Środowisko

Ognisty glob

Numer 10/2018
Vadim Sadovski / Shutterstock
Ziemia jest łatwopalną planetą, za co odpowiadają bogata w węgiel szata roślinna, tlen w powietrzu oraz ciepły i okresowo suchy klimat panujący na znacznej części lądów. Burze i wulkany służą za iskry zapalne.
Skamieniała karbońska ważka Meganeura monyi o rozpiętości skrzydeł 75 cm (okaz przechowywany w muzeum w Tuluzie).Alexandre Albore/Wikipedia Skamieniała karbońska ważka Meganeura monyi o rozpiętości skrzydeł 75 cm (okaz przechowywany w muzeum w Tuluzie).
Zmiany ­stężenia tlenu atmosferycznego (czerwona ­linia) w ostatnich 450 mln lat, określone na podstawie ilości węgla ­drzewnego zachowanego w skałach.Infografika Zuzanna Sandomierska-Moroz Zmiany ­stężenia tlenu atmosferycznego (czerwona ­linia) w ostatnich 450 mln lat, określone na podstawie ilości węgla ­drzewnego zachowanego w skałach.

W 1984 r. pewien przedsiębiorca, który w czasie wolnym sędziował mecze piłkarskie, przyjrzał się kamiennemu murowi biegnącemu tuż przy boisku. Zobaczywszy szczątki nieznanych mu skamieniałości tkwiących w głazach, postanowił ustalić, skąd pochodzi materiał. Był wszak zapalonym miłośnikiem paleontologii i zbieraczem okazów. Ponieważ głazy przytransportowano z pobliskiego kamieniołomu, ostatecznie kupił nieczynne już wyrobisko i natychmiast zaczął je przekopywać. Wkrótce odkrył słynną Lizzie – podobne do jaszczurki zwierzę żyjące na Ziemi w okresie karbońskim przed 338 mln lat. Sława Lizzie wzięła się stąd, że długo uchodziła za najstarszego znanego nam gada, choć dziś nie mamy już co do tego pewności. Prawdopodobnie była jednak płazem, co w niczym nie umniejsza jej znaczenia.

Niedługo potem w kamieniołomie w West Lothian, leżącym na zachód od Edynburga, pojawił się Andrew C. Scott, młody geobotanik z Royal Holloway University of London. W tych samych prastarych warstwach osadów jeziornych, z których wyciągnięto Lizzie, natrafił na liczne skamieniałe kawałki węgla drzewnego. Zaintrygowały go one, ponieważ ich obecność wskazywała, że w czasach, w których żył ów zagadkowy zwierz, pożary były bardzo rozpowszechnionym zjawiskiem. Ogień mógł się pojawić za sprawą erupcji wulkanicznych lub – co znacznie bardziej prawdopodobne – wyładowań atmosferycznych. Naukowiec doszedł do wniosku, że Lizzie prawdopodobnie zginęła, kiedy – uciekając przed rozszalałym pożarem – schroniła się w jeziorze, które okazało się dla niej pułapką. Węgiel drzewny przechował jej szczątki w dobrym stanie przez ponad 300 mln lat.

Scott opuścił kamieniołom z przekonaniem, że właśnie natrafił na dokładny zapis pradawnych olbrzymich pożarów, których skala i intensywność były o wiele większe niż dziś. Doszedł do wniosku, że łuny pożarów musiały często rozświetlać karbońskie niebo. Po powrocie na uczelnię szybko udało mu się opublikować artykuł przedstawiający analizę zebranego materiału, dzięki czemu kolejni badacze zainteresowali się pradawnymi pożarami roślinności, a Scott wyruszył w świat w poszukiwaniu próbek węgla drzewnego z różnych okresów i epok geologicznych. Najbardziej interesowały go te momenty z dziejów Ziemi, gdy stawała się płonącą planetą, a częstotliwość pożarów naturalnych była nawet stukrotnie większa niż w naszych czasach, które pod tym względem są mimo wszystko jeszcze dość spokojne, choć wydarzenia z ostatniego lata skłaniają do odmiennych wniosków. „Trudno sobie nawet wyobrazić glob ogarnięty taką wszechobecną pożogą. Pożary pojawiają się na nim przy lada okazji i natychmiast nabierają mocy. Jakby ktoś chodził po lesie z miotaczem ognia. Takiego żywiołu nie da się poskromić, trzeba poczekać, aż sam się uspokoi, co może potrwać wiele miesięcy” – opisuje Scott apokaliptyczne pożary z dawnych epok geologicznych w ostatnio opublikowanej książce „Burning Planet”, która podsumowuje wyniki niemal czterdziestoletniego śledztwa dotyczącego historii tego żywiołu.

Skarb w węglu drzewnym

Kiedy na Ziemi wybuchł pierwszy pożar roślinności? Okazuje się, że całkiem niedawno, biorąc pod uwagę wiek planety. Najstarszy znany nam ślad pożaru pochodzi sprzed ok. 420 mln lat. W 2004 r. grupa naukowców z Cardiff University natrafiła w Walii na skamieniałe fragmenty roślin lądowych zachowanych pod postacią węgla drzewnego. Były to ryniofity – organizmy pionierskie, które dały początek liniom rozwojowym wszystkich współczesnych roślin. Ryniofity dorastały do wysokości kilkudziesięciu centymetrów, a najczęściej nie przekraczały kilkunastu; wyglądały więc dość rachitycznie, a w dodatku nie miały liści, jedynie nagą rozgałęzioną łodygę. Dostarczały niewiele organicznego paliwa mogącego stać się zarzewiem ognia. Dlatego odkrywcy byli mocno zdziwieni, kiedy natrafili na węgiel drzewny w warstwach skalnych ewidentnie pochodzących z syluru. Analizy tego węgla – a także przeprowadzone w laboratorium eksperymenty – wykazały jednak, że ów sylurski pożar był niezbyt intensywny. Czasy globalnych pożóg jeszcze nie nadeszły.

„Podczas pożaru roślinności niewielka jej część zachowuje się pod postacią węgla drzewnego. Jest to materiał łatwo zachowujący się w skale, a jego najwspanialszą cechą jest to, że utrwala anatomię strawionych przez ogień roślin. Takie kawałki węgla drzewnego zmieniają się potem w skałę. Można je zabrać do laboratorium i dowiedzieć się wielu ciekawych rzeczy nie tylko o samym pożarze, który wybuchł, powiedzmy, 300 mln lat temu, ale również o roślinności, która padła ofiarą żywiołu” – tłumaczy w swojej książce Scott.

Aby pożar naturalny mógł się pojawić, potrzebne jest paliwo, czyli szata roślinna magazynująca związki organiczne. Od rodzaju tego materiału – czy jest to trawa, liście, gałęzie, kora lub ściółka – zależy, jak szybko będą się rozprzestrzeniały płomienie. Oczywiście ważna jest wilgotność – im bardziej sucha podpałka, tym łatwiej zajmuje się ogniem, co oczywiście oznacza, że wyższa temperatura powietrza ułatwia płomieniom życie. Potrzebna jest też iskra, która roznieci pożar. Dawniej były to wyładowania atmosferyczne albo aktywne wulkany (dziś wiele pożarów roznieca człowiek, nieświadomie lub celowo, ale wciąż to pioruny są ich najczęstszą przyczyną). Ogień nie wybuchnie też bez tlenu, bo jest to przecież gwałtownie przebiegająca reakcja utleniania. Jak widać, dopiero ok. 420 mln lat temu wszystkie trzy składniki – iskra, paliwo i tlen – stały się na Ziemi dostępne w stopniu wystarczającym do pojawienia się na niej pożarów.

