Runaway: Στις γεωεπιστήμες, ο όρος περιγράφει ένα σύστημα θετικής ανάδρασης που, μόλις ενεργοποιηθεί, αυτοενισχύεται και ξεφεύγει από κάθε μηχανισμό σταθεροποίησης. Σκέψου το σαν να σπρώχνεις μια μπάλα από την κορυφή ενός λόφου. Στην αρχή κινείται αργά, αλλά μόλις περάσει το κρίσιμο σημείο δεν υπάρχει επιστροφή. Μονάχα επιταχυνόμενη κατάβαση ως το τέλος.
Πίστεψέ με, δεν θα ήθελες να ζεις σε έναν πλανήτη που βρίσκεται σε μια runaway κατάσταση.
Σε αυτό το άρθρο θα δούμε γιατί.
Τα πρωινά του Νεωπροτεροζωικού αιώνα ξημερώνουν με έναν νεαρότερο ήλιο που στέλνει λιγότερη ενέργεια στη Γη σε σχέση με σήμερα. Περίπου 6% λιγότερη ηλιακή ενέργεια (Schrag et al., 2002; Stanley & Lucjaz, 2015, p. 276). Η υπερήπειρος Rodinia έχει ξεκινήσει να διαλύεται (Goddéris et al., 2003) και τα ηπειρωτικά τεμάχια είναι περιορισμένα σε ένα συνωστισμένο σμήνος κοντά στον ισημερινό, το οποίο περιβάλλεται από έναν παγκόσμιο ωκεανό, την "Πανθάλασσα" (Hoffman et al., 2017; Schrag et al., 2002). Ο πλανήτης σφύζει από ζωή, όχι όμως όπως την γνωρίζουμε σήμερα. Η Γη του τέλους του Νεωπροτεροζωικού είναι ένα απίστευτα ήσυχο μέρος. Στην θάλασσα και στην ξηρά δεν υπάρχουν φυτά και ζώα και οι ήπειροι είναι ένα ατέλειωτο μοτίβο από γυμνά βράχια. Όμως ο ωκεανός είναι γεμάτος από απλές μορφές ζωής, κυρίως μονοκύτταρες, αλλά και πρωτόγονες πολυκύτταρες, όπως ο πρόγονος της χλωροφύκης (Rafferty, 2023).
Η αύξηση της συγκέντρωσης του CO₂ στην ατμόσφαιρα ενισχύει το φαινόμενο του θερμοκηπίου, αλλά παράλληλα ενεργοποιεί έναν σημαντικό μηχανισμό αρνητικής ανάδρασης που είναι η χημική διάβρωση των πυριτικών ορυκτών, η οποία αφαιρεί ατμοσφαιρικό CO₂ και οδηγεί στην αποθήκευσή του στα κελύφη θαλάσσιων οργανισμών, όπως το πλανκτόν και σε ιζηματογενή πετρώματα (Rudiman, 2014, p. 87). Με τον τρόπο αυτό, η χημική διάβρωση λειτουργεί ως φυσικός θερμοστάτης του γήινου κλίματος.
Η διαδικασία της χημικής διάβρωσης ξεκινά με τον σχηματισμό ανθρακικού οξέος από το CO₂ της ατμόσφαιρας και το νερό της βροχής και συνεχίζεται με την αντίδρασή του με πυριτικά ορυκτά, όπως παρουσιάζεται στα ακόλουθα στάδια. Συνήθως για να δείξουμε τις αντιδράσεις αυτές χρησιμοποιούμε το ορυκτό Βολλαστονίτης, ως αντιπροσωπευτικό πυριτικό ορυκτό (Penman, 2020; Rudiman, 2014, p. 87).H2O (νερό βροχής) + CO2 (ατμόσφαιρα) → H2CO3 (ανθρακικό οξύ)
CaSiO3 (Βολλαστονίτης) + H2CO3 → CaCO3 + SiO2 + H2O
Σύμφωνα με τους Goddéris et al. (2003), ήδη πριν από τα 750 Ma η υπερήπειρος Rodinia είχε αρχίσει να διασπάται. Αυτό το τεκνονικό φαινόμενο συνδυάστηκε με παλμούς μεγάλης ηφαιστειακής δραστηριότητας και ειδικότερα έκλυσης θολειτικού (tholeitic) μάγματος σε πολλά από τα κρατονικά τεμάχια. Το γεγονός ότι τα ηπειρωτικά τεμάχια της Rodinia βρίσκονταν συγκεντρωμένα σε χαμηλά γεωγραφικά πλάτη είχε κρίσιμη σημασία για την κλιματική εξέλιξη του πλανήτη. Στις τροπικές ζώνες επικρατούν υψηλές θερμοκρασίες και αυξημένα ποσοστά βροχόπτωσης, συνθήκες που ενισχύουν σημαντικά τον ρυθμό της χημικής διάβρωσης των πυριτικών ορυκτών. Παράλληλα, η εκτεταμένη ηφαιστειακή δραστηριότητα παρήγαγε μεγάλες ποσότητες φρέσκων βασαλτικών πετρωμάτων, τα οποία είναι ιδιαίτερα ευάλωτα στη χημική διάβρωση (Benedetti et al., 2003; Goddéris et al., 2003).
