيطات القديمة إلى أكسدة الحديد المذاب، والذي يترسب من المحلول إلى قيعان المحيط، استمرت عملية الترسيب هذه، التي تم فيها استخدام الأكسجين بأسرع ما تم إنتاجه، لملايين السنين حتى تم ترسيب معظم الحديد المذاب في المحيطات.

ومنذ ما يقرب من ملياري سنة، كان الأكسجين قادراً على التراكم في شكل مذاب في مياه البحر وتخرج الغازات إلى الغلاف الجوي، على الرغم من أن الأكسجين لا يحتوي على خصائص غازات الدفيئة، إلا أنه يلعب أدواراً غير مباشرة مهمة في مناخ الأرض، خاصة في مراحل دورة الكربون، ويدرس العلماء دور الأكسجين والمساهمات الأخرى للحياة المبكرة في تطوير نظام الأرض.

فرضية كرة الثلج والأرض (Snowball Earth) قديماً:

تشير الأدلة الجيوكيميائية والرسوبية إلى أن الأرض شهدت ما يصل إلى أربعة أحداث تبريد شديدة بين 750 مليون وبين 580 مليون سنة، واقترح الجيولوجيون أن محيطات الأرض وأسطحها كانت مغطاة بالجليد من القطبين إلى خط الاستواء خلال هذه الأحداث، تعد فرضية Snowball Earth هذه موضوع دراسة ومناقشة مكثفة، حيث ينشأ سؤالان مهمان من هذه الفرضية، فقد تسائل الجيولوجيين حول امكانية ذوبان الأرض بمجرد تجميدها، وآلية تجاوز الأرض لفترات التجمد العالي.

يتضمن الحل المقترح للسؤال الأول إطلاق الغازات بكميات هائلة من ثاني أكسيد الكربون بواسطة البراكين، والتي كان من الممكن أن تؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة سطح الكوكب بسرعة، لا سيما بالنظر إلى أن أحواض ثاني أكسيد الكربون الرئيسية، (التجوية الصخرية والتمثيل الضوئي) كانت ستضعف بفعل تجمد الأرض، وقد تكمن الإجابة المحتملة على السؤال الثاني في وجود أشكال الحياة الحالية داخل الينابيع الحارة وفتحات أعماق البحار، والتي كانت ستستمر منذ فترة طويلة على الرغم من الحالة المجمدة لسطح الأرض.

تؤكد فرضية مضادة تُعرف باسم فرضية (Slushball Earth) أن الأرض لم تتجمد تماماً، بدلاً من ذلك بالإضافة إلى الصفائح الجليدية الضخمة التي تغطي القارات، كان من الممكن أن تكون أجزاء من الكوكب، (خاصة مناطق المحيط بالقرب من خط الاستواء) مغطاة بطبقة رقيقة من الجليد وسط مناطق من البحر المفتوح، وفي ظل هذا السيناريو يمكن أن تستمر كائنات التمثيل الضوئي في المناطق المنخفضة الجليد، أو الخالية من الجليد في التقاط ضوء الشمس بكفاءة، والبقاء على قيد الحياة في فترات البرودة الشديدة هذه.

التغيرات المناخية المفاجئة في تاريخ الأرض:

تطور مجال جديد مهم للبحث، وهو تغير المناخ المفاجئ منذ الثمانينيات، وقد تم استلهام هذا البحث من الاكتشاف، في سجلات الجليد الأساسية في جرينلاند وأنتاركتيكا، للأدلة على التحولات المفاجئة في المناخات الإقليمية والعالمية في الماضي، تتضمن هذه الأحداث، التي تم توثيقها أيضاً في سجلات المحيطات والقارات، تحولات مفاجئة في نظام مناخ الأرض من حالة توازن إلى أخرى، وتعتبر هذه التحولات مصدر قلق علمي كبير؛ لأنها يمكن أن تكشف شيئاً عن ضوابط وحساسية النظام المناخي.

