Către sfârșitul lunii martie, 2021, am descoperit un articol foarte interesant, în prestigioasa publicație Nature Geoscience. În el era prezentată o modelare a evoluției, pe termen foarte lung, a atmosferei terestre. Aparent, articolul era foarte alarmant, și o să vă spun mai târziu de ce. Dar el mi-a adus aminte de fratele Elon Musk, cel care nu încetează să repete că este obligatoriu să devenim o specie multiplanetară, deoarece, cu siguranță, planeta noastră nu va putea asigura la nesfârșit supraviețuirea civilizației umane. Nu trebuie să ne temem de viitor, trebuie să ne pregătim pentru el.
Puțină istorie
Pentru a putea judeca viitorul atmosferei terestre, este obligatoriu să ne aruncăm o privire către trecut. Vă propun o privire de ansamblu, fără a intra în detalii. Au existat mai multe etape.
În prima etapă, demarată imediat după formarea planetei noastre, atmosfera terestră a avut, foarte probabil, o atmosferă bogată în hidrogen și heliu. Aceasta s-a disipat rapid, deoarece gravitația terestră nu putea reține aceste gaze ușoare.
A urmat a doua etapă. Planeta a început să se răcească treptat. Asta a dus la degazarea rocilor din mantaua terestră. Analizând compoziția unor meteoriți și aducându-i la temperaturi de peste 1.200 grade Celsius, s-a putut stabili că, în urma solidificării scoarței terestre a rezultat o atmosferă primitivă, alcătuită din vapori de apă, monoxid și dioxid de carbon și urme de hidrogen și sulfură de hidrogen. În aceeași perioadă a demarat și un vulcanism intens, ceea ce a adus la creșterea densității atmosferei. Acum circa 4,4 miliarde de ani era alcătuită în proporție de 80% din vapori de apă, 15% bioxid de carbon 3% azot și alte gaze. Desigur, aceste cifre sunt aproximative, valorile diferă în funcție de metodele de evaluare a compoziției atmosferei primordiale.
Planeta s-a răcit în continuare. La un moment dat, atunci când temperatura a scăzut foarte mult, vaporii de apă au început să condenseze. A urmat o perioadă, lungă la scara timpului omenesc, scurtă la scară geologică, care a fost marcată de ploi diluviene. Este acea perioadă în care s-au format oceanele.
Încet, încet s-au creat condițiile pentru unul dintre cele mai mari evenimente din istoria planetei: apariția vieții, în urmă cu 3,7 până la 3,5 miliarde de ani. În acea vreme atmosfera terestră era alcătuită din azot și bioxid de carbon. Printre primele organisme vii s-au numărat cianobacteriile, care își asigurau energia necesară supraviețuirii prin fotosinteză. În atmosferă au început să fie eliberate cantități din ce în ce mai mari de oxigen. Totuși, vreme de aproape un miliard de ani, compoziția atmosferei a rămas aproape nemodificată. De ce? Motivul este foarte simplu. Oxigenul este un element chimic foarte reactiv, combinându-se foarte ușor cu diferitele minerale terestre, mai ales cu fierul. De exemplu, în apa oceanelor primordiale se găseau dizolvate cantități uriașe de fier, care au interacționat imediat cu oxigenul produs de cianobacterii, rezultând oxizi de fier (FeO și Fe3O4), care sunt insolubili în apă. Procesul a continuat, din ce în ce mai rapid, până când întreaga cantitate de fier dizolvată în apă și mineralele de la suprafața planetei s-au oxidat. Această perioadă, cuprinsă în intervalul cuprins între 2,5 și 2,2 miliarde de ani în urmă, a lăsat semne adânci în geologia terestră și are numele de Marea Oxidare (Great Oxidation Event).
În perioada de început a vieții terestre a mai existat o categorie de bacterii primitive, care, în urma proceselor fiziologice, produceau cantități mari de metan. Astfel atmosfera s-a putut îmbogăți cu gaz metan, despre care știm că produce un puternic efect de seră. Asta a dus la creșterea spectaculoasă a temperaturii la suprafața Terrei. Dar, de îndată ce oxigenul a ajuns la concentrația suficientă pentru a îl oxida, concentrația sa a început să scadă rapid și, o dată cu această întâmplare, efectul de seră a devenit din ce în ce mai puțin intens. Asistăm la o perioadă, numită Glaciațiunea Huroniană, care a durat câteva sute de milioane de ani. Pentru formele de viață primitive din acele timpuri a fost o adevărată catastrofă, șansele de supraviețuire fiind extrem de reduse. O dată cu trecerea acestui episod, organismele care i-au supraviețuit s-au găsit în fața unui mediu complet schimbat, marcat de o atmosferă relativ bogată în oxigen, neprielnică pentru bacteriile anaerobe primitive. Procesele evolutive au favorizat organismele capabile să îl folosească foarte eficient pentru a obține energia necesară proceselor fiziologice. Asistăm la o diversificare treptată a speciilor și încep să apară primele organisme multicelulare. În urmă cu circa 850 de milioane de ani apăreau primele alge care sunt precursoarele plantelor terestre. Creșterea concentrației oxigenului în atmosfera terestră a continuat în ritm accelerat (la scara timpului geologic).Viața intra pe un nou traseu, care a dus în cele din urmă la apariția omului.
Vă rog să rețineți asta: condițiile necesare pentru apariția formelor evoluate de viață au fost create de primele bacterii apărute pe Terra. Ele au produs oxigenul necesar, alterându-și astfel iremediabil mediul care le asigura supraviețuirea. Nu mai intru în alte detalii. A sosit momentul să vă vorbesc despre viitorul atmosferei terestre.
Viitorul
Articolul, despre care vă vorbeam la începutul acestui text, a fos publicat în revista Nature Geoscience pe 01 martie 2021 și purta titlul ”The future lifespan of Earth’s oxygenated atmosphere” (Durata de viață a atmosferei bogate în oxigen a Terrei.). Lucrarea era semnată de doi cercetători, unul japonez: Kazumi Ozaki, celălalt american: Christopher T. Reinhard, care, printre altele, sunt implicați în programele NASA de căutare a vieții pe planetele extrasolare. Acum pot să vă dezvălui de ce, în ciuda tuturor aparențelor, articolul nu este unul alarmant, deși, din capul locului se arată că simulările matematice realizate de cei doi arată că peste circa un miliard de ani oxigenul va dispărea din compoziția atmosferei terestre. În primele rânduri ale rezumatului lucrării publicate în Nature Geoscience, cei doi arată că: ”Atmosfera terestră este, în prezent, bogată în oxigen iar prezența lui poate fi detectată de la mare distanță, fiind astfel o biosemnătură pentru prezența biosferei. Totuși, durata de viață a acestei biosemnături a Pământului rămâne o necunoscută, mai ales pentru viitorul foarte îndepărtat. Noi am folosit o simulare, în care am combinat biogeochimia și modelele climatice, pentru a evalua durata probabilă de viață a unei atmosfere bogate în oxigen în condițiile existente pe Pământ.”
Nu știu dacă v-ați dat seama, dar scopul lucrării ține mai degrabă de astrobiologie. Insist asupra acestui aspect. Cei doi cercetători nu își propun să ne alarmeze, ci doar să ne ajute să înțelegem mai bine evoluția la scară geologică a atmosferelor planetare. Asta rezultă mai clar din partea introductivă a articolului: ”Domeniul astronomiei planetare este la un pas de analiza detaliată a atmosferelor extrasolare, cu mari speranțe pentru detectarea indicatorilor de habitabilitate și, posibil, ai existenței vieții, de îndată ce va fi disponibilă următoarea generație de telescoape spațiale și terestre. Totuși, o bază solidă pentru detectarea de la distanță a existenței vieții necesită o înțelegere detaliată a factorilor care conduc la apariția și menținerea pe termen lung a biosemnăturilor atmosferice, inclusiv de înțelegerea compoziției atmosferelor în condițiile biogeochimiei planetare.”
Multe lucrări referitoare la evoluția pe termen lung a vieții pe Terra s-au concentrat pe activitatea solară. Mai bine zis, pe creșterea continuă a luminozității Soarelui. Așa cum v-am spus cu alte ocazii, Soarele nostru va ajunge într-un moment dramatic, în care combustibilul nuclear din nucleul său, hidrogenul, va fi consumat în întregime. În nucleul solar va începe ”arderea” heliului iar Soarele va intra într-o nouă etapă, devenind o stea gigantă roșie. Această catastrofă se va produce peste circa 5,5 miliarde de ani.
Apropo de această dată, în urmă cu mai bine de patru decenii, circula o anecdotă, care era atât de des rostită, încât s-a banalizat rapid. O voi relua aici pentru cititorii tineri, cu speranța că le voi putea smulge un mic zâmbet. Un mare savant ținea o prelegere populară despre Soare. Folosind cuvinte bine alese povestea viața Soarelui. La un moment dat ajunge și la final, povestind cum, peste circa 5,5 miliarde de ani, steaua noastră centrală, devenind o gigantă roșie, va distruge complet viața pe Terra. În acest moment unul dintre spectatori se ridică brusc în picioare și, cu figură îngrozită, strigă speriat către conferențiar: ”Peste cât timp?!…”. ”Peste 5,5 miliarde de ani!”, veni răspunsul. Dintr-o dată spectatorul s-a liniștit, iar fața i s-a luminat cu un zâmbet larg. În timp se se așeza pe scaun, răsuflând ușurat a spus: ”Uff… mi s-a părut că ați spus 5,5 milioane de ani…”
Dar, mai înainte de cataclismul care îl speria pe personajul nostru, vom asista la o creștere treptată a luminozității Soarelui. Procesul a demarat încă din primele lui momente de existență. Astăzi Soarele este cu 30% mai luminos decât cu 4,5 miliarde de ani în urmă. Fenomenul este provocat de faptul că în urma reacțiilor de fuziune a hidrogenului sunt produse cantități mari de heliu. Heliul este mai dens decât hidrogenul, așa că nucleul solar, alcătuit acum dintr-un amestec de hidrogen și heliu devine din ce în ce mai dens, ceea ce duce la creşterea presiunii din miezul stelei noastre. Această creștere de presiune duce la o ușoară intensificare a reacțiilor nucleare, Soarele devenind, treptat, din ce în ce mai strălucitor. Creșterea de luminozitate se desfășoară inițial foarte lent, câtă vreme în nucleul solar se găsesc cantități suficiente de hidrogen. În prezent se estimează că luminozitatea Soarelui va crește cu circa 6% la fiecare miliard de ani.
Sunt nevoit să fac o mică precizare. Cei care neagă implicarea activităților umane în actuala încălzire a climei ar putea fi tentați să folosească paragraful de mai sus drept argument pentru a contesta concluzia la care au ajuns oamenii de știință. În rapoartele IPCC (The Intergovernmental Panel on Climate Change, Grupul Interguvernamental pentru Schimbările Climatice) este luată în mod constant în calcul modificarea activității solare. Toate simulările au arătat că aceasta are o influență nesemnificativă asupra dramaticei încălziri a climei la care asistăm în prezent.
Revenind la viitorul îndepărtat, el se arată sumbru. Din cauza creșterii luminozității Soarelui, peste două miliarde de ani, Planeta Albastră de acum va fi văduvită complet de apă lichidă. Trist, nu-i așa?
În lucrarea din Nature Geoscience despre care vă vorbesc acum, cei doi cercetători au dorit să vadă care va fi evoluția oxigenului atmosferic. Problema este una foarte complicată, deoarece în ecuaţiile simulării trebuie introduși o sumedenie de parametri. Nu este vorba aici numai despre fluxul de energie sporit care vine de la Soare, ci și despre complicate procese biogeochimice și climatice. Vă reamintesc că, în urmă cu mai bine de două miliarde de ani, formele primitive de viață au produs o schimbare majoră în geologia terestră.
Cei doi cercetători au folosit un model matematic complex elaborat cu mai mult timp în urmă, pe care l-au adaptat. Aceste model poartă numele de COPSE (Carbon Oxygen Phosphorus Sulfur Evolution). Sună complicat, și chiar este complicat. Foarte simplist spus acest model integrează componentele biotice și cele abiotice din sistemul terestru, pentru a determina evoluția lor pe termen foarte lung. Așa cum precizează cei doi autori, COPSE a fost folosit deja pentru a simula condițiile existente pe Terra în urmă cu 500 milioane de ani: ”Modelul a fost testat extensiv și validat pe baza înregistrărilor geologie pentru ultimele 500 de milioane de ani ai istoriei terestre și a putut determina cantitățile de oxigen și dioxid de carbon din atmosferă alături de compoziția oceanelor la scara geologică a timpului.” Cei doi adaugă că: ”scopul nostru a fost acela de a produce un model cantitativ, care să încapsuleze o gamă larga de procese biogeochimice în biosfere oxice/anoxice pentru a putea să facem predicții pentru viitorul oxigenului din atmosfera terestră.”
Pasul următor, desigur, a fost modelarea matematică. S-a folosit o analiză stocastică, probabilistică, prin care s-a putut evalua permanent gradul de incertitudine al rezultatelor obținute. Practic, modelul a fost rulat de mai mult de 400.000 de ori, de fiecare dată modificându-se anumiți parametri. După o muncă asiduă au apărut și rezultatele.
Vor exista mai multe etape. O dată cu creșterea luminozității Soarelui, dioxidul de carbon din atmosferă va începe să se descompună sub acțiunea radiației solare. Treptat (repet, la scara geologică a timpului) concentrația lui va înceapă să scadă, iar peste circa un miliard de ani va dispărea cu totul. Același lucru se va întâmpla și cu stratul de ozon. Este clar că scăderea concentrației dioxidului de carbon atmosferic va avea drept consecință imediată o reducere a proceselor de fotosinteză, deci la o producție din ce în ce mai scăzută de oxigen. La capătul miliardului de ani, arată modelul celor doi cercetători, oxigenul atmosferic va avea o concentrație extrem de scăzută. Cât de scăzută? Ne spune unul dintre autorii articolului din Nature Geoscience, Chris Reinhard, citat de revista New Scientist. ”Scăderea concentrației de oxigen va fi extremă. Va fi de un milion de ori mai mică decât cea din prezent.” La rândul său celălalt autor, Kazumi Ozaki, a precizat că ”Atmosfera terestră, după pierderea oxigenului, va fi caracterizată de cantități mari de metan, niveluri scăzute de dioxid de carbon și de absența stratului de ozon. Pământul, probabil, va deveni o lume a formelor de viață anaerobe.” Trist, foarte trist. Practic, formele de viață complexe nu ar putea supraviețui pe o planetă, care evoluează în condiții similare cu cele ale Pământului, decât pe o perioadă relativ scurtă de timp, de numai 20 până 30% din durata de existență a planetei.
Dar să lăsăm emoțiile la o parte. Am spus-o de mai multe ori: studiul pe care l-am comentat are drept scop îmbunătățirea metodelor de căutare a vieții pe planetele extrasolare. În prezent cei mai mulți cercetători consideră că cea mai importantă biosemnătură ar fi prezența oxigenului în atmosfera respectivei exoplanete. Dacă am merge în continuare pe această cale riscăm să nu băgăm de seamă planete pe care ar putea exista viață.
Încheiere
A sosit momentul să îmi las imaginația să zburde în voie. Cele câteva sute de milioane de ani, până când condițiile de pe Terra vor pune în primejdie formele de viață complexe, reprezintă un interval de timp foarte lung pentru civilizația umană. Gândiți-vă că Homo sapiens a apărut cu 300.000 de ani în urmă, iar cele mai vechi civilizații umane au apărut doar cu câteva mii de ani în urmă. Ce va fi umanitatea peste un milion de ani? Nu avem cum să facem prognoze raționale. Suntem obligați să apelăm la imaginație. A mea este una optimistă: urmașii noștri din viitorul îndepărtat vor găsi toate soluțiile necesare pentru supraviețuirea speciei. Cea mai simplă dintre ele se pune deja în aplicare. Fratele meu, Elon Musk, așa cum spuneam și la începutul acestui text, este pionierul transformării speciei noastre într-una multiplanetară. Elon ne va duce pe Marte, dar asta nu este de ajuns. Va trebui să descoperim cum să călătorim ca în Star Trek, și pentru asta va fi nevoie să înțelegem mai bine legile care guvernează Universul, pentru a le exploata în elaborarea tehnologiilor care ne vor permite călătorii galactice și intergalactice. Sunt sigur că o vom face. Nu știu cum, imaginația mea este și una rațională, dar cred că există deja autori de literatură SF care intuiesc viitorul, întocmai ca, la vremea lui, Jules Verne.
Sunt convins că vor fi mulți cei care vor dori cu disperare să salveze planeta de la soarta inevitabilă. Iar ei vor găsi soluții. Nu îmi pot imagina cum vor putea împiedica Soarele să ardă Pământul, dar cred că vor putea să aplice tehnici de terraformare, pentru a păstra planeta ca pe un adăpost al vieții. Avem timp: milioane de ani. Planeta Marte, cu tehnologiile actuale, am putea să o terraformăm în câteva zeci de mii de ani. Ar mai exista și o soluție mai simplă, care este deja avută în vedere pentru a combate încălzirea climei din prezent. Ne putem închipui că vom putea realiza un uriaș ecran care să ne protejeze de excesul de radiație solară…
Da, vom evolua. Avem la dispoziție mult timp pentru a găsi soluții care să ne ajute să evităm o catastrofă, care, acum, pare a fi inevitabilă. Așa cum vă spuneam, eu sunt un optimist.