Η ταπείνωση των συγκεντρώσεων του ατμοσφαιρικού CO₂ οδήγησε σε ψυχρότερα κλίματα και η ύπαρξη μεγάλων ηπειρωτικών μαζών κοντά στον ισημερινό πιθανότατα είχε ως αποτέλεσμα την αποδυνάμωση της κυκλοφορίας του κυττάρου Hadley (Hadley cell), καθώς οι ανοδικοί άνεμοι έγιναν ξηρότεροι. Έτσι η μεταφορά θερμότητας προς τα υψηλότερα πλάτη μειώθηκε και επειδή η υγρασία της ατμόσφαιρας έπεσε, αποδυναμώθηκε ακόμη περισσότερο το φαινόμενο του θερμοκηπίου με αποτέλεσμα οι πολικοί παγετώνες να μεγαλώσουν σε μέγεθος (Hoffman et al., 2017).
Είναι γνωστό πως ο πάγος έχει πολύ υψηλό albedo, δηλαδή πολύ μεγάλη ανακλαστικότητα. Λειτουργεί σαν καθρέπτης που στέλνει πίσω στο διάστημα το μεγαλύτερο μέρος της ηλιακής ακτινοβολίας που δέχεται. Με τους παγετώνες να μεγαλώνουν και να φτάνουν σε χαμηλότερα πλάτη, η ανακλαστικότητα της Γης αυξήθηκε σε σημείο ώστε η απορρόφηση της εισερχόμενης ηλιακής ενέργειας να μειωθεί δραστικά. Η ίδια η ύπαρξη τόσο μεγάλων μαζών ξηράς στους τροπικούς ενίσχυσε το φαινόμενο, καθώς οι εκτεταμένες ηπειρωτικές επιφάνειες, ιδιαίτερα όταν καλύπτονται από πάγο ή χιόνι, παρουσιάζουν υψηλότερο albedo σε σύγκριση με τις ωκεάνιες επιφάνειες (Macdonald & Swanson-Hysell, 2023). Στην αύξηση του albedo συνέβαλαν και πιθανές ηφαιστειακές εκπομπές από SO₂ και H₂S, από τις εκλύσεις βασάλτη που προαναφέραμε, οι οποίες έφτασαν στη στρατόσφαιρα (Macdonald & Wordsworth, 2017). Η επακόλουθη πτώση της παγκόσμιας θερμοκρασίας οδήγησε σε περαιτέρω επέκταση των παγετώνων, ενεργοποιώντας έναν αυτοενισχυόμενο μηχανισμό θετικής ανάδρασης (runaway), ο οποίος οδήγησε σε συνθήκες γενικευμένης, παγκόσμιας παγοποίησης (Hoffman et al., 2017; Stanley & Lucjaz, 2015, p. 276). Με δυο λόγια, οι εκτεταμένοι παγετώνες μετέτρεψαν τον πλανήτη σε έναν τεράστιο καθρέπτη και αυτό τον πάγωσε εντελώς.
Η παγκόσμια αυτή κατάψυξη ονομάστηκε από τους επιστήμονες "Sturtian Glaciation", δηλαδή παγετοποίηση Sturtian. Ραδιομέτρηση ζιρκονίου ηφαιστειακών τόφφων, ενσωματωμένων σε παγετωνικές αποθέσεις, στο Yukon του Καναδά, έδειξε πως η κατάψυξη πιθανότατα ξεκίνησε μεταξύ 716.9 και 716.5 Ma (Macdonald & Swanson-Hysell, 2023) και έληξε μεταξύ 659.3 και 658.5 Ma (Hoffman et al., 2017). Υπάρχει επιστημονική διαφωνία, ως προς το μέχρι πόσο χαμηλά έφτασαν οι παγετώνες. Κάποιοι επιστήμονες υποστηρίζουν ότι η Γη πάγωσε ολόκληρη, άλλοι πως υπήρχε μια μεγάλη περιοχή γύρω από τον ισημερινό που δεν είχε καλυφθεί από πάγο. Λόγω της ικανότητας του νερού στους τροπικούς να αποθηκεύει την ηλιακή ενέργεια, τα κλιματικά μοντέλα δείχνουν πως οι πάγοι έφτασαν μέχρι τα μεσαία γεωγραφικά πλάτη (Rudiman, 2014, p. 95). Σύμφωνα με την δημοσίευση των Xu et al. (2024), το τέλος της Sturtian προκλήθηκε από ταυτόχρονη, παγκόσμια ηφαιστειακή δραστηριότητα. Τα γεωλογικά δεδομένα δείχνουν πως μετά την Sturtian υπήρξε μια παύση, πριν η Γη ξαναβυθιστεί σε μια δεύτερη, μικρότερης διάρκειας παγκόσμια κατάψυξη, την Marinoan. Ως προς την έναρξη της Marinoan υπάρχει αβεβαιότητα. Οι Hoffman et al. (2017) την τοποθετούν ανάμεσα στο 649.9 και 639.0 Ma, ενώ η λήξη της εκτιμάται στα 632.3 ± 5.9 Ma (Rooney et al., 2015).
Σε πρόσφατη μελέτη, οι Chaverot et al. (2024) υποστηρίζουν ότι η σταδιακή συσσώρευση ατμοσφαιρικού CO₂, όπως προκύπτει από τους συνήθεις γεωλογικούς ρυθμούς εκπομπών, δεν επαρκεί για να εξηγήσει τη σχετικά σύντομη διάρκεια της παγετωνικής περιόδου Marinoan. Για τον λόγο αυτό, διερεύνησαν μέσω κλιματικών μοντέλων εναλλακτικά σενάρια ταχείας εισαγωγής CO₂ στην ατμόσφαιρα, όπως μια μεγάλης κλίμακας εξωγήινη πρόσκρουση ή ένα γιγάντιο ηφαιστειακό γεγονός. Εξομείωσαν ηφαιστειακές εκκρήξεις παρόμοιες με αυτήν του υπερηφαιστείου Toba (74 kyrs) και συγκρούσεις διαφορετικής κλίμακας, κανένα όμως γεγονός δεν ήταν ικανό να βγάλει τόσο νωρίς την Γη από τον παγκόσμιο πάγο. Μια πιθανή εξήγηση θα μπορούσε να είναι η απευλευθέρωση τεράστιων ποσοτήτων μεθανίου από παγωμένο έδαφος (permafrost) στον ισημερινό (Kennedy, Mrofka, & von der Borch, 2008).
Ο πάγος δεν ήταν ικανός να σταματήσει τη ζωή στην Γη. Οι δραστικές περιβαλλοντικές αλλαγές, όπως οι χαμηλές θερμοκρασίες, το λιγοστό φως στους ωκεανούς και οι περιορισμένοι πόροι άσκησαν έντονες εξελικτικές πιέσεις στους οργανισμούς (Crockett et al., 2024). Οι συνθήκες αυτές ευνόησαν διαφορετικά μεγέθη και στρατηγικές ζωής: μικρότερα μεγέθη για οργανισμούς που βασίζονταν στη διάχυση και μεγαλύτερα, πιο πολύπλοκα σώματα για κινητικούς ετερότροφους ευκαρυώτες. Αυτό έδωσε εξελικτικό πλεονέκτημα στην πολυκυτταρικότητα των ευκαρυωτών, ανοίγοντας τον δρόμο για την εμφάνιση σύνθετων πολυκύτταρων οργανισμών (Crockett et al., 2024).
Με το λιώσιμο των πάγων ο πλανήτης μπαίνει στην Ediacaran περίοδο, όπου η ζωή πειραματίζεται για πρώτη φορά με την ανάπτυξη των πρώτων σύνθετων πολυκύτταρων οργανισμών, το πρώτο σκαλοπάτι για την βιολογική έκκρηξη της Καμβρίου.
