Daniel Rothman pracuje na najwyższym piętrze Wydziału Nauk o Ziemi, Atmosferze i Planetach Massachusetts Institute of Technology – dużym betonowym budynku z widokiem na rzekę Charles w Cambridge. Z wykształcenia matematyk, Rothman zajmuje się badaniem systemów złożonych, a fascynującym tematem okazało się dla niego zachowanie Ziemi. W szczególności bada on ziemski cykl węglowy w odległej przeszłości, zwłaszcza podczas tych rzadkich momentów, gdy został on wypchnięty poza punkt krytyczny i wymknął się spod kontroli, potrzebując setek tysięcy lat na powrót do równowagi.
Ponieważ całe życie na Ziemi jest oparte na węglu, poważne zakłócenia cyklu węglowego są lepiej znane jako masowe wymierania. Geolodzy dokonali w ostatnich dziesięcioleciach niepokojącego odkrycia: wiele masowych wymierań na Ziemi – w tym to najgorsze ze wszystkich – nie zostało spowodowanych, jak sądzono, uderzeniami asteroid, lecz przez masowe erupcje wulkaniczne, które uwolniły katastrofalne ilości CO₂ do atmosfery i oceanów.
Jeśli zbyt dużo CO₂ zostanie uwolnione zbyt szybko, może to przytłoczyć cykl węglowy i uruchomić planetarną pętlę sprzężenia zwrotnego. Naturalne procesy Ziemi mogą wówczas wzmocnić problem, uwalniając jeszcze więcej węgla i wysyłając klimat w niszczycielską spiralę, która trwa 100 000 lat, zanim powróci stabilność. Nie ma znaczenia, czy poziomy CO₂ były początkowo wysokie, czy niskie – liczy się tempo zmian. Gwałtowny wzrost może prowadzić do katastrofy.
Cykl węglowy normalnie radzi sobie z powolnym, stabilnym uwalnianiem CO₂ z wulkanów przez miliony lat, przemieszczając węgiel między powietrzem, oceanami i żywymi organizmami, zanim ostatecznie powróci on do Ziemi. Ale jeśli ogromna ilość węgla zostanie uwolniona w bardzo krótkim czasie – szybciej, niż planeta jest w stanie go wchłonąć – może to wywołać reakcję łańcuchową o wiele bardziej destrukcyjną niż samo początkowe zdarzenie. Może istnieć krytyczny próg, który oddziela zwyczajne ocieplenia, do których życie może się przystosować, od wymierań wymykających się spod kontroli.
Chociaż minęło już ponad 60 milionów lat, odkąd Ziemia po raz ostatni przekroczyła taki próg, badania Rothmana sugerują, że teraz pchamy planetę na tę samą niebezpieczną ścieżkę. Gdy tylko przekroczymy tę linię, masowe wymieranie może stać się nieuniknione, nawet jeśli jego pełne rozegranie zajmie tysiące lat.
W całej historii Ziemi istniało tylko kilka sposobów na uwolnienie ogromnych ilości węgla ze skorupy ziemskiej do atmosfery: rzadkie, masowe erupcje wulkaniczne występujące mniej więcej co 50 milionów lat oraz – o ile wiemy – kapitalizm przemysłowy, który zdarzył się tylko raz.
Masowe wymierania to nie są po prostu bardzo złe wydarzenia. Nie są to zakłócające cywilizację pandemie, takie jak COVID-19, który zabił mniej niż 1% jednego gatunku naczelnych. Nie są one jak utrata jednej czwartej światowej roślinności czy zlodowacenie, które 20 000 lat temu wyjałowiło znaczną część Ameryki Północnej. Nie są one nawet jak erupcje superwulkanów, które – choć zdolne do zdziesiątkowania nowoczesnego społeczeństwa – nie miały trwałego wpływu na globalną bioróżnorodność. Wszystko to jest częścią normalnych wyzwań życia na Ziemi. Życie zniosło je już wcześniej. Gdyby było wrażliwe na rodzaj rutynowych zakłóceń, które są częścią codziennego życia na planecie wulkanicznej... Ale choć Ziemia jest światem wytrzymałym, odpornym na wszelkiego rodzaju niewyobrażalne stresy, które regularnie znosi, to co 50 do 100 milionów lat dzieje się coś naprawdę katastrofalnego. Są to wielkie masowe wymierania, kiedy warunki na powierzchni planety stają się wszędzie tak wrogie, że przytłaczają zdolność adaptacyjną niemal wszystkich złożonych form życia.
Pięć razy w historii życia zwierząt ten kataklizm osiągnął – i w jednym przypadku znacznie przekroczył – nieco arbitralny próg wyniszczenia 75% gatunków Ziemi, zasługując na miano „wielkiego masowego wymierania”. Paleontolodzy określają je mianem Wielkiej Piątki, choć zapis kopalny pokazuje również dziesiątki innych, mniej dotkliwych masowych wymierań. Ostatnie z Wielkiej Piątki uderzyło 66 milionów lat temu, globalna katastrofa na tyle poważna, by położyć kres panowaniu gigantycznych dinozaurów.
Pozostawiło po sobie krater o szerokości 110 mil, odkryty w 1978 roku pod półwyspem Jukatan w Meksyku przez geofizyków pracujących dla państwowej firmy naftowej Pemex. Rozmiar i kształt krateru wskazywały, że asteroida o szerokości sześciu mil momentalnie wyżłobiła w ziemi dziurę o głębokości 20 mil. Trzy minuty później wybuchł niezwykle tymczasowy 10-milowy łańcuch górski z eksplodującego stopionego granitu. W tym chaosie wyginęło 76% gatunków zwierząt.
Dla porównania, szkody wyrządzone przez ludzi reszcie świata żywego są jak dotąd stosunkowo skromne, stanowiąc może mniej niż 10% utraconych gatunków. Przynajmniej na razie. Zgodnie z wpływowym badaniem z 2011 roku opublikowanym w „Nature” przez paleobiologa Anthony'ego Barnosky'ego, jeśli będziemy kontynuować w obecnym tempie wymierania, możemy eskalować z już alarmującego poziomu – niewielkiego masowego wymierania – do szóstego wielkiego masowego wymierania w zaledwie trzy wieki lub nawet w ciągu 11 330 lat. Dla przyszłych geologów nie różniłoby się to od uderzenia asteroidy. Jeszcze bardziej niepokojące jest to, że po drodze mogą istnieć punkty krytyczne, w których pozostałe na świecie gatunki znikają niemal wszystkie naraz, jak węzły w sieci energetycznej padające razem podczas załamania.
Biorąc pod uwagę, jak druzgocący był już dotychczasowy wpływ człowieka na biosferę, mrożące krew w żyłach jest myślenie, że najgorsze z naszego masowego wymierania może wciąż być przed nami.
Jeden okres w historii naszej planety wyróżnia się jako wyjątkowo pouczający – i wyjątkowo chaotyczny, zmienny i śmiertelny – jeśli chodzi o przeciążenie CO2. Trzysta milionów lat temu Ziemia wielokrotnie traciła kontrolę nad swoim cyklem węglowym i zniosła 90 milionów lat masowych wymierań, w tym dwie najgorsze globalne katastrofy wszech czasów, napędzane przez CO2. W jednym przypadku planeta niemal umarła. Paleontolog Paul Wignall opisał to jako ulegnięcie „klimatowi niezrównanej złośliwości”. Pod sam koniec okresu permskiego, 252 miliony lat temu, z Syberii wybuchło wystarczająco dużo lawy i wsiąkło w skorupę ziemską, by pogrzebać 48 stanów USA pod kilometrem skały.
Na głębokość kilometra.
Pozostałości tych starożytnych potoków lawowych znane są jako trapy syberyjskie. Dziś tworzą one dramatyczne rzeczne wąwozy i płaskowyże z czarnej skały na odległym borealnym pustkowiu Rosji. Erupcje, które je stworzyły, niegdyś pokrywające Syberię 2 milionami mil kwadratowych dymiącego bazaltu, należą do rzadkiej klasy gigantów zwanych Wielkimi Prowincjami Magmowymi (LIP).
LIP są jak dotąd najniebezpieczniejszym zjawiskiem w historii Ziemi, o znacznie bardziej katastrofalnych skutkach niż asteroidy. Te zdarzające się raz na erę, zabijające planety wulkany są całkowicie różne od typowych erupcji, takich jak Tambora, Mount Rainier czy Krakatau – a nawet Yellowstone. Wyobraźcie sobie, że Hawaje powstały nie przez dziesiątki milionów lat, rozrzucone po Pacyfiku, ale wszystkie naraz w krótkim, gwałtownym wybuchu. W ciągu mniej niż miliona lat, i to wszystko w jednym regionie – czasem nawet rozrywając centra kontynentów – te masowe zdarzenia wulkaniczne, znane jako Wielkie Prowincje Magmowe (LIP), są dramatycznym przypomnieniem Ziemi, że nasza cienka skalista skorupa i delikatna warstwa życia ją pokrywająca spoczywają na wirującej, obojętnej planetarnej maszynerii. Tutaj kolosalne prądy skalne ciągną całe płyty oceaniczne w dół do jądra planety, by zostać zniszczonymi i odtworzonymi. Gdy ten proces jest zakłócony, LIP wybuchają jak tektoniczna niestrawność, zalewając ogromne obszary skałą wulkaniczną. Jeśli te erupcje są wystarczająco duże i szybkie, mogą zdziesiątkować świat.
Pod koniec okresu permskiego, podczas największego masowego wymierania w historii, erupcje te musiały wywołać przerażające eksplozje, prawdopodobnie powodując krótkie wulkaniczne zimy i kwaśne deszcze. Wystąpiło powszechne zatrucie rtęcią, wraz z toksycznymi gazami fluoru i chloru – podobnymi do tych, które dusiły żołnierzy w okopach I wojny światowej. Co najważniejsze i najbardziej katastrofalne dla życia, erupcje uwolniły zmieniającą planetę ilość dwutlenku węgla.
Co ciekawe, w miarę jak datowanie syberyjskiej lawy staje się bardziej precyzyjne, wiemy teraz, że masowe wymieranie nie rozpoczęło się aż 300 000 lat po rozpoczęciu erupcji – po tym, jak dwie trzecie lawy zalało już północną Pangeę skałą o grubości wielu mil. To zastanawiające. Wulkany przez setki tysięcy lat wyrzucały swoją zwykłą śmiertelną mieszankę, daleko przewyższając współczesne zanieczyszczenia przemysłowe. Byłoby niezliczone gwałtowne eksplozje i żrące burze kwaśnych deszczy. Mimo to życie trwało; biosfera jest odporna. Dlaczego więc po tak długotrwałym zniszczeniu życie nagle załamało się na całym świecie, nawet w najgłębszych oceanach po przeciwnej stronie planety?
Co spowodowało masowe wymieranie? „Możecie wykluczyć lawy” – mówi Seth Burgess, geolog z US Geological Survey. Ale coś w tych syberyjskich wulkanach musiało się drastycznie zmienić po 300 000 latach, wywołując globalne załamanie. Więc co to było?
Planeta zaczęła spalać własne paliwa kopalne.
Rezultatem był masowy napływ węgla, który przytłoczył systemy regulacyjne Ziemi i wypchnął klimat z równowagi.
Wulkany naturalnie emitują znaczące ilości CO₂ – nawet do 40% gazów z ujścia może stanowić dwutlenek węgla. Ale po wiekach aktywności na powierzchni, coś o wiele bardziej niebezpiecznego zaczęło się gotować pod ziemią. Ogromne, 1000-stopowe płyty magmy, niezdolne do wydostania się na powierzchnię, rozprzestrzeniały się na boki przez głęboką skałę jak żarzące się korzenie, podgrzewając wszystko na swojej drodze. Wtedy warunki stały się katastrofalne.
Te podziemne intruzje magmy przepaliły się przez ośmiomilowy stos starożytnej rosyjskiej skały w basenie tunguskim. Ta geologiczna warstwówka zawierała pozostałości starych słonych równin i piaskowców, ale co ważniejsze, bogaty w węgiel wapień, złoża gazu ziemnego z dawnych mórz i węgiel z minionych epok. W kontakcie magma zapaliła te paliwa kopalne i bogate w węgiel skały, wywołując masowe eksplozje gazowe, które rozsadziły nadległą skałę. Na powierzchni wybuchły kratery o szerokości pół mili, uwalniając gigatony dwutlenku węgla i metanu do atmosfery.
Po setkach tysięcy lat typowych erupcji powierzchniowych wulkany zaczęły przepalać podpowierzchnię. Trapy syberyjskie wybuchły na masową skalę, działając jak ogromne elektrownie węglowe, zakłady gazu ziemnego i fabryki cementu. Jak opisał jeden naukowiec wymieranie permskie, „Spalanie węgla reprezentowałoby niekontrolowane i katastrofalne uwolnienie energii z planetarnego ogniwa paliwowego Ziemi”. Erupcje te uwalniały ogromne ilości CO₂ znacznie szybciej, niż planeta była w stanie je wchłonąć.
Oto prawdopodobna sekwencja wydarzeń pod koniec permu. Po pierwsze, nadmiar CO₂ uwięził więcej energii słonecznej w pobliżu powierzchni Ziemi – podstawowy proces fizyczny rozumiany przez naukowców od ponad 150 lat. W rezultacie planeta ogrzała się o około 10°C przez tysiące lat, spychając zarówno życie zwierzęce, jak i roślinne do granic możliwości. Cieplejsze powietrze utrzymuje również więcej wilgoci – około 7% więcej na każdy stopień ocieplenia – więc w miarę wzrostu temperatur cykl hydrologiczny nasilał się, prowadząc do częstszych i cięższych burz.
Oceany również się ogrzały, zmniejszając ich zawartość tlenu. Zwierzęta morskie, już zmagające się z upałem, potrzebowały więcej tlenu, a nie mniej. Gdy morza stawały się coraz cieplejsze i bardziej zastane, życie morskie zaczęło wymierać. Pogarszając sprawę, atmosferyczny CO₂ rozpuszczał się w oceanie jako kwas węglowy, zwiększając kwasowość i wyczerpując węglan, którego wiele organizmów używa do budowy muszli. Stworzenia morskie stawały się słabe, chore lub w ogóle nie mogły formować muszli.
Gdy życie oceaniczne załamało się, morski łańcuch pokarmowy zaczął się rozpadać. Na lądzie pożary niszczyły ekosystemy i uwalniały jeszcze więcej CO₂, podczas gdy gwałtowne burzy uderzały w kontynenty. Odpady z lądu spływały do morza, niosąc składniki odżywcze, takie jak fosfor, które napędzały masowy zakwit glonów. Gdy te zakwity obumierały i rozkładały się, zużywały jeszcze więcej tlenu, dusząc oceany.
Gdy CO₂ wciąż lał się z trapów syberyjskich, planeta stawała się coraz gorętsza, spychając warunki poza to, co złożone życie mogło znie