وعلى وجه الخصوص يشيرون إلى اللاخطية بما يسمى بـ نقاط التحول، حيث يمكن للتغييرات الصغيرة والتدريجية في أحد مكونات النظام أن تؤدي إلى تغيير كبير في النظام بأكمله، وتنشأ هذه اللاخطية من ردود الفعل المعقدة بين مكونات نظام الأرض، على سبيل المثال خلال حدث (Younger Dryas)، أدت الزيادة التدريجية في إطلاق المياه العذبة إلى شمال المحيط الأطلسي إلى إغلاق مفاجئ للدورة الحرارية الملحية في حوض المحيط الأطلسي.

وتعتبر التحولات المناخية المفاجئة مصدر قلق اجتماعي كبير؛ وذلك لأن أي تحولات من هذا القبيل في المستقبل قد تكون سريعة وجذرية، بحيث تتجاوز قدرة النظم الزراعية والبيئية والصناعية والاقتصادية على الاستجابة والتكيف، ويعمل علماء المناخ مع علماء الاجتماع وعلماء البيئة والاقتصاديين لتقييم تعرض المجتمع لمثل هذه المفاجآت المناخية.

يعد حدث (Younger Dryas) منذ 12800 إلى 11600 عام، أكثر الأمثلة التي تمت دراستها بشكل مكثف وفهمها بشكل أفضل لتغير المناخ المفاجئ، وقع هذا الحدث خلال فترة الانحطاط الأخير، وهي فترة الاحتباس الحراري عندما كان نظام الأرض في حالة انتقال من الوضع الجليدي إلى الوضع بين الجليديين، تميزت منطقة يانغر درياس بانخفاض حاد في درجات الحرارة في منطقة شمال الأطلسي، ويقدر التبريد في شمال أوروبا وشرق أمريكا الشمالية من 4 إلى 8 درجات مئوية (7.2 إلى 14.4 درجة فهرنهايت).

تشير السجلات الأرضية والبحرية إلى أن الأصغر سناً درياس، كان لها تأثيرات قابلة للاكتشاف ذات حجم أقل على معظم المناطق الأخرى من الأرض، وكان إنهاء (Younger Dryas) سريعاً للغاية، حيث حدث في غضون عقد من الزمن، ونتج أصغر درياس عن الإغلاق المفاجئ للدوران الحراري الملحي في شمال المحيط الأطلسي، وهو أمر بالغ الأهمية لنقل الحرارة من المناطق الاستوائية باتجاه الشمال (اليوم تيار الخليج هو جزء من هذا الدوران)، ما زال سبب توقف الدورة الدموية الملحية قيد الدراسة؛ لذلك فإن تدفق كميات كبيرة من المياه العذبة من ذوبان الأنهار الجليدية إلى شمال المحيط الأطلسي متورط، على الرغم من أن عوامل أخرى ربما لعبت دوراً

يكرس علماء المناخ القديم اهتماماً متزايداً لتحديد ودراسة التغيرات المفاجئة الأخرى، ويتم التعرف الآن على دورات (Dansgaard-Oeschger) في الفترة الجليدية الأخيرة على أنها تمثل تناوباً بين حالتين مناخيتين، مع انتقالات سريعة من حالة إلى أخرى، وحدث تبريد استمر 200 عام في نصف الكرة الشمالي منذ ما يقرب من 8200 عام نتج عن التجفيف السريع لبحيرة أغاسيز الجليدية في شمال المحيط الأطلسي عبر البحيرات الكبرى وتصريف سانت لورانس.

كان لهذا الحدث (الذي وصف بأنه نسخة مصغرة من يونغ درياس)، تأثيرات بيئية في أوروبا وأمريكا الشمالية تضمنت انخفاضاً سريعاً في أعداد الشوكران في غابات نيو إنجلاند، بالإضافة إلى ذلك فإن الدليل على تحول آخر من هذا القبيل، تميز بانخفاض سريع في مستويات المياه في البحيرات والمستنقعات في شرق أمريكا الشمالية حدث منذ 5200 عام.