Sykliset jääkaudet

Seuraa 
Viestejä45973
Liittynyt3.9.2015

Tiivistelmä:

Viimeiset jääkaudet ovat ilmenneet suhteellisen tasaisesti 100 000 vuoden sykleissä. Tavoitteena on selvittää niiden syntymekanismia.

Jääkausien huimin ilmentymä ovat olleet kilometrien paksuiset jääpinnoitteet erityisesti maapallon napa-alueilla. Niistä on vieläkin havaittavissa isostaasiksi kutsuttu ilmiö. Sen ilmenemismuoto on mm. maanpinnan kohoaminen (jopa 800-1000 metriä). Siitä seuraava tiiviin magman tilavuuden kasvu laskee pohjoisen ja eteläisen kalotin keskipintalämpötilat juuri ja juuri nollan asteen alapuolelle (2 .. -8 C astetta). Tästä seuraa jäähtyminen ja jääkausi. Sen äärihetkinä valtava jäämassa (paksuus jopa 3 km) painaa maan pinnan molempien napojen alueelta puristuksiin. Aiheutuu suhteellisesti mikroskooppinen mutta käytännössä silti huomattava pintalämpötilan kasvu (-8 .. 2 C astetta), millä on voimakas vaikutus: pintalämpötilan keskiarvo nousee juuri ja juuri yli nollan jonka vuoksi jääpeite sulaa luoden lopulta trooppisen ja kostean ilmaston. Tämä luo puolestaan hienoviritteiset olosuhteet uudelle jäämassojen vaiheittaiselle kerääntymiselle arktisille alueille. Kyseinen mullistus, toistuttuaan seitsemän kertaa, luo lopulta varsin sopeutumiskykyisen eliöstön.

Vaiheittain selitettynä:

Tuulet ja ilmankosteus:
Erään termodynamiikan perusperiaatteen mukaan energia on kyky tehdä työtä. Kaikenkaikkiaan energia ilmenee muunmuassa aineena, lämpötilana, paineena ja entropiana. Toiset ilmenemismuodot ovat pitkillä aikajänteillä mitaten tilapäisesti stabiileja (energia ei välittömästi siirry ilmenemismuodosta toiseen) ja ja toiset instabiileja (energian siirtyminen verrattaen välitöntä).

Suljetussa systeemissä energia säilyy. Kaikki operaatiot säilyttävät siis työn (ja/tai massan) määrän. Tässä mielessä maapallo on suljettu systeemi, sillä käytännössä useimmat tapahtumat maan pinnalla eivät vapauta varteenotettavia määriä energiaa avaruuteen.

Liike-energia on kappaleen massan liiketilaan varautunutta energiaa. Kun liike pysähtyy, siirtyy kyseinen energia muualle (esim. jarrutuskitkan tai massan aiheuttaman staattisen leporasituksen muodossa) ja vastaavasti: kun energiaa siirtyy muualle, liike hidastuu. Suljetussa systeemissä energiamäärät säilyvät vakiona.

E=M*c*c. Massa sitoo energiaa.

Tuuli on ilmahiukkasten liikettä ja vaikuttaa ympäristöönsä monin eri tavoin. Jokaisessa tapauksessa kyse on ilman massan liike-energian siirtymisestä muualle systeemiin. Tuulessa huojuva metsä ei suinkaan aiheuta tuulta, vaan päinvastoin vähentää sitä: puiden runkojen taivuttelu vähentää toimessa olevan ilmamassan liike-energiaa. Yleisesti voidaan sanoa, että tuuli purkautuu välillisesti entropian muodossa (ja välittömästi jousi-, kitka-, liike-, jne. energiailmiöinä): jokainen tuulessa lentävä objekti vaatii ja kuluttaa osan tuulen hiukkasten suomasta liike-energiasta.

Ilmakehän massasta osa on vesihöyryä. Sen suhteellinen paino pienenee, kun siitä vähennetään vesihöyryä. Niinpä myös sen suhteellinen energia (tehtävän työn potentiaali) vähenee. Vesihöyryn vähentäminen ei kadota sitä avaruuteen. Sen sijaan kuvatunlainen vesihöyryn väheneminen tapahtuu jääkausien aikana: ilman vesihöyry lopulta härmistyy (muuttuu kaasusta kiinteäksi aineeksi) pääasiassa maapallon napa-alueilla. Tiivistyessään kaasu lisäksi viilentää hieman ympäristöään. Samalla siis osa ilmamassojen ja muun ympäristön energiapotentiaalista sitoutuu kiinteään aineeseen. Käytännössä osa tuulen sisältämästä liike-energiasta muuttuu jään massaksi. Aiemmin liike-energiana purkautunut työmäärä muuttuukin aineeksi. Sen energian pääasiallinen ilmenemismuoto on massa, joka tutuimmin ilmenee painona. Napa-alueille keskittyneen kolmekilometrisen jäävaipan muodostuessa valtava määrä ilmakehässä vesihöyrynä ollutta liike-energiaa tiivistyy massaksi, viilentäen ympäristöä tiivistyessään.

Glasiaali-isostaasi:
Aikaisemmin mainittu härmistynyt jäämassa alkaa painaa maankuorta alas. Isossa mittakaavassa tarkastellen maankuori on elastista. Se puristuu kokoon jääkerroksen painosta eikä niinkään valu toiselle maapallon laidalle - riippuen tietenkin kerroksesta. Maa on kaikenkaikkiaan aineena jähmeää, joten jääkenttien pusertamien massojen ja paine-erojen tasaantuminen on hidasta. Jään paine kohdistuu ainoastaan sen peittämiin maan pintakerroksiin ja siitä suoraan kohti ydintä - kyseinen alue on yllättävän pieni. Erityiseksi tilanteen tekee vielä se, että paine kohdistuu palloon tasaisesti sen vastakkaisilta puolilta.

Puristus on mittakaavasta riippuen joko mitätön tai huomattava, mutta sen aiheuttaman (minimaallisen) paineenmuutoksen aikaansaama maa-aineksen lämmön kohoaminen on pelkkänä murto-osanakin kerrassaan valtava. Jo parin prosentin lämpötilan nousu ynnääntynee kaikenkaikkiaan muutamaan lämpöasteeseen - ehkäpä jopa kauas ilmakehään asti. Suljettuna systeeminä maapalloa tarkastellen ilmakehä muodostaa vain pienen osan kokonaislämpökapasiteetista. Meret ovat kohtalaisen suuri tekijä - mutta pikemminkin muuttuja - ja koko systeemin määrittää selkeiten maapallon ytimen keskilämpö. Toki eristävä ilmakehä ja aurinko säteilyineen vaikuttavat, mutta sula ja tiivis kiviaines on kaikenkaikkiaan stabiili elementti ainakin miljoonan vuoden aikajanalla (muistin virkistämiseksi: jääkausi 100 000 vuoden välein).

Jos maapallon kuoren ja sitä välittömästi seuraavan kerroksen luonne olisi fluidisempi, tasaantuisi paine nopeasti ympäröivään materiaan aina päiväntasaajaa ja ydintä myöten. Näin ei kuitenkaan tapahdu, vaan painuminen ja sen vaikutukset tapahtuvat tarkalleen jäämassojen valtaamalla alueella. Jääkauden aiheuttamat painaumat ovat luonteeltaan ehdottoman paikallisia, ja siksi muutkin vaikutukset jäävät välttämättä alueellisiksi. Jos paineen vaihtelut tasaantuisivat hiljalleen ympäröivään maamassaan, ei maankuori kohoaisi paikallisesti (esim. Skandinavia, Kanada) vaan tasaisesti koko mantereen tai koko maapallon alueella. Mittaukset osoittavat, että kohoaminen on paikallista. Tästä voidaan todeta, että paineen aiheuttamat lämpötilavaikutukset kohdistuvat pääosin niille alueille, joilla jäätä on ollut.

Lämpeneminen:
Maapallon pinnan lämpeneminen on erittäin hienoviritteisen järjestelmän ansiota. Ilmakehän ja siten maapallon pinnan lämpeneminen nopeuttaa veden kiertokulkua - ja toisinpäin. Kun esimerkiksi jäätiköt sulavat pois, ne samalla vapauttavat lämpöenergiaa ympäristöön. Tästä voi tulla kokonaisuutena huomattava tekijä, kun huomioidaan jääkausien "ikijään" paksuus (Skandinaviassa 3000 m) ja sen laajuus. Sen tilavuus on ollut valtava ja se on sitonut luultavasti valtaosan maapallon vesivarannoista - joka jäätyessään on sitonut melkoisen määrän lämpöenergiaa. Kuten mainittu, tiivistyessään kaasu sitoo lämpöenergiaa härmistyessään ja vastaavasti vapauttaa sen sublimoituessaan.

