Klimatförändringar kan vara den mest akuta frågan i vår tid, både politiskt och när det gäller livet på jorden. Det finns en ökande medvetenhet om att det globala klimatet är en fråga för offentlig handling.

För 11, 500 år, atmosfärisk koldioxid (CO ₂ ) koncentrationerna svävade runt 280 ppm (det förindustriella "normala"), med en genomsnittlig yttemperatur runt 15°C. Sedan den industriella revolutionen, denna nivå har stigit kontinuerligt, nådde 410 ppm 2018. Geovetenskaperna, med sitt fokus på tidsskalor upp till miljarder år, är unikt utrustade för att göra extremt tydligt hur abrupt industrisamhällen har förändrats och förändrar jordens klimat.

Klimat, växthusgaser, CO ₂ och kolsänkor

Den huvudsakliga motorn i jordens klimat är solen. Vår stjärna levererar en genomsnittlig yteffekt på 342 W/m ² per år (ungefär som för en hårtork för varje kvadratmeter av planeten). Jorden absorberar cirka 70 % av detta och reflekterar resten. Om detta var den enda klimatmekanismen, medeltemperaturen skulle vara -15°C (under vattnets fryspunkt, 0°C). Livet skulle förmodligen vara omöjligt. Lyckligtvis, en del av den absorberade energin återutsänds som infraröd strålning, som, till skillnad från synligt ljus, interagerar med de växthusgaser (GHG) som finns i atmosfären för att stråla tillbaka värme mot jordens yta. Denna växthuseffekt håller för närvarande vår medeltemperatur runt 15 ° C.

De primära växthusgaserna är vattenånga och den mycket omdiskuterade koldioxiden ₂ . Koldioxid bidrar med upp till 30% av den totala växthuseffekten, vattenånga ger ca 70%. CO ₂ , fastän, har övergripande uppvärmningseffekt som vattenånga inte har. Vattenånga i atmosfären har en mycket kort uppehållstid (från timmar till dagar) och dess koncentration kan bara öka om temperaturen ökar. CO ₂ hänger kvar i atmosfären i 100 år och dess koncentration styrs inte enbart av temperaturen. CO ₂ kan alltså utlösare uppvärmning:om CO ₂ koncentrationen ökar, medeltemperaturen, oavsett sin egen trend, kommer att öka.

Det är därför avgörande att förstå hur atmosfärisk CO ₂ är reglerad. Över geologiska tidsskalor (100, 000+ år), vulkaniska gaser är den primära källan till CO ₂ , i genomsnitt 0,4 miljarder ton koldioxid ₂ per år (0,4 GtCO ₂ /y). Men CO ₂ ackumuleras inte bara oändligt i atmosfären, det flödar in och ut tack vare andra miljöprocesser, och lagras i reservoarer som kallas kolsänkor.

Havet, för en, innehåller 50 gånger mer kol än atmosfären. Dock, CO ₂ löst i havet kan lätt släppas ut mot atmosfären, medan endast geologiska sänkor håller CO ₂ bort från atmosfären på geologiska tidsskalor.

Den första geologiska sjunken är sedimentärt organiskt material. Levande organismer innehåller organiskt kol byggt från atmosfärisk CO ₂ genom fotosyntes, och döda organismer skickas ofta till havets botten, sjöar, och träsk. Enorma mängder organiskt kol ackumuleras således över tiden i marina och kontinentala sediment, varav en del så småningom omvandlas till fossila bränslen (olja, gas och kol).

Kalkhaltiga bergarter är den andra geologiska sänkan. Bergarter som graniter eller basalter vittras av ytvatten, tvätta kalcium- och bikarbonatjoner bort till havet. Marina organismer använder dessa för att bygga hårda delar gjorda av kalciumkarbonat. När den avsätts på botten av havet, kalciumkarbonat binds så småningom som kalksten.

Beroende på uppskattningarna, dessa två diskhoar tillsammans innehåller 50, 000 till 100, 000 gånger mer kol än den nuvarande atmosfären.

Historien innan:Jordens atmosfär över tid

Mängden CO ₂ i jordens atmosfär har varierat kraftigt. Decennier av forskning tillåter oss att dra huvudlinjerna i historien som börjar efter att jorden bildades helt för 4,4 miljarder år sedan.

Jordens tidiga atmosfär var extremt rik på CO ₂ (upp till 10, 000 gånger moderna nivåer), medan syre (O ₂ ) var sällsynt. Under arkean (3,8 till 2,5 miljarder år sedan), livet blomstrade först, de första kontinenterna byggdes upp. Väder började dra CO ₂ ut ur atmosfären. Utvecklingen av fotosyntes bidrog till att minska atmosfärisk CO ₂ , samtidigt som man höjer O ₂ nivåer under den stora syresättningshändelsen, för cirka 2,3 miljarder år sedan. CO ₂ koncentrationen sjönk till "bara" 20 till 100 gånger den förindustriella nivån, att aldrig återgå till koncentrationen av jordens tidigaste eoner.

