Czy poziom CO2 był kiedyś dużo wyższy niż obecnie?

Co mówi nauka...

W historii Ziemi były okresy, kiedy atmosferyczny CO2 miał wyższy poziom niż obecnie. Co ciekawe, planeta doświadczała rozległych zlodowaceń w niektórych z tych okresów. Czy to zaprzecza ocieplejącemu działaniu CO2? Nie, z prostego powodu. CO2 nie jest jedynym motorem klimatu. Żeby zrozumieć dawny klimat, musimy uwzględnić inne wymuszenia, które nim kierują. W tym celu w pewnym badaniu połączono 490 zapisów danych pośrednich żeby odtworzyć poziomy CO2 w ciągu ostatnich 540 milionów lat (Royer 2006). Ten okres nazywa się fanerozoikiem.

Rysunek 1: Atmosferyczny poziom CO2 w ciągu fanerozoiku. Przerywana linia oznacza przewidywania modelu GEOCARB, przy czym szary obszar symbolizuje zakres niepewności. Ciągła linia ukazuje wygładzony zapis danych pośrednich (Royer 2006).

Poziom dwutlenku węgla w atmosferze osiągał w zamierzchłych czasach spektakularne wielkości, być może przewyższając 5000 ppm w późnym ordowiku, 440 mln lat temu. Jednak w miarę cofania się w czasie aktywność słoneczna maleje. We wczesnym fanerozoiku moc Słońca była o około 4% niższa niż obecnie. Całkowity efekt CO2 i zmnienności słonecznej przedstawia rysunek 2. Okresy rozległego zlodowacenia są oznaczone szarymi miejscami.

Rysunek 2:  Łączne wymuszenie radiacyjne CO2 i Słońca na przestrzeni fanerozoiku. Wartości są odniesione do warunków przed erą przemysłową (CO2 - 280 ppm, natężenie światła slonecznego - 342 W/m²). Zacienione pasma odpowiadają okresom z silnymi dowodami rozległego zlodowacenia.

Czasy niskiego pozomu CO2 zbiegają się z okresami powszechnego oblodzenia (z wyraźnym wyjątkiem, omówionym poniżej). Prowadzi to do pojęcia progu CO2 (CO2-ice threshold) - poziomu wymaganego do rozpoczęcia zlodowacenia. Gdy Słońce jest mniej aktywne, próg jest dużo wyższy. Na przykład, przy ocenach współczesnego progu zlodowacenia jako 500 ppm, równoważny próg w czasie późnego ordowiku (450mln lat temu) wynosił 3000 ppm.

Jednakże do niedawna uważano, że poziom CO2 w późnym ordowiku był dużo większy niz 3000 ppm - co stwarzało probem, jako że Ziemia doświadczała wtedy epoki lodowej. Dane o CO2 z późnego ordowiku są skąpe, zawierają w zapisie tylko 1 punkt w pobliżu tego czasu, o wartości 5600 ppm. Przy mocy Słońca około 4% niższej niż teraz, CO2 musiało by być 3000 ppm, żeby epoka lodowa była możliwa. Czy mogło go tak bardzo ubyć? W obliczu słabej rozdzielczości czasowej zapisu, dane nie były decydujące.

Badania izotopów strontu w osadach rzucają więcej światła na to pytanie (Young 2009). Wietrzenie skał usuwa z atmosfery CO2. W tym procesie powstaje też pewien izotop strontu, który rzeki zmywają do oceanu. Proporcje izotopów strontu w warstwach osadów pozwalają stworzyć serie danych o wietrzeniu na kontynentach. Zapis strontu wykazuje, że około środkowego ordowiku wietrzenie się nasiliło, co doprowadziło do zwiększonego pochłaniania CO2. Jednak proces był równoważony przez zwiększone wydzielanie z wulkanów. Około 446 mln lat temu aktywność wulkaniczna spadła, gdy wietrzenie pozostało na wysokim poziomie. To spowodowało spadek poziomu CO2 poniżej 3000 ppm i początek ochłodzenia. Okazuje się, że spadek ilości CO2 był przyczyną zlodowacenia w późnym ordowiku.

W ten sposób widzimy, że aby porównywać współczesny klimat z czasami przed 500 milionami lat, trzeba brać pod uwagę mniej aktywne wtedy Słońce. A co z bliższymi czasami? Poziom CO2 ostatnio był podobny do dzisiejszego 3 miliony lat temu, w czasach pliocenu. Poziom utrzymywał się wtedy przez tysiące lat między 365 a 410 ppm. Arktyka była cieplejsza o 11-16°C (Csank 2011). Globalne temperatury były o 3 do 4°C wyższe niż przed epoką przemysłową. Poziom morza był 25 m wyżej niż obecnie (Dwyer 2008). 

Gdyby klimatolodzy uważali dwutlenek węgla za jedyny czynnik działający na klimat, wysoki poziom w okresach zlodowacenia byłby problematyczny. Ale każdy klimatolog powie, że CO2 nie jest jedynym czynnikiem. Dana Royer wyraża to najlepiej: "zapis geologiczny zawiera skrzynię ze skarbami 'alternatywnych Ziemi', która umożliwia naukowcom badanie, jak różne składniki systemu klimatycznego odpowiadają na zestaw wymuszeń". Dawne czasy, kiedy poziom CO2 był wyższy, nie stoją w sprzeczności z podnoszeniem przez CO2 globalnej temperatury. Przeciwnie, potwierdzają jego silny związek z klimatem.