Cykle oceaniczne, megacykle Fischera – opracowana przezAlfreda G. Fischera[2] koncepcja sugerująca istnienie whistorii Ziemi stosunkowo regularnie występujących naprzemiennych okresów „cieplarni” i „chłodni”, trwających po ok. 30 mln lat. Uzasadnieniem pierwszej nazwy tej hipotezy jest fakt, że przejścia cieplarnia–chłodnia–cieplarnia... Fischer powiązał z charakterystycznymi zmianami termicznej stratyfikacji wód oceanów (zob.stratyfikacja termiczna wody w jeziorze)[3].
Opracowanie koncepcji „megacykli” było poprzedzone wieloletnimi badaniamistratygraficznymi, umożliwiającymi podjęcie próby wykazania korelacji między prawdopodobną temperaturą wody oceanów i zawartością tlenu abiologiczną różnorodnościąekosystemów morskich. Badania prowadziły interdyscyplinarne zespoły naukowców; poza A.G. Fischerem brali w nich udział między innymi[4]:
oraz Friedrich Heller, Giovanni Napoleone, Paolo Cheli, Siro Corezzi, William Lowrie i inni. Wyniki tych badań były publikowane od lat 50. XX wieku, m.in. w cenionych czasopismachEvolution[11] iGeological Society of America Bulletin[12] oraz jako wydawnictwa książkowe[4].
Geologicznym zapisem zachodzących zmian klimatu i ziemskichekosystemów są profilesedymentologiczne ipaleontologiczne. Podstawowe zasady, stosowane w czasie odczytu zapisu geologicznego, sformułował już w XVII w.Nicolaus Steno (anatom, geolog i biskup katolicki,beatyfikowany przezJana Pawła II)[13]:
Dokładniejszą interpretację zapisów umożliwiają[13]:
Skala czasu geologicznego, utworzona na tych podstawach w XIX wieku, została później wycechowana, z użyciem metoddatowania izotopowego. Do datowania najmłodszych fragmentów skorupy ziemskiej (wiek < 40 tys. lat) stosuje sięizotop14C, a do datowania skał starszych inne izotopy, np.potasu (wiek > 0,1 mln lat) luburanu (wiek > 100 mln lat)[14].
Wymienione metody radiometryczne pozwalają określać wiekskał magmowych imetamorficznych, w których nie występują skamieniałości, a metody biostratygraficzne stosuje się w przypadku warstwskał osadowych. Nowe, bardziej uniwersalne metody datowania są wciąż poszukiwane. Do datowania skał magmowych i niektórych skał osadowych zastosowano np. metodę wykorzystującą zjawiskorewersji biegunów magnetycznych, opracowaną przezAllana Coxa[17]. Radiometryczne datowanie skał osadowych o wieku do 65 mln lat umożliwia standardowa krzywa zależności stosunku stężeń dwóch izotopów strontu –87Sr/86Sr – od wieku próbki (np. szkieletów koralowców, muszli mięczaków i innych skamieniałości zwierząt morskich)[17].
W ostatnim półwieczu możliwości badawcze geochemików znacznie się zwiększyły, m.in. dzięki opanowaniu technik oznaczania stężeńizotopów trwałych. Szczególne znaczenie jest przywiązywane do oznaczeń stosunku izotopówtlenu18O/16O (obecnie 99,759 %16O, 0,037 %17O, 0,204 %18O)[15].
Możliwość określania18O/16O jest szczególnie cenna w przypadku badań maksimów i minimówplejstocenu, nieformalnie nazywanegoepoką lodową (ok. 2,6 mln lat temu). Badania zmian klimatu w tym okresie – prowadzone m.in. przezHarolda C. Ureya – polegają na określaniu udziału18O np. w muszlach znalezionych w odpowiednich warstwach stratygraficznych; wyznaczony stosunek ilości obu izotopów przeważnie jest równy proporcji w środowisku, w którym muszla była budowana zCO2 lubwęglanów (przyswajanych bez względu naliczbę masową tlenu). Stwierdzono, że w okresach narastania lodowców względna zawartość cięższego izotopu w wodzie wzrasta. Jest to związane z większąlotnością wody lżejszej (16O), która po odparowaniu nie wraca do oceanu, (jak to się dzieje w zamkniętymcyklu hydrologicznym) – jest zatrzymywana w tworzącym się lodzie. W miarę postępu zlodowacenia zwiększa się różnica między zawartościami18O w lodzie i wodzie oceanów (środowisku życia). Wahania stężenia tego izotopu w skamieniałościach różnych warstw pozwoliły wykazać, że w okresie ostatnich 2 mln lat nastąpiło ok. 60 większych wahnięć wskazujących na postęp zlodowacenia (w tym cztery najbardziej wyraźne w ostatnich 800 tys. lat)[15].
Odczytanie zarejestrowanej w skałach i skamieniałościach historii Ziemi jest zadaniem wciąż nierozwiązanym. Na Ziemi równocześnie zachodziły złożone procesy geologiczne i ewolucja biologiczna, zmieniał się skład atmosfery i hydrosfery, zmieniała się aktywność Słońca i odległość Ziemi od Słońca. Zrozumienie przeszłości utrudnia fakt, że w czasie minionych 4,5 mld lat miały miejsce liczne zdarzenia krótkotrwałe, które nie pozostawiły śladów w geologicznym zapisie. Skomplikowane jest również uwzględnienie w interpretacjach tego zapisu zjawisk o charakterzesprzężeń zwrotnych – ujemnych lub dodatnich, czyli sprzyjających utrzymaniu stanu dynamicznej równowagi globalnego ekosystemu lub pogłębiających chwilowe odchylenia od tego stanu[a]. Rozwiązywanie takich problemów bardzo ułatwia zastosowanie nowoczesnych technikmodelowania matematycznego. Tworzone są np. złożoneklimatyczne modele matematyczne, których celem jest przewidywanie nadchodzących zmian klimatu na podstawie ogólnych praw fizyki oraz wiedzy o czynnikach kształtujących klimat Ziemi w przeszłości i obecnie.
Określenie „tętno Ziemi” jest stosowane od czasu wydania w roku 1947 popularnej książkiThe Pulse of the Earth. Jej autorem jest holenderski geologJohannes H.F. Umbgrove[18], który pisał tę pracę w okresiewojny światowej, część w hitlerowskim więzieniu[18]. Był on jednym z pierwszych geologów, próbujących znaleźć korelacje między wieloma poznanymi już zdarzeniami w historii globu, np.górotwórczością iwulkanizmem,zmianami poziomu morza, różnicowaniem się mórz, temperaturą. Mimo że stosował niedokładne skale czasu, dostrzegł interesujące zbieżności. Wywołał trwające do dzisiaj naukowe polemiki między wytrwałymi poszukiwaczami dowodów istnienia powtarzalnych sekwencji zdarzeń („periodystami” i „cyklomaniakami”) i krytykami tej postawy;Tjeerd H. van Andel pisał na ten temat[18]:
Cykliczna historia Ziemi jest prosta i łatwo przyswajalna, gdy tymczasem przypadkowa sekwencja zdarzeń jest trudna do ustalenia, trudno ją zrozumieć, a polubić – nie sposób.
Wyrażając uznanie dla twórców teorii wielkich cykli przytoczył równocześnie opinię H. L. Menkena[19][20]:
Każdy złożony problem ma swe rozwiązanie, które jest proste, eleganckie i całkowicie błędne.
Mimo wielu opinii krytycznych poszukiwania „periodystów” są wciąż kontynuowane. Niektóre z okresowych zmian warunków meteorologicznych w poszczególnych miejscach powierzchni Ziemi oraz na całym globie nie budzą wątpliwości i są regularne. Należą do nich zmiany spowodowane m.in.[14]:
Zgromadzono dużą liczbę dowodów potwierdzających cykliczność oscylacji stanu oceanów i atmosfery międzyEl Niño iLa Niña oraz między ujemną i dodatnią fazą NAOoscylacji północnoatlantyckiej (cykl kilkuletni),
Wolniejsze i mniej regularne zmiany klimatu Ziemi były związane zwędrówką kontynentów (zob.tektonika płyt)[22][23][24]. Kontynenty nieustannie przesuwają się na swoich płytach po półpłynnejastenosferze, z czym wiąże się powstawanie nowej płyty oceanicznej w strefachspreadingu z równoczesnym zagłębianiem się i przetapianiem płyty starej (pokrytej osadami) w strefiesubdukcji. Co ok. 500 mln lat powstaje ponownie jedensuperkontynent (zob.cykl Wilsona nazywany cyklem superkontynentalnym,ewolucja kontynentów).
Wśród najdokładniej poznanych zdarzeń wymienia się:
Z procesami rozpadu superkontynentów oraz z wędrówką powstających fragmentów i ich kolizjami wiązały się inne zjawiska decydujące o klimacie Ziemi, silnie wzajemnie powiązane, m.in.wulkanizm iorogeneza, powstawanie i zanikanie basenów morskich, zmiany klimatu na przemieszczających się kontynentach, powstawanie i topnienie lądolodów, zmiany warunków cyrkulacji wody oceanicznej i powietrza.