Två miljarder år senare, kolcykeln förändrades. Mot slutet av Devon-tidigt karbon (~ 350 miljoner år sedan), CO ₂ koncentrationen var cirka 1, 000 ppm. Däggdjur fanns inte. Kärlväxter som kunde syntetisera lignin dök upp under devon och spred sig. Lignin är en molekyl som är resistent mot mikrobiell nedbrytning som gjorde att massiva organiska kollager kunde byggas upp som kol under miljontals år. Kombinerat med vittring av det hercyniska området (vars rester finns i Frankrikes Massif Central eller Appalachians), organiskt kol begravning drog atmosfärisk CO ₂ ner till nivåer som liknar (eller lägre än) dagens och genererade en stor glacial era för mellan 320 och 280 miljoner år sedan.

I slutet av jura (145 miljoner år sedan), dock, pendeln hade svängt. Dinosaurier styrde jorden, däggdjur utvecklades, den tektoniska aktiviteten ökade och Pangea (den sista superkontinenten) ur led. CO ₂ ökat, till 500 till 2, 000 ppm, och höll sig på höga nivåer, upprätthålla ett varmt växthusklimat i 100 miljoner år.

Från 55 miljoner år, Jorden kyldes som CO ₂ minskat, särskilt efter Himalayas höjning och en efterföljande ökning av vittring och sedimentering av organiskt kol. Evolutionen fortsätter med hominider som uppträdde för 7 miljoner år sedan. Vid 2,6 miljoner år Jorden gick in i ett nytt tillstånd som kännetecknas av en växling av glaciala och interglaciala perioder i regelbunden takt ledd av jordens orbitala parametrar och förstärkt av den kortare kolcykeln. CO ₂ nått sin förindustriella nivå 11, För 500 år sedan när jorden gick in i det senaste interglaciala stadiet.

En ny historia:den industriella revolutionen

Fram till 1800-talet, berättelsen om atmosfäriskt kol och jordens klimat var en berättelse om geologi, biologi och evolution. Den historien förändrades kraftigt efter den industriella revolutionen, när moderna människor ( Homo sapiens ), som troligen dök upp 300, 000 år sedan, började konsumera fossila bränslen i stor skala.

Vid 1950, tillsats av CO ₂ till atmosfären genom förbränning av fossila bränslen var redan bevisat, via kolisotopsignaturen för CO ₂ molekyler ("Suess" -effekt). I slutet av 1970-talet, klimatforskare observerade en snabb drift mot varmare totala temperaturer. IPCC, skapades 1988, visade 2012 att medeltemperaturen hade ökat med 0,9°C sedan 1901. Den fortsätter att klättra. Den förändringen kan tyckas blygsam jämfört med den senaste deglaciationen, när medeltemperaturen ökade med cirka 6°C i 7, 000 år, men det är minst 10 gånger snabbare. Naturliga parametrar som solaktivitet eller vulkanism kan inte förklara en så snabb uppvärmning. Orsaken är otvetydigt mänskligt tillskott av växthusgaser till atmosfären, och höginkomstländer släpper ut mest koldioxid ₂ per invånare.

Hur kommer vår historia att sluta?

Industrisamhällen brände omkring 25 % av jordens fossila bränslen inom 160 år och inverterade plötsligt ett naturligt flöde som lagrade kol från atmosfären. Detta nya mänskligt genererade flöde är istället lägga till 28 Gt CO₂ per år, 50 gånger fler än vulkaner. Naturlig geologisk lagring kan inte kompensera och atmosfärisk CO ₂ fortsätter att stiga.

Konsekvenserna är överhängande, många och hemska:extrema väderhändelser, höjning av havsnivån, glaciär reträtt, havsförsurning, ekosystemstörningar och utrotningar. Jorden själv har överlevt andra katastrofer. Även om den nuvarande uppvärmningen kommer att överträffa många arters förmåga att anpassa sig, livet kommer att fortsätta. Det är inte planeten som står på spel. Istället, det är framtiden för de mänskliga samhällena och bevarandet av nuvarande ekosystem.

Även om jordvetenskaperna inte kan ge lösningar för att tänka på nödvändiga förändringar i vårt beteende och förbrukning av fossila bränslen, de kan och måste bidra till kunskap och kollektiv medvetenhet om den nuvarande globala uppvärmningen.

Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln.