The Earth’s climate has undergone some big changes, from global volcanism to planet-cooling ice ages and dramatic shifts in solar radiation. And yet life, for the last 3.7 billion years, has kept on beating.

Klimat Ziemi przeszedł kilka dużych zmian, od globalnego wulkanizmu po epoki lodowcowe ochładzające planety i dramatyczne zmiany w promieniowaniu słonecznym. A jednak życie przez ostatnie 3,7 miliarda lat wciąż się rozwija.

Now, a study by MIT researchers in Science Advances confirms that the planet harbors a “stabilizing feedback” mechanism that acts over hundreds of thousands of years to pull the climate back from the brink, keeping global temperatures within a steady, habitable range.

Teraz badanie przeprowadzone przez naukowców z MIT w Science Advances potwierdza, że ​​planeta kryje w sobie mechanizm „stabilizującego sprzężenia zwrotnego”, który działa przez setki tysięcy lat, odciągając klimat od krawędzi, utrzymując globalne temperatury w stałym, nadającym się do zamieszkania zakresie.

Just how does it accomplish this? A likely mechanism is “silicate weathering” — a geological process by which the slow and steady weathering of silicate rocks involves chemical reactions that ultimately draw carbon dioxide out of the atmosphere and into ocean sediments, trapping the gas in rocks.

Tylko jak to się dzieje? Prawdopodobnym mechanizmem jest „wietrzenie krzemianów” — proces geologiczny, w którym powolne i stałe wietrzenie skał krzemianowych obejmuje reakcje chemiczne, które ostatecznie usuwają dwutlenek węgla z atmosfery do osadów oceanicznych, zatrzymując gaz w skałach.

Scientists have long suspected that silicate weathering plays a major role in regulating the Earth’s carbon cycle. The mechanism of silicate weathering could provide a geologically constant force in keeping carbon dioxide — and global temperatures — in check. But there’s never been direct evidence for the continual operation of such a feedback, until now.

Naukowcy od dawna podejrzewali, że wietrzenie krzemianów odgrywa ważną rolę w regulowaniu obiegu węgla na Ziemi. Mechanizm wietrzenia krzemianów może zapewnić geologicznie stałą siłę w utrzymywaniu dwutlenku węgla – i globalnych temperatur – w ryzach. Ale nigdy nie było bezpośrednich dowodów na ciągłe działanie takiego sprzężenia zwrotnego, aż do teraz.

The new findings are based on a study of paleoclimate data that record changes in average global temperatures over the last 66 million years. The MIT team applied a mathematical analysis to see whether the data revealed any patterns characteristic of stabilizing phenomena that reined in global temperatures on a  geologic timescale.

Nowe odkrycia opierają się na badaniu danych paleoklimatycznych, które rejestrują zmiany średnich globalnych temperatur w ciągu ostatnich 66 milionów lat. Zespół MIT zastosował analizę matematyczną, aby sprawdzić, czy dane ujawniły jakiekolwiek wzorce charakterystyczne dla zjawisk stabilizujących, które ograniczały globalne temperatury w geologicznej skali czasu.

They found that indeed there appears to be a consistent pattern in which the Earth’s temperature swings are dampened over timescales of hundreds of thousands of years. The duration of this effect is similar to the timescales over which silicate weathering is predicted to act.

Odkryli, że rzeczywiście wydaje się, że istnieje spójny wzorzec, w którym wahania temperatury na Ziemi są tłumione w skali czasowej setek tysięcy lat. Czas trwania tego efektu jest podobny do skali czasowej, w której przewiduje się działanie wietrzenia krzemianów.

The results are the first to use actual data to confirm the existence of a stabilizing feedback, the mechanism of which is likely silicate weathering. This stabilizing feedback would explain how the Earth has remained habitable through dramatic climate events in the geologic past.

Wyniki są pierwszymi, w których wykorzystano rzeczywiste dane do potwierdzenia istnienia stabilizującego sprzężenia zwrotnego, którego mechanizmem jest prawdopodobnie wietrzenie krzemianów. To stabilizujące sprzężenie zwrotne wyjaśniałoby, w jaki sposób Ziemia nadal nadawała się do zamieszkania podczas dramatycznych wydarzeń klimatycznych w przeszłości geologicznej.

“On the one hand, it’s good because we know that today’s global warming will eventually be canceled out through this stabilizing feedback,” says Constantin Arnscheidt, a graduate student in MIT’s Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences (EAPS). “But on the other hand, it will take hundreds of thousands of years to happen, so not fast enough to solve our present-day issues.”

The study is co-authored by Arnscheidt and Daniel Rothman, professor of geophysics at MIT.

„Z jednej strony jest to dobre, ponieważ wiemy, że dzisiejsze globalne ocieplenie zostanie ostatecznie zlikwidowane dzięki temu stabilizującemu sprzężeniu zwrotnemu” — mówi Constantin Arnscheidt, doktorant na Wydziale Nauk o Ziemi, Atmosferze i Planetarności MIT (EAPS). „Ale z drugiej strony zajmie to setki tysięcy lat, więc nie wystarczająco szybko, aby rozwiązać nasze obecne problemy”.

Współautorami badania są Arnscheidt i Daniel Rothman, profesor geofizyki na MIT.

Stability in data

Dane o Stabilności

Scientists have previously seen hints of a climate-stabilizing effect in the Earth’s carbon cycle: Chemical analyses of ancient rocks have shown that the flux of carbon in and out of Earth’s surface environment has remained relatively balanced, even through dramatic swings in global temperature. Furthermore, models of silicate weathering predict that the process should have some stabilizing effect on the global climate. And finally, the fact of the Earth’s enduring habitability points to some inherent, geologic check on extreme temperature swings.

Naukowcy zaobserwowali już wcześniej oznaki stabilizującego klimat wpływu obiegu węgla na Ziemi: analizy chemiczne starożytnych skał wykazały, że przepływ węgla do i z powierzchni Ziemi pozostawał stosunkowo zrównoważony, nawet pomimo dramatycznych wahań globalnej temperatury. Ponadto modele wietrzenia krzemianów przewidują, że proces ten powinien mieć pewien stabilizujący wpływ na globalny klimat. I wreszcie, fakt trwałej zdatności Ziemi do zamieszkania wskazuje na pewną nieodłączną, geologiczną kontrolę ekstremalnych wahań temperatury.

“You have a planet whose climate was subjected to so many dramatic external changes. Why did life survive all this time? One argument is that we need some sort of stabilizing mechanism to keep temperatures suitable for life,” Arnscheidt says. “But it’s never been demonstrated from data that such a mechanism has consistently controlled Earth’s climate.”

„Mamy oto planetę, której klimat podlegał wielu dramatycznym zmianom zewnętrznym. Dlaczego życie przetrwało tyle czasu? Jednym z argumentów jest to, że potrzebujemy jakiegoś mechanizmu stabilizującego, aby utrzymać temperaturę odpowiednią do życia” – mówi Arnscheidt. „Ale nigdy dotąd nie wykazano na podstawie danych, że taki mechanizm konsekwentnie kontrolował klimat Ziemi”.

Arnscheidt and Rothman sought to confirm whether a stabilizing feedback has indeed been at work, by looking at data of global temperature fluctuations through geologic history. They worked with a range of global temperature records compiled by other scientists, from the chemical composition of ancient marine fossils and shells, as well as preserved Antarctic ice cores.

Arnscheidt i Rothman starali się potwierdzić, czy rzeczywiście zadziałało stabilizujące sprzężenie zwrotne, analizując dane dotyczące globalnych wahań temperatury w historii geologicznej. Pracowali z szeregiem globalnych zapisów temperatury zebranych przez innych naukowców, od składu chemicznego starożytnych skamielin morskich i muszli, aż po zachowane rdzenie lodowe Antarktydy.

“This whole study is only possible because there have been great advances in improving the resolution of these deep-sea temperature records,” Arnscheidt notes. “Now we have data going back 66 million years, with data points at most thousands of years apart.”

„Całe to badanie jest możliwe tylko dlatego, że poczyniono ogromne postępy w poprawie rozdzielczości tych zapisów temperatury w głębinach morskich” – zauważa Arnscheidt. „Teraz mamy dane sięgające 66 milionów lat wstecz, z punktami danych oddalonymi co najwyżej o tysiące lat”.

Speeding to a stop

Od Przyspieszenia do Zatrzymania

To the data, the team applied the mathematical theory of stochastic differential equations, which is commonly used to reveal patterns in widely fluctuating datasets.

Do danych zespół zastosował matematyczną teorię stochastycznych równań różniczkowych, która jest powszechnie stosowana do ujawniania wzorców w mocno zmieniających się zbiorach danych.

“We realized this theory makes predictions for what you would expect Earth’s temperature history to look like if there had been feedbacks acting on certain timescales,” Arnscheidt explains.

„Zdaliśmy sobie sprawę, że ta teoria pozwala przewidywać, jak mogłaby wyglądać historia temperatur na Ziemi, gdyby istniały sprzężenia zwrotne działające w określonych ramach czasowych” – wyjaśnia Arnscheidt.

Using this approach, the team analyzed the history of average global temperatures over the last 66 million years, considering the entire period over different timescales, such as tens of thousands of years versus hundreds of thousands, to see whether any patterns of stabilizing feedback emerged within each timescale.