Geochemicy-periodyści uznają, że zarejestrowane w skałach zmiany stanu Ziemi są skutkiem złożenia wszystkich wymienionych zmian okresowych icyklicznych (wynik złożenia robi wrażeniezmian chaotycznych)[25][26][27]. Podejmują się interpretacji stratygraficznych zapisów mimo świadomości, że są one niekompletne i trudno oczekiwać pełnego sukcesu.
U podstaw hipotezy megacykli Fischera leży jego spostrzeżenie, że okresom występowania oceanów[31]:
Podstawowa różnica między właściwościami wody oceanów cieplarni i chłodni dotyczy jej gęstości. Tworzenie się płytkich mórz, szeroko rozlewających się w strefie międzyzwrotnikowej, sprzyjało intensywnemu parowaniu i zwiększaniu się zasolenia wody (zob.kryzys messyński). Przemieszczanie się takiej wody powierzchniowej do oceanów przypomina współczesny spływ wód z Morza Śródziemnego do Atlantyku – ich gęstość sprawia, że zgłębiają się pod warstwę oceanicznej wody powierzchniowej. Według Fischera powszechność tego zjawiska w okresach transgresji mórz powodowała, że wodyabisalne oceanów były dużo cieplejsze niż obecnie, a strumienie natlenionej wody powierzchniowej spływały w głąb znacznie wolniej. Miało to istotny wpływ na rozwój morskichbiocenoz i tempo gromadzenia się dennych osadów (źródeł obecnie eksploatowanych złóżropy naftowej)[16].
| Cechy oceanu | Stan chłodni (np. dzisiejsza Ziemia) | Stan cieplarni (np. oceanokresu kredowego ) |
| rozwarstwienie | silne, stabilne | mniej wyraźne i niestabilne |
| temperatura wód powierzchniowych w strefie okołobiegunowej | < 2 °C | 12–15 °C |
| temperatura wód powierzchniowych w strefie równikowej | > 25 °C | niewiele wyższa niż w stanie chłodni |
| temperatura wód przydennych | + 2 °C w interglacjale + 1 °C w glacjale | do 15 °C w strefie równikowej do ok. 10 °C w strefie okołobiegunowej |
| szybkość cyrkulacji pionowej (powstawanie osadów) | ożywiony przepływ bogatych w tlen wód przydennych, silne utlenianie, mało materii organicznej w osadach | mała gęstość wód powierzchniowych powoduje powolny przepływ wód przydennych o małej zawartości tlenu, nie utleniona materia organiczna pogrzebana w osadach (powstawanie ropy naftowej) |
| produktywność ekosystemu | zróżnicowana, np. wysoka produktywność małych obszarówupwellingu | niska |
| biocenoza | ekosystemy mało zróżnicowane o dużej liczebności populacji (zakwity mórz, m.in. plankton jednogatunkowy) | ekosystemy bardzo zróżnicowane gatunkowo, lecz mniejsza liczebność populacji (m.in. wielkie gady morskie) |
Na podstawie analizy korelacji danych dotyczących masowych wymierań, poziomu morza, wulkanizmu i klimatu, obejmujących okres ponad 600 mln lat, Fischer wyodrębnił następujące fazy megacyklu[18]:
Kontynuatorzy prac Alfreda Fischera (m.in.John Veevers) opracowali ulepszone wersje megacykli, dalej sięgające w przeszłość i wybiegające w przyszłość (z uwzględnieniemantropopresji –efektu cieplarnianego wywołanego przez człowieka)[18].
W zakończeniu rozdziału książki „Nowe spojrzenie na starą planetę” zatytułowanego „Inne czasy, inne oceany”Tjeerd H. van Andel napisał[3]:
Oto pożywka dla pomysłów lecz dopóki nie zdobędziemy znacznie większej wiedzy – pomysłów bardzo ostrożnych.
oraz:
Zwolennicy eustatycznych zmian poziomu morza gwałtownie sprzeciwiają się tej idei i podkreślają słabość materiału dowodowego oraz usiłują wykazać, że gdyby był on lepszy, wszyscy uznaliby ciepłą Ziemię jedynie za produkt naszej wyobraźni. Do chóru wątpiących dołączyło wielu specjalistów zajmujących się modelowaniem klimatu, bowiem nie będąc w stanie sporządzić modelu o ciepłych biegunach, sądzą oni, że coś jest nie w porządku z dowodami. Przypuszczam, że w każdym z nas siedzi trochęuniformitarianizmu, ale w tym przypadku dobrze byłoby zawierzyć zdrowemu rozsądkowi. [...] Na razie wydaje się rozsądne, by zaufać przede wszystkim materialnym dowodom i pozostać przy opowieści o dwóch stanach oceanu, czy też dwóch stanach Ziemi...