Czekanie na tlen

W latach 70. ub.w. Andrew Watson, geochemik z University of Exeter, przeprowadził serię eksperymentów laboratoryjnych polegających na spalaniu rozmaitych próbek roślinnych przy różnym stężeniu tlenu oraz różnym poziomie wilgotności. Doświadczenia te pokazały, że wraz ze zwiększaniem ilości tlenu w mieszance płomienie pojawiały się szybciej i rozprzestrzeniały łatwiej. Prace te kontynuuje Claire Belcher, która ustaliła, że ogień, nawet jeśli zostanie wzniecony, nie przeobrazi się w pożar, gdy stężenie tlenu w atmosferze ziemskiej wynosi mniej niż 16%. Jak wiemy, obecnie tlen stanowi 21% gazów atmosferycznych. – Przy takim stężeniu pożary mogą już wybuchać i szerzyć się bez trudu. Jednak w prawdziwą furię wpadają, jeśli stężenie tlenu wynosi 23% lub więcej. Wtedy każda iskra może w ułamku zmienić się w pożar. Materia organiczna wcale nie musi być bardzo wysuszona. Wystarczy, jeśli nie będzie mokra – mówi Belcher.

Jej zespół doszedł do wniosku, że choć teoretycznie nie ma górnego limitu takiego – jak to określono – „okna ognia”, to w przypadku Ziemi praktyczna granica wynosi ok. 30%. Mogłaby ona zostać przekroczona tylko na globie znacznie wilgotniejszym. Według Belcher (i jej modelu matematycznego FIREOX) prawdopodobieństwo pożarów na Ziemi jest niewielkie, dopóki stężenie tlenu nie przekracza 18%, ale potem błyskawicznie rośnie aż do poziomu tlenu 23–24%, po czym utrzymuje się na stałym, bardzo wysokim poziomie.

Teraz łatwiej zrozumieć, dlaczego pożary pojawiły się na Ziemi dopiero 420 mln lat temu. Zacznijmy od tego, że przez pierwsze 2 mld lat w ziemskiej atmosferze w ogóle nie było tlenu. Wprawdzie sinice, czyli pierwsze organizmy wytwarzające ten związek jako produkt uboczny swojego metabolizmu, pojawiły się „już” po miliardzie lat od powstania Ziemi, ale każda wytwarzana przez nie nadwyżka tlenu, która pojawiała się w środowisku, znikała za sprawą procesów wietrzenia chemicznego. Tlen to pierwiastek bardzo towarzyski. Łatwo wiąże się z innymi pierwiastkami i związkami, a tak się składa, że planety takie jak Ziemia są zbudowane z substancji, które chętnie wchodzą w reakcję z tlenem. Aż dziwne, że ziemska atmosfera jest w niego taka bogata. Po raz pierwszy tlen pojawił się w niewielkich ilościach w atmosferze 2,4–2,2 mld lat temu. Z jakiegoś powodu wietrzenie chemiczne skał nie mogło skonsumować całej nadwyżki gazu. I tak już zostało. Poziom tlenu powoli rósł, dzięki czemu w ciągu kolejnego miliarda lat na planecie pojawiły się mikroorganizmy wyposażone w jądra komórkowe (eukarionty), a po nich – pierwsze organizmy wielokomórkowe. Wciąż jednak tego tlenu było w powietrzu za mało, aby rozpalić na Ziemi ogień. Inna sprawa, że nie byłoby czego rozpalać. Lądy jeszcze się nie zazieleniły. Wciąż były puste i jałowe.

Nadchodzą rośliny

Pierwsze rośliny z prawdziwego zdarzenia pojawiły się na lądach dopiero 450–440 mln lat temu. Były to wspomniane już ryniofity. Potem jednak sprawy potoczyły się szybko. W kolejnym okresie geologicznym – dewonie – rośliny zaczęły się szybko różnicować i podbijać kolejne środowiska lądowe. Około 390 mln lat temu pojawiły się u nich korzenie, liście i drewno, a przed mniej więcej 360 mln lat niektóre zaczęły wytwarzać zarodniki, a inne wykształcały formę drzewiastą. Ich ekspansji towarzyszył szybki wzrost stężenia tlenu. Wtedy właśnie „okno ognia” po raz pierwszy otworzyło się szeroko. Udział tlenu przekroczył 25%, a Ziemia stała się płonącym globem. Mniej więcej wtedy też zaczął się kolejny okres geologiczny ery paleozoicznej – karbon, znany nam przede wszystkim z wielkich pokładów węgla kamiennego powstałego z nagromadzonych i zagrzebanych pod ziemią szczątków roślinnych. W karbonie produkcja materii organicznej na lądach była olbrzymia. Paliwa do pożarów nie brakowało, a ciepły i wilgotny klimat sprzyjał rozwojowi chmur burzowych. Efekt, rzec można, był piorunujący: fala pożarów, po których w warstwach geologicznych pozostało mnóstwo śladów w postaci skamieniałego węgla drzewnego.