Korzystając z tego podejścia, zespół przeanalizował historię średnich globalnych temperatur w ciągu ostatnich 66 milionów lat, biorąc pod uwagę cały okres w różnych skalach czasowych, takich jak dziesiątki tysięcy lat w porównaniu z setkami tysięcy, aby sprawdzić, czy pojawiły się jakieś wzorce stabilizującego sprzężenia zwrotnego każdą skalę czasową.

“To some extent, it’s like your car is speeding down the street, and when you put on the brakes, you slide for a long time before you stop,” Rothman says. “There’s a timescale over which frictional resistance, or a stabilizing feedback, kicks in, when the system returns to a steady state.”

„Do pewnego stopnia to tak, jakby twój samochód pędził ulicą, a kiedy wciskasz hamulce, ślizgasz się przez długi czas, zanim się zatrzymasz” – mówi Rothman. „Istnieje skala czasowa, w której opór tarcia lub stabilizujące sprzężenie zwrotne uruchamia się, gdy system powraca do stanu ustalonego”.

Without stabilizing feedbacks, fluctuations of global temperature should grow with timescale. But the team’s analysis revealed a regime in which fluctuations did not grow, implying that a stabilizing mechanism reigned in the climate before fluctuations grew too extreme. The timescale for this stabilizing effect — hundreds of thousands of years — coincides with what scientists predict for silicate weathering.

Bez stabilizujących sprzężeń zwrotnych wahania globalnej temperatury powinny rosnąć wraz z upływem czasu. Jednak analiza zespołu ujawniła reżim, w którym fluktuacje nie rosły, co sugeruje, że w klimacie panował mechanizm stabilizujący, zanim fluktuacje stały się zbyt ekstremalne. Skala czasowa tego stabilizującego efektu — setki tysięcy lat — pokrywa się z przewidywaniami naukowców dotyczącymi wietrzenia krzemianów.

Interestingly, Arnscheidt and Rothman found that on longer timescales, the data did not reveal any stabilizing feedbacks. That is, there doesn’t appear to be any recurring pull-back of global temperatures on timescales longer than a million years. Over these longer timescales, then, what has kept global temperatures in check?

Co ciekawe, Arnscheidt i Rothman odkryli, że w dłuższych skalach czasowych dane nie ujawniły żadnych stabilizujących sprzężeń zwrotnych. Oznacza to, że nie wydaje się, aby występowało powtarzające się cofanie globalnych temperatur w skali czasowej dłuższej niż milion lat. Co zatem utrzymywało globalne temperatury w ryzach w tych dłuższych ramach czasowych?

“There’s an idea that chance may have played a major role in determining why, after more than 3 billion years, life still exists,” Rothman offers.

„Istnieje pogląd, że przypadek mógł odegrać główną rolę w określeniu, dlaczego po ponad 3 miliardach lat życie nadal istnieje” — mówi Rothman.

In other words, as the Earth’s temperatures fluctuate over longer stretches, these fluctuations may just happen to be small enough in the geologic sense, to be within a range that a stabilizing feedback, such as silicate weathering, could periodically keep the climate in check, and more to the point, within a habitable zone.

Innymi słowy, ponieważ temperatura Ziemi zmienia się na dłuższych odcinkach, fluktuacje te mogą być po prostu wystarczająco małe w sensie geologicznym, aby mieścić się w zakresie, w którym stabilizujące sprzężenie zwrotne, takie jak wietrzenie krzemianów, mogłoby okresowo kontrolować klimat, na bardziej zdatny w strefach nadających się do zamieszkania.

“There are two camps: Some say random chance is a good enough explanation, and others say there must be a stabilizing feedback,” Arnscheidt says. “We’re able to show, directly from data, that the answer is probably somewhere in between. In other words, there was some stabilization, but pure luck likely also played a role in keeping Earth continuously habitable.”

„Istnieją dwa obozy: niektórzy twierdzą, że przypadkowa szansa jest wystarczająco dobrym wyjaśnieniem, a inni twierdzą, że musi istnieć stabilizujące sprzężenie zwrotne” – mówi Arnscheidt. „Jesteśmy w stanie pokazać, bezpośrednio na podstawie danych, że odpowiedź prawdopodobnie leży gdzieś pośrodku. Innymi słowy, nastąpiła pewna stabilizacja, ale czysty przypadek prawdopodobnie również odegrał rolę w utrzymaniu Ziemi w stanie ciągłym nadającym się do zamieszkania”.

This research was supported, in part, by a MathWorks fellowship and the National Science Foundation.

Badania te były częściowo wspierane przez stypendium MathWorks i National Science Foundation.