Ilmakehän vastaanottaman lämpöenergian lisäksi sen vaikutusmomentti kasvaa massan myötä. Sen sisältämä materian määrä lisääntyy huomattavasti kun vesimolekyylit täyttävät ilman. Ilmankosteus nousee: ilmakehän massa kasvaa mutta tilavuus ei erityisemmin. Ilmankosteuden noustessa myös ilmanpaine nousee. Kotipuntarin asteikosta poiketen kyseessä on valtava heilahdus ilmakehän dynamiikassa - keskimääräisen suhteellisen ilmankosteuden noustessa nollasta sataan muuttuvat luonnonilmiöt huomattavalla tavalla. Yksilön tasolla säätila ja muut puitteet muuttuvat kuivasta jääerämaasta kohti trooppisia olosuhteita. Soveltaen - kuin olisi painekattila, joka täyttyy vedestä ja lämpenee sadantuhannen vuoden ajanjaksolla. Evoluutio on pistänyt geneettiset mekanismit äärimmäisestä koetuksesta toiselle - toistuvasti.

Jäähtyminen:
Lämpenemisjakson loppuvaiheissa maapallon ilmasto on muuttunut trooppisemmaksi. Samalla napa-alueiden maanpinta on kohonnut. Paikoitellen kohouma on ollut 800-1000 metriä. Se tarkoittaa valtavaa muutosta tilavuudessa - varsinkin kun se tapahtuu aineessa joka on äärimmäisen raskasta ja sitkeää. Tilavuuden kasvaessa tiheys pienenee - vastaavasti paineen laskiessa lämpötila pienenee. Tämä vaikuttaa maan pinnan lämpötilaan, sillä systeemin lämpötilan määrittävä tekijä on ensisijaisesti maapallon sisusta (erityisesti kun puhutaan yli kymmenen tuhannen vuoden keskiarvoista).

Maan kuoren painuminen on ollut erittäin paikallista. Maapallon kerrosmainen luonne saattaa mahdollistaa sen, että puristuksen vaikutukset jäävät alueellisiksi myös pinnan alla. Puristuksissa olleiden alueiden keskilämpö voi laskea juuri sen verran, että maan pintakerrosten lämpötila laskee juuri nollan alapuolelle - luoden edellytykset uudelle jääkaudelle. Maankuoren pintakerrokset jäähtyvät muutamia asteita ja saavuttavat keskiarvoltaan pakkasen - mutta vain napa-alueilla. Tästä seuraa, että ilmakehän kyllästänyt vesihöyry alkaa pikkuhiljaa härmistyä napa-alueille - ensin tulee toinen toistaan kylmempiä talvia, jotka muodostavat ensin "ikiroutaa" ja myöhemmin jopa kolmen tuhannen metrin paksuisia jäälauttoja.

Ajanjaksot:
Maapallon lämpötilastoista on havaittavissa on noin seitsemän toistuvaa kylmää jaksoa, jota seuraa aina samankaltainen lämmin jakso. Nämä heijastuvat myös muihin maapallon historiaa kuvaaviin taulukoihin. Miksi sitten tälläinen järjestelmä on tullut vasta nyt maapallolle ominaiseksi? Populistisesti: miksi maapallo on alkanut hengittää? Todennäköinen syy on, että pyörimisakseli on tasaantunut lähes kohtisuoraksi maapallon radan muodostaman tason suhteen ja samalla mannerlaatat ovat löytäneet jonkinlaisen vakaankaltaisen aseman. Kuoren rakenne ja systeemissä olevan veden määrä ovat juuri sopivat että moinen ilmiö voi toteutua. Koko systeemin keskilämpötila on juuri veden kolmipisteen tuntumassa. Lisäksi etäisyys auringosta on sopiva, niin että vettä höyrystyy vaihtelevasti sään mukaan. Kaikenkaikkiaan maapallo on muutenkin ns. uniikki planeetta. Oikeampi termi lienee kuitenkin, vedenkiertomekanismeineen kaikkineen, korkeintaan erittäin harvinaislaatuinen.

Sykleittäin vaihtuvien olosuhteiden merkitystä elämän kehitykselle voi vain arvuutella. Ainakin on varmaa, että selviytyvät elämänmuodot ovat luonteeltaan erittäin sopeutumiskykysiä ja voivat siten ilmentää mitä ihmeellisimpiä ominaisuuksia.

------------------------------------------------

Toivottavasti ei ollut tylsistyttävää. Voi toki olla, että päätelmät ovat liian äkkipikaisia. En ole tehnyt laskelmia luotettavan datan ja ajan puutteen vuoksi. Lisäykset ja korjaukset sekä kaikