تکتونیک صفحه ای سه مرتبه آب و هوا را تغییر داده است

      Joe MacGregor / NASAدر خلال دوره های گلوله برفی کل سیاره از یخ پوشیده شده بود.  

 

تکتونیک صفحه ای سه مرتبه آب و هوا را تغییر داده است

پنجاه سال پس از تولد نظریه تکتونیک صفحه ای مدرن، گروهی از محققان سه نمونه کلیدی از چگونگی تغییر اقلیم توسط لایه بیرونی تغییردهنده شکل را مشخص نمودند.

تکتونیک صفحه ای اخیرا 50 ساله شده است. نظریه چگونگی تغییر لیتوسفر سیاره ما، لایه بیرونی آن، شکلگیری و تکامل آن، احتمالا یکی از مهمترین پیشرفتهای علمی در تمامی زمانهاست.

پیش از تکتونیک صفحه ای، دانشمندان قادر به توضیح بسیاری از پدیده ها مانند زمین لرزه ها که در برخی نواحی بسیار فراوان و در برخی دیگر بسیار نادر هستند، چرا آتشفشانها گاهی به صورت زنجیره هستند و چرا فسیلهای یک گونه در قاره ها هزاران کیلومتر جابجا شده اند، نبودند.

با گذر زمان، دانشمندان دریافتند که تکتونیک صفحه ای نیروی پیش ران پشت بسیاری از تغییرات اقلیمی است که سیاره ما در طول زمان زمین شناسی متحمل آن شده است.

در یک نرخ میلیمتر در سال، قاره ها جابجا شده، به قطعات کوچکتر می شکنند و به یکدیگر برخورد می نمایند. این حرکت راه های دریایی را بسته و باز می نماید و رشته کوه ها را می سازد، جریانهای باد و اقیانوسی را در کل جهان تغییر می دهد.

در یک مقاله در حال چاپ در نشریه Tectonics، گروهی از محققان تحت رهبری جغرافیدان و متخصص مدلسازی آب و هوا، Gilles Ramstein، از آزمایشگاه علوم محیط زیستی و اقلیمی در فرانسه، اهمیت این فرایندها را از طریق سه نمونه مشخص نشان دادند:  یخ زدن کل سیاره یا زمین گلوله برفی، Snowball Earth، بسته شدن پاراتتیس و توسعه بادهای موسمی جنوب شرقی آسیا، و بالاآمدگی صفحات پیرامون ریفت شرق آفریقا.

زمین گلوله برفی Snowball Earth

بیش از میلیونها سال، مقدار دی اکسید کربن در جو توسط هوازدگی جهانی سنگهای نظیم شده است. به عنوان مثال، هنگام ترکیب سیلیکاتهای کلسیم دار با آب، دی اکسید کربن از جو با کلسیم موجود در سنگها واکنش می دهد تا کربنات کلسیم را تشکیل دهد. نتیجه جذب و ایزوله کردن کربن، حذف دی اکسید کربن از اتمسفر می باشد.

سیلیکاتهای رخنمون یافته در نواحی گرمسیری دارای رطوبت، دما و بارش بالا، بیشتر مستعد هوازدگی می باشند. اگر تمرکزهای زیادی از سنگهای سیلیکاته در نواحی گرم و مرطوب وجود داشته باشد، دی اکسید کربن بیشتری از جو حذف شده، اثرات گلخانه ای کاهش می یابد و آب و هوا خنک تر می شود. در غیاب سنگهای سیلیکاته در نواحی گرمسیری یا نیمه گرمسیری، دی اکسید کربن در جو تجمع یافته و آب و هوا گرمتر می گردد.

این چرخه زمین شناسی به طور چشمگیری توسط جابجایی قاره ها و اقلیمهای زمین گلوله برفی نشان داده شده است.

حدود 750 میلیون سال قبل، در خلال دوران موسوم به نئوپروتوزوئیک، پیکربندی بسیار عجیب و غریب تکتونیک صفحه ای رخ داده است، که موجب یکی از پر برخوردترین اپیزودهای زمین شناختی سیاره ما و تاریخ جوی شده است: کل زمین از یخ پوشیده شد.

فرایند زمانی آغاز شد که ابرقاره رودینیا، Rodinia، که بیش از 1/1 میلیارد سال پیش تشکیل شده است، شروع به شکستن به صفحات قاره ای کوچکتر نمود. رودینیا نزدیک استوا واقع شده بود و قاره های حاصله در نوار گرمسیری باقی ماندند.

"حالت گلوله برفی در سیاره ما ناپایدار است، بیشتر از چند میلیون سال دوام ندارد، و نتیجه تکتونیک، اقلیم و دی اکسید کربن می باشد."

به عنوان یک ابر قاره، رودینیا احتمالا بسیار خشک بوده است. رطوبت زیادی نمی توانست به بخش داخلی آن برسید. هنگام شکسته شدن، قاره های کوچکتر آب و هوای گرم و مرطوب، مشابه زمان کنونی آفریقای مرکزی داشت.

 پیکربندی جدید قاره ای موجب رخنمون یافتن حجم بسیار زیادی از سنگهای سیلیکاته در معرض هوازدگی، و متعاقبا حذف مقادیر انبوهی از دی اکسید کربن از جو شده است. دی اکسید کربن حل شده توسط آب باران و معلق در روخانه ها و ابرها سرانجام به اقیانوسها، جاییکه در بسترذخیره می ­گردند، می رسند.

وقتی سطوح دی اکسید کربن اتمسفر به 200 پی پی ام رسید، نیمی از سطوح فعلی زمان حاضر، صفحات یخ در دو قطب شروع به رشد نمودند. با رشد صفحات یخ، آنها بیشتر و بیشتر نور خورشید را به فضا منعکس نموده، و آب و هوا سردتر شد. سرانجام، سیاره از یخ پوشیده گردید.

این حالت گلوله برفی سرانجام فروکش کرد. وقتی یخ کل سیاره را پوشاند، چرخه آبی متوقف و مانع هوازدگی بیشتر سنگهای سیلیکاته گردید. با اینحال تکتونیک و فعالیت آتشفشانی فعال ماندند، و دی اکسید کربن را به اتمسفر پمپاژ نمودند، سرانجام مجددا آب و هوا گرمتر شد.

دو دوره یخچالی شدن گلوله برفی در یک پنجره 100 میلیون سالی رخ داده است.

مطابق نظر یک محقق شاغل در مرکز ملی تحقیقات علمی فرانسه که به طور گسترده ای روی مدلسازی پدیده زمین گلوله برفی کار کرده است،  Yves Goddéris" تا زمانیکه قاره ها در همان مکان واقع هستند، آب و هوا در حال برگشت به یک حالت گلوله برفی می باشد."

"دوره یخچالی سوم در 518 میلیون سال قبل بوده، آما آن یک حالت گلوله برفی نبود. این بدان علت بود که قاره ها در حال حرکت به سمت قطبین بودند تا گندوانا را شکل دهند، و این پیکربندی درستی برای دوره سوم یخچالی گلوله برفی نبوده است."

محققان تصور می کنند که دوره گلوله برفی ممکن است انفجار کامبرین که 50 میلیون سال پس از دومین اپیزود گلوله برفی زمین شروع شد را موجب گردیده است. پیش از دوره های یخچالی، تنها زندگی میکروبی وجود داشت، اما 50 میلیون سال بعد اقیانوسها با تنوع بی سابقه ای از گونه های جانوری پر شدند. ممکن است یخچالی شدن موجب انقراض جمعی شده باشد که عمده موجودات زنده را محو نموده است یا یک شارش ناگهانی از مواد غذایی به اقیانوسها را که مطلوب تکامل اشکال جدید حیات بودند را ممکن ساخت.

مطابق نظر Goddéris، مطالعه حیات میکروبی در رسوبات بسیار دشوار است، به طوریکه کسی چیز دقیقی از آن نمی داند.

شروع آب و هوای موسمی جنوب شرق آسیا

در خلال دهه های 1980 و 1990، یک موضوع داغ در ژئوفیزیک مطالعه بالاآمدگی فلات تبت و چگونگی نشان دادن تکامل آب و هوای موسمی جنوب شرق آسیا توسط آن بوده است.

فلات تبت بزرگترین و مرتفع ترین فلات دنیاست، حدود نصف ایالات متحده وسعت دارد، و متوسط ارتفاع آن حدود 4500 متر بالاتر از سطح دریا می باشد. شکلگیری آن از 55 میلیون سال قبل با تصادم صفحات هند و اوراسیا شروع گردیده است.

هنگامیکه خورشید صفحه تبت را در تابستان گرم می نماید، جریانهای همرفتی بالارونده عظیمی تولید می نمایند که هوا را از نواحی پیرامون مکش می کنند. این فرایند هوای آغشته از رطوبت اقیانوس هند را آورده و موجب موسمی شدن نواحی جنوب شرقی آسیا می گردد.

برای مدت زمان طولانی، محققان تلاش نمودند تا چگونگی شروع موسمی شدن جنوب شرقی آسیا توسط فلات تبت را مدل نمایند.

آب و هوای موسمی جنوب شرقی آسیا کل نیروی خود را پس از ناپدید شدن دریای بزرگ اپی کانتیننتال موسوم به پاراتتیس، توسعه داده است.

در انتهای قرن بیستم، Ramstein به همراه یک دانشجوی ارشد به نام Frédéric Fluteau، از شبیه سازیهای کامپیوتری برای نشان دادن چگونگی توسعه کل نیروی آب و هوای موسمی جنوب شرقی آسیا پس از ناپدید شدن دریای اپی کانتیننتال بزرگ موسوم به پاراتتیس، استفاده نمود. پاراتتیس یک ناحیه بزرگ از اروپا تا غرب سیبری را پوشانده بود و حدود 7 میلیون سال قبل با حرکت صفحات آفریقا و عربی به سمت شمال غرب ناپدید شد. دریای کاسپین، دریای سیاه، و دریای بایکال بقایای این پیکره آبی گم شده مدید، هستند.

پاراتتیس آب و هوای ناحیه ای را تضعیف نموده، مانع فصول شدید شد، و با ناپدید شدن پاراتتیس، آن توده عظیم قاره ای با آب و هوای شدید را باقی گذاشت.

دانشمندان همچنان در تلاش برای تعیین ارتباط تکتونیک-آب و هوای موسمی و تمایز قائل شدن نقشهای توزیع دریا-خشکی و سرد شدن جهانی هستند. مطابق نظر  Zhengtang Guo، استاد موسسه زمین شناسی و ژئوفیزیک آکادمی علوم چین، "اما مشخص است که بسته شدن پاراتتیس نقش عمده ای ایفا نمود."

جنباندن گهواره بشریت

گاهی اوقات تکتونیک با نوسانات مدار زمین برای اثر گذاشتن بر تغییرات اقلیمی در مقیاسهای زمانی کوچکتر قابل ترکیب می باشد. دوره های یخچالی در خلال دوره کواترنری، از 6/2 میلیون سال پیش تا کنون گسترش داشته، نمونه ای از این ساز و کار است.

با تکامل اجداد ما در آفریقا، دو رخداد تکتونیکی به شدت آب و هوای قاره را تغییر دادند: بالاآمدگی فلاتهای پیرامون ریفت شرق آفریقا و بسته شدن پاراتتیس.

مشابه اثرات متقابل تکتونیک و مدار موجود در تغییرات سریع آب و هوایی رخ داده در شرق و مرکز آفریقا طی 7 میلیون سال گذشته، احتمالا در تکامل و پراکنش اجداد ما انسانها نیز نقش داشتند.

جمع شدگی پاراتتیس باعث خشک شدن هر چه بیشتر شمال آفریقا شده، که در نتیجه آن بیابان ساهارا از 7 میلیون سال قبل آغاز گردیده است. آن همچنین آب و هوای آفریقا را به شدت به پیشروی چرخه مدار زمین حساس ساخته است.

این چرخه به چرخه میلانکویچ شهرت دارد، اثرات مدت و شدت فصول  می تواند دوره هایی را ایجاد نماید که اقلیم شدید موسمی، بادهای مرطوب را از آتلانتیک گرمسیر به سمت مرکز آفریقا و ساهارا می رانند.

 اندرکنش متقابل دما و بالاآمدگی فلات تبت، آب و هوای موسمی شرق آسیا رو موجب گردیده است. NASA’s Goddard Space Flight Center

 

به گفته  Ramstein"از زمانیکه شرق اروپا وغرب آسیا با دریای پاراتتیس پوشیده نیست، یک زمین خشکی وسیع ایجاد نموده که پیکربندی سامانه موسمی را تغییر داده است". " هنگام پایان انقباض پاراتتیس، حساسیت به دقت سیگنال بسیار عظیم بود."

در نتیجه این چرخه، تقریبا هر 20 هزار سال، آب و هوای موسمی تقویت و منجر به دوره های مرطوب 6000 ساله می گردد. در خلال این دوره ها، بیابان ساهارا با پوشش گیاهی، رودخانه ها و دریاچه ها سبز می گردد. دریاچه چاد در آفریقای مرکزی مگاچاد شده است، و در حال رسیدن به وسعت آلمان می باشد. این چرخه هنوز آب و هوای آفرقا را متاثر می سازد و دانشمندان برآورد می کنند که آخرین رخداد یک ساهارای سبز و مگاچاد تقریبا 5000 سال پیش خاتمه یافته است.

میلیونها سال پیش، اجداد انسانی ما به طور پیوسته در شرق آفریقا که توسط جنگلهای گرمسیری پوشیده شده بود، می زیسته اند. اما برخی از قدیمی ترین فسیلهای انسانهای اولیه نه در آنجا، بلکه هزاران کیلومتر دورتر در غرب، نزدیک دریاچه چاد یافت شده اند.

فسیلها دربرگیرنده جمجمه نژادهای نخستین انسانی، که در حدود 7 میلیون سال پیش در ین ناحیه زندگی می کرده اند توسط کاشفان آن تومای (Toumai) نامگذاری گردیده است. تومای متعلق به گونه ای منقرض شده موسوم به  Sahelanthropus tchadensis می باشد.

چرا تومای نزدیک دریاچه چاد پیدا شده است؟ Ramstein شگفت زده است. چرا که معتقد است چند هزار سال قبل ناحیه دارای پوشش گیاهی بوده و آب در اطراف یافت می شده است. این دلیل یافت شدن برخی نژادهای اولیه نزدیک دریاچه در خلال آن دوره است، زیرا که تنها مکان ممکن برای عزیمت از شرق به غرب بوده است.

مدت کوتاهی بعد، بالاآمدگی فلات شرق آفریقا آغاز گردید، ظهور ریفت شرق آفریقا اعلام شد. این فرایند چشم انداز مسطح جنگلهای گرمسیری شرق ریفت را به زمینهای مرتفع و پوشیده از علف تبدیل نمود. در این زمان نژادهای اولیه مجبور شدند نه تنها پراکنده شوند بلکه برای سازگاری با این محیط باز تکامل یابند.

این فسیل Sahelanthropus tchadensis در کویر غنی از فسیل صحرای Djurab در شمال چاد کشف شد که راه دسترسی به شمال غربی دریاچه مگا چاد بوده است.   Didier Descouens, CC BY-SA 4.0 

درسهای برای زمان کنونی

تکتونیک و آب و هوای قدیمه می توانند بینشی از آینده زمین فراهم سازند و به طور ویژه ای به در نظر گرفتن تغییرات اقلیمی آینده مرتبط هستند. در خلال پلیوسن، حدود 3 میلیون سال قبل، سطوح دی اکسید کربن جو مشابه زمان فعلی بوده است. سپس، دما 2 درجه سانتیگراد گرمتر شد، و سطح دریا 15 برابر گردید.

"تنها چیزی که می تواند به ما کمک نماید درک این نکته است که تاریخ زمین بسیار آهسته به جلو می رود."

کاهش سطوح دی اسکید کربن از 1000 پی پی ام به 300 پی پی ام در آغاز کواترنری، حدود 40 میلیون سال طول کشیده است، و این زمان چیزهای طبیعی می باشد. اکنون ما این فرایند را در طی 200 سال معکوس ساختیم.

مطابق نظر " Ramsteinاگر موفق به حفظ سطوح دی اکسید کربن فعلی شویم،  همچنان پوششهای یخی گرینلند و بخش جنوبگان را از دست می دهیم. طوریکه من تصور می کنم آب و هوای قدیمه می تواند به ما در درک آنچه که میتوانیم انجام دهیم کمک نماید اما نمی تواند به ما راهنمایی هایی برای مقابله با آن عرضه نماید."

 

Javier Barbuzano

 Freelance Science Journalist