Kilka lat temu Scott wraz z Belcher i trzecim badaczem, Ianem Glasspoolem z Field Museum w Chicago, doszli do wniosku, że taki skamieniały węgiel drzewny mógłby posłużyć za wskaźnik zmian w stężeniu tlenu w atmosferze w różnych epokach geologicznych. Na podstawie analizy kilku tysięcy próbek wykonali taką rekonstrukcję dla ostatnich 400 mln lat. Ustalili, że w karbonie (359–299 mln lat temu) i permie (299–252 mln lat temu) stężenie tlenu utrzymywało się na bardzo wysokim poziomie 25–30%. Nieprzypadkowo był to okres szybkiego powiększania się rozmiarów zwierząt. W karbonie pojawiły się gigantyczne stawonogi, takie jak ważka Meganeura ze skrzydłami o rozpiętości 75 cm albo wij artropleura o długości ponad 2 m. Zapewne dostatek tlenu przyczynił się do szybkiego skolonizowania lądów przez kręgowce, które w dewonie zaczęły wychodzić z mórz, a w karbonie ruszyły na podbój kontynentów, początkowo trzymając się wód śródlądowych (płazy), a następnie uniezależniając się od środowiska wodnego (gady). W permie gadzi ród reprezentowały już monstra mające 6 m długości i ważące ponad tonę.

Widać z tego, że pożary, choć wybuchały często i osiągały katastrofalne rozmiary, nie przeszkodziły faunie i florze w rozwoju. Wręcz przeciwnie, zdaniem Scotta żywioł przysłużył się roślinom, wpłynął na ich ewolucję. – W trawionym płomieniami karbonie widłaki, które dziś są małymi roślinkami, a wtedy osiągały ponad 20 m wysokości, wykształciły grubą korę chroniącą je przed ogniem. Mniej więcej w tym samym czasie świat zaczęły podbijać rośliny nagonasienne. Nim do tego doszło, dominującą grupą były rośliny zarodnikowe, takie jak paprocie czy skrzypy, ale one trzymały się środowisk wilgotnych, których powierzchnia szybko kurczyła się w gorącym i coraz suchszym klimacie. Wielkie pożary pomogły roślinom nagonasiennym w ekspansji, redukując powierzchnię terenów wilgotnych – mówi naukowiec.

Belcher zwraca uwagę, że podobna sytuacja zdarzyła się także 150 mln lat później, w okresie kredowym wieńczącym znacznie nam już bliższą erę mezozoiczną (252–66 mln lat temu). Na początku tejże ery, zaraz po największej w dziejach Ziemi zagładzie życia, czyli wymieraniu permskim, stężenie tlenu w atmosferze spadło dramatycznie do poziomu poniżej 20%, a „okno ognia” zostało mocno przymknięte. Zapewne stało się tak z powodu przeciągającego się kryzysu biologicznego: mało roślin to mało tlenu i mało pożarów.

W końcu jednak ziemska biosfera wydobyła się z dołka i w atmosferze zaczęło przybywać tlenu. Jego stężenie rosło i rosło, aż w końcu powróciło do poziomu z poprzedniej ery. Najmocniej podjechało do góry 120–100 mln lat temu, zbliżając się do poziomu 30%. – Zapis utrwalony w węglu drzewnym wskazuje, że lądy znów stanęły wtedy w ogniu. W reakcji drzewa iglaste, które przecież od dawna porastały glob, wytworzyły grubą warstwę kory. Ale pomogło im to tylko trochę. Masowe pożary lasów iglastych ogałacały ziemię, a w ich miejsce wkraczały rośliny okrytozalążkowe, które zajęły dominującą pozycję na globie. Ogień stał się ich sojusznikiem, bo szybciej rosły i się rozmnażały – mówi Belcher. Równie bliska więź łączy dziś pożary z sawannami. Trawy dostarczają mnóstwa łatwopalnej materii organicznej. Pożar wybucha więc łatwo, a na oczyszczonej przez ogień ziemi błyskawicznie wyrasta trawa, nie dając większej szansy drzewom. Zyskują one przewagę dopiero tam, gdzie klimat jest znacznie wilgotniejszy.

Nadchodzą megapożary?

Po kredowym maksimum rozpoczął się powolny zjazd. Około 50 mln lat temu stężenie tlenu obniżyło się do poziomu 21% i takie już pozostało. Zagadką pozostaje, dlaczego tak się stało. Na krótką metę poziom tlenu w atmosferze jest regulowany przez fotosyntezę (uwalnianie gazu), oddychanie tlenowe oraz rozkład materii organicznej (wiązanie gazu). Natomiast w geologicznej skali czasu głównymi regulatorami są: wietrzenie chemiczne konsumujące tlen atmosferyczny oraz zagrzebywanie (długotrwałe odkładanie) części materii organicznej, np. na dnie oceanów. Normalnie ta materia zostałaby rozłożona przez tlen, ale ponieważ trafiła do geologicznej „przechowalni” (którą opuści na przykład jako węgiel kamienny), w powietrzu pozostała nadwyżka tlenu. Z tego wynika, że im większe tempo zagrzebywania, tym więcej tlenu w powietrzu.

Dlaczego jednak poziom tego gazu nigdy nie poszybował wyraźniej ponad 30%? Geochemicy Timothy Lenton z University of Exeter i Lee Kump z Pennsylvania State University uważają, że to właśnie pożary na to nie pozwalają. To one wyznaczają górny limit stężenia tlenu, a zatem pośrednio wpływają na skład atmosfery ziemskiej. Lenton i Kump prowadzą badania nad wyjaśnieniem tego mechanizmu samoregulacyjnego. – Kiedy w powietrzu przybywa tlenu, wówczas rośnie liczba pożarów niszczących szatę rośliną. Pożary niszczą szatę roślinną oraz przyspieszają rozkład martwej materii organicznej konsumującej tlen. Z jednej strony mamy zatem malejącą podaż tlenu, z drugiej – jego większe zużycie. W efekcie poziom tlenu nie może przekroczyć pewnej bariery – tłumaczy Kump, przyznając jednak, że choć hipoteza nieźle sprawdza się w modelu teoretycznym, to jej zweryfikowanie w warunkach rzeczywistych będzie bardzo trudne. – Ten system działa w skali całego globu i od wielu milionów lat – zauważa naukowiec.

Scott przestrzega, że niezależnie od tego, jaki mechanizm stoi za ustabilizowaniem się poziomu tlenu, to „okno ognia” zostało przymknięte tylko odrobinę i nadal bardzo łatwo reaguje na wahnięcia temperatur globalnych oraz zmianę wilgotności klimatu. – To nie powinno nikogo dziwić. Z wszystkich badań płynie jeden wniosek: pożary roślinności są zjawiskiem naturalnym, a być może wręcz koniecznym do zachowania równowagi globalnego ekosystemu. Trzeba więc się z nimi pogodzić, szczególnie że w ocieplającym się klimacie XXI w. będzie ich coraz więcej. Już są coraz częstsze – zauważa. Paradoks – zdaniem naukowca – polega na tym, że ludzie chcą pożary powstrzymywać, ponieważ traktują je jak zagrożenie. „Takie powstrzymywanie sprawi jednak, że na Ziemi powstaną olbrzymie rezerwy łatwopalnej materii organicznej. Nie da jej się zakopać ani zalać wodą, więc kiedyś może ona dać początek naprawdę olbrzymim pożarom. Żyjemy na planecie, na której pożary wybuchają od 400 mln lat. I raczej tego nie zmienimy” – pisze w swojej książce Stott.

Andrzej Hołdys
dziennikarz popularyzujący nauki o Ziemi, współpracownik „Wiedzy i Życia”

01.10.2018 Numer 10/2018

Czytaj także

Reklama
Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną