A Föld légkörének kémiai összetétele különleges. Az éghajlat változásait vizsgálva fõként az oxigén és a szén-dioxid érdemel figyelmet. Hogyan módosult ennek a két gáznak a koncentrációja az évmilliárdok során és milyen folyamatok idézték elõ ezeket a változásokat? – teszi fel a kérdést Toby Tyrrell, a Southamptoni Óceanográfiai Központ munkatársa.

A Föld és a többi bolygó légkörének összehasonlításából kiderül, hogy a földi légkör egyedülálló naprendszerünkben. A két legközelebbi bolygón, a Marson és a Vénuszon sok a szén-dioxid, de kevés az oxigén. A Földön ennek ellenkezõjét tapasztaljuk, pedig a három bolygó légkörének kezdetben valószínûleg hasonló volt az összetétele (I. táblázat). A Föld történetének korai szakaszából származó üledékek arra utalnak, hogy a kezdeti idõszakban kevés oxigén volt, vagy egyáltalán nem volt oxigén a Föld légkörében és tengereiben. Az üledékekbõl arra is következtetnek, hogy a Földön – a kezdetben hidegebb Nap ellenére is – mindig volt folyadék állapotú víz, ami az erõsen szigetelõ, nagy szén-dioxid tartalmú légkörnek köszönhetõ. Különben a hõmérséklet olyan alacsony lett volna, hogy az összes tenger befagy. Hogyan veszítette el a Föld a szigetelõ szén-dioxid takarót, és hogyan tett szert oxigénre?

Fölsõ ábra: a szerves szén körforgása; középsõ ábra: a kalcium- karbonát körforgása; alsó ábra: a kalcium-szilikát körforgása

Az óceánok nagy mennyiségû szén-dioxidot oldanak fel. A földi élet, elsõsorban a fotoszintézis – szinte elképzelhetetlenül hosszú idõ alatt – ugyancsak óriási mennyiségû szén-dioxidot vont ki a légkörbõl, és sok oxigént juttatott vissza.

A fotoszintézis során képzõdõ szerves anyag többségét a kezdeti idõszakban a baktériumok lélegezték be, "ették meg" vagy támadták meg. A vegyületeket elbontották, szén-dioxidot bocsátottak ki és újra oxigént vettek fel. Ahhoz, hogy az oxigén feldúsuljon a légkörben, a szén-dioxid pedig fogyásnak induljon, a fotoszintézissel termelt biomassza egy részének el kellett tûnnie a Föld felszínérõl.

Az óceánokban képzõdõ biomassza egy kis része (kezdetben nem volt szárazföldi élet) folyamatosan a tengerfenékre került, és tengeri üledékes kõzetté alakult át (fölsõ ábra). A folyamat révén óriási mennyiségû szerves szén préselõdött össze lassan a kõzetekben, míg a légkörben lassan csökkent a szén-dioxid és nõtt az oxigén koncentrációja. A kõzetekben felgyülemlett biomasszából származó, szerves vegyületekben gazdag anyagok közé tartozik például a kõolaj és a szén.

Két másik tényezõ is hozzájárult ahhoz, hogy a Föld elveszítse szén-dioxid takarójának jelentõs részét (lehûljön) és oxigénben gazdag légkör képzõdjék. Egyrészt a földkéreg kõzetei nagy mennyiségû szerves szenet (kb. 12·10²⁰ mól C-t) tartalmaznak, ami azt jelenti, hogy a szén-dioxid mennyisége kb. 7 barral csökkent a geológiai korszakok során, és hatalmas mennyiségû oxigén érkezett a légkörbe. A biológiai eredetû kalcium-karbonátban (például a mészkõben) még ennél is több szén van (kb. 50·10²⁰ mól, vagyis 28 barnak megfelelõ mennyiség). Ennek a kalcium-karbonátnak a többsége apró tengeri élõlények összepréselt héjából származik. A héjdarabkák, amelyek az évezredek során a tengerfenékre süllyedtek, a kalcifikációnak nevezett folyamattal szenet vontak ki a tengervízbõl (középsõ ábra):

Bár az egyenlet azt jósolja, hogy a tengervízben – és diffúzió révén a légkörben is – megnõ a szén-dioxid koncentrációja a kalcium-karbonát kicsapódása miatt, a folyamat valójában a légköri szén-dioxid csökkenéséhez vezet, ha egy nagyobb körfolyamat része (alsó ábra). Ha az idõk során nagy mennyiségû kalcium-szilikát típusú kõzet alakult át kalcium-karbonát típusúvá, akkor jelentõs mennyiségû légköri szén-dioxidnak kellett a kõzetekbe kerülnie.

Másrészt a fotoszintéziskor keletkezõ oxigén – mielõtt a légkörben feldúsulhatott volna – oxidálta az óceán és a földfelszín anyagait (például a ként szulfáttá, a vasat vas-oxiddá alakította át). Kiszámították, hogy a légkör mai oxigéntartalma csak kb. négy százaléka annak az oxigénnek, amelyet az eltemetett, fotoszintézisre alkalmas anyag termelt a geológiai korok során.

Kb. 2,2 milliárd évvel ezelõtt az oxidálható anyagok tartaléka tulajdonképpen kimerült a fotoszintetizáló szervezetek folyamatos oxigéntermelése miatt és azért, mert a biomassza egy része anélkül került a tengeri üledékbe, hogy a baktériumok felfalták vagy elbontották volna. Ekkortájt kezdõdött a légköri oxigén dúsulása, és évmilliók alatt alakult ki a többé-kevésbé állandó mai koncentráció. Bár az élet kezdetben szabad oxigén nélkül jött létre, a bonyolult élõlények kifejlõdése  a szabad oxigénhez kötõdik.

Jégkorszakok

A szén-dioxid "normális" (iparosodás elõtti) koncentrációja a Föld légkörében 200–280 milliomod rész (ppm); szinte jelentéktelen az oxigén 210 000 ppm koncentrációja mellett. A grönlandi és antarktiszi jégtakarókból vett mintákban a jégbe zárt levegõbuborékok arra utalnak, hogy a jékorszakok és az interglaciális periódusok közötti földi hõmérséklet-ingadozások, valamint a légköri szén-dioxid koncentráció változásai nem függetlenek egymástól. Ezeket a hõmérséklet-ingadozásokat –  nagy valószínûséggel –  a Földre érkezõ kozmikus sugárzás szabja meg elsõsorban, de a kapott sugárzás változásának nagysága nem elegendõ a hõmérséklet-ingadozások magyarázatára.

A nagy hõmérsékleti hatások vizsgálatához az üvegházhatást okozó gázok, elsõsorban a szén-dioxid változásait is nyomon kell követni. Sajnos a több évtizedes kutatás ellenére is keveset tudunk ezekrõl a gázokról, a többi éghajlati tényezõrõl és a jégkorsazakok okairól. Sok elképzelés van, de egyhangúlag elfogadott válasz egy sincs. Néhányan úgy vélik, hogy a szerves szén kõzetekben tárolt mennyiségének változása okozza a glaciális–interglaciális ciklusokat; vagyis a fotoszintézis fokozottabb a jégkorszakok alatt, több szerves szenet juttat az üledékes kõzetekbe, s így kevesebb szén végezhet körforgást a légkörben és a tengerekben. Az üledékes leletekben mért ¹³C/¹²C izotóparányok azonban ellentmondanak ennek a feltevésnek.

A kalcifikációból kiinduló, legelfogadottabb hipotézis szerint a tengerek lúgosságának változása okozhatja, hogy a légkör szén-dioxid koncentrációja 200 ppm (jégkorszak) és 280 ppm (interglaciális idõszak) között ingadozik. A kalcifikációs egyenlet szerint a CaCO₃ HCO₃^–-ionokat von el a vízbõl és CO₂-ot  juttat vissza. A CaCO₃ képzõdése és kivonása jobban csökkenti a lúgosságot ("két egységgel"), mint a tengervízbõl kivont szén mennyiségét ("egy egységgel"). A vízben keletkezõ szén-dioxid diffúzió révén a tenger felszínére és innen a légkörbe kerülhet. Ha a lúgosság csökken, a

Az óceán jégkorszakbeli lúgosodására s a folyamatot kísérõ légköri szén-dioxid koncentráció csökkenésére, illetve az éghajlat lehûlésére szintén számos elképzelés született. Az egyik szerint a jégkorszakban csökkent a testükre kalcium-karbonát lemezkéket kiválasztó Coccolithophorida-félék "termelékenysége". A feltevés hívei szerint ez a fitoplankton a melegebb vizeket kedveli, és a jégkorszakokban kisebb területeken szaporodott csak el. Kevesebb kalcium-karbonát héj hullott tehát a tengerfenékre, és a tengerek lúgosabbá váltak. Ugyanez a gondolatmenet a kalcium-karbonátot képezõ, meleg vizet kedvelõ korallzátonyokkal is megismételhetõ. A tengeri üledékek mindenesetre alátámasztják a glaciális/interglaciális lúgosság-ingadozást és a jégkorszakok lúgosabb tengervizeinek kialakulását.

A feltevések egyik következménye azonban ellentmondáshoz vezet. Ha ugyanis a tengerek lúgosabbak voltak a jégkorszakokban, kevésbé támadták meg a lesüllyedõ kalcium-karbonátot. Tehát kevesebb kalcium-karbonátnak kellett feloldódnia, és különösen a mély vizekben többnek kellett lerakódnia. Az üledékes kõzetekbõl vett minták nem utalnak erre.

Egy újabb elképzelés szerint a jégkorszakban több biológiai eredetû anyag (szerves szén) ülepedhetett le és oxidálódhatott. Mivel a szerves anyagok oxidációja során szén-dioxid fejlõdik, az üledékes kõzetek lyukacsaiban felgyülemlett víz elõsegítette a kalcium-karbonát oldódását.

Új idõk

Ma az egyik legnagyobb környezeti probléma a globális felmelegedés. A figyelem középpontjába került a szén-dioxid megnövekedett légköri koncentrációja, amelyet feltehetõen a fosszilis üzemanyagok égetése és az erdõk kivágása idéz elõ. Az emberi beavatkozás elõtti 200–280 ppm-es szén-dioxid koncentráció az 1700-as évek óta rohamosan növekszik a szerves szenet tartalmazó kõzetek kiaknázása (a szén, a kõolaj és a földgáz kitermelése) és elégetése miatt. Ma a légköri szén-dioxid koncentrációja eléri a 360 ppm-et, és a nemzetközi összefogás ellenére sem várható, hogy a növekedés hamarosan megálljon.

Az éghajlat változásainak fizikáját, kémiáját és biológiáját sok ezer kutató tanulmányozza. A vizsgálatok egy része azt elemzi, hogy mi történt azzal a szén-dioxiddal, amely az 1700-as évek óta került a levegõbe. A kibocsátott szén-dioxidnak ugyanis kb. csak 45%-a maradt a légkörben. Ha sikerül kideríteni, hová tûnik a szén-dioxid, azt is megtudjuk, hová lesz a jövõben kibocsátandó szén-dioxid felesleg. A számítások szerint az emberi tevékenységbõl származó szén-dioxid 30%-a oldódott fel a tengerekben, és 25%-a távozott ismeretlen helyre. A jelenlegi legjobb elképzelés szerint ez a szén-dioxid a földi növényzetet "trágyázza". A légkörbe kerülõ többlet szén-dioxid s talán a mûtrágyák és a hõmérséklet-növekedés együttes hatására a fák terebélyesebbek lettek, a növények általában a korábbinál nagyobbra nõnek, és több szén-dioxidot tárolnak – legalábbis ott, ahol a növényeket nem aratják le.

A Biosphere II nevû kísérlet nagyszerûen demonstrálja, hogy az élet szempontjából milyen fontos a szén megfelelõ megoszlása a szerves anyagok, a kalcium-karbonát és a légkör között.