Benedetti, M. F., Dia, A., Riotte, J., Chabaux, F., Gérard, M., & άλλοι. (2003). Chemical weathering of basaltic lava flows undergoing extreme climatic conditions: The water geochemistry record. Chemical Geology, 201(1–2), 1–17. https://doi.org/10.1016/S0009-2541(03)00231-6
Chaverot, G., Zorzi, A., Ding, X., Itcovitz, J., Fan, B., Bhatnagar, S., et al. (2024). Resilience of snowball Earth to stochastic events. Geophysical Research Letters, 51, e2024GL109512. https://doi.org/10.1029/2024GL109512
Crockett, W. W., Shaw, J. O., Simpson, C., & Kempes, C. P. (2024). Physical constraints during Snowball Earth drive the evolution of multicellularity. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, 291, Article 20232767. https://doi.org/10.1098/rspb.2023.2767
Hoffman, P. F., Abbot, D. S., Ashkenazy, Y., Benn, D. I., Brocks, J. J., Cohen, P. A., Cox, G. M., Creveling, J. R., Donnadieu, Y., Erwin, D. H., Fairchild, I. J., Ferreira, D., Goodman, J. C., Halverson, G. P., Jansen, M. F., Le Hir, G., Love, G. D., Macdonald, F. A., Maloof, A. C., … Warren, S. G. (2017). Snowball Earth climate dynamics and Cryogenian geology–geobiology. Science Advances, 3(11), e1600983. https://doi.org/10.1126/sciadv.1600983
Goddéris, Y., Donnadieu, Y., Nédélec, A., Dupré, B., Dessert, C., Grard, A., Ramstein, G., & François, L. M. (2003). The Sturtian ‘snowball’ glaciation: Fire and ice. Earth and Planetary Science Letters, 211(1–2), 1–12.https://doi.org/10.1016/S0012-821X(03)00197-3
Kennedy, M. J., Mrofka, D., & von der Borch, C. (2008). Snowball Earth termination by destabilization of equatorial permafrost methane clathrate. Nature, 453, 642–645. https://doi.org/10.1038/nature06961
Macdonald, F. A., & Wordsworth, R. (2017). Initiation of Snowball Earth with volcanic sulfur aerosol emissions. Geophysical Research Letters, 44, 1938–1946. https://doi.org/10.1002/2016GL072335
Macdonald, F. A., & Swanson-Hysell, N. L. (2023). The Franklin Large Igneous Province and Snowball Earth initiation. Elements, 19(5), 296–301. https://doi.org/10.2138/gselements.19.5.296
Penman, D. E., Caves Rugenstein, J. K., Ibarra, D. E., & Winnick, M. J. (2020). Silicate weathering as a feedback and forcing in Earth's climate and carbon cycle. Earth-Science Reviews, 209, 103298. https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2020.103298
Rafferty, J.P. (2023, January 27). Tonian Period. Encyclopedia Britannica. https://www.britannica.com/science/Tonian-Period
Rooney, A. D., Strauss, J. V., Brandon, A. D., & Macdonald, F. A. (2015). A Cryogenian chronology: Two long-lasting synchronous Neoproterozoic glaciations. Geology, 43(5), 459–462. https://doi.org/10.1130/G36511.1
Ruddiman, W. F. (2014). Earth's climate: Past and future (3rd ed.). W.H. Freeman and Company.
Schrag, D. P., Berner, R. A., Hoffman, P. F., & Halverson, G. P. (2002). On the initiation of a Snowball Earth. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 3(6). https://doi.org/10.1029/2001GC000219
Scotese, Christopher R.; Vérard, Christian; Burgener, Landon; Elling, Reece P.; Kocsis, Ádám T. - "Phanerozoic-scope supplementary material to "The Cretaceous World: Plate Tectonics, Paleogeography, and Paleoclimate (doi:10.1144/sp544-2024-28)" from the PALEOMAP project".doi:10.5281/zenodo.10659112 https://zenodo.org/records/10659112, CC BY 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=155063340
Stanley, S. M., & Lucjaz, J. A. (2015). Earth system history (4th ed.). W. H. Freeman and Company.
Xu, L., Bekker, A., Chamberlain, K., Lehmann, B., Zhang, S., Mao, J., Yan, H., & Pan, W. (2024). Termination of Sturtian glaciation with protracted, multiple volcanic eruptions. Earth-Science Reviews, 255, 104826. https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2024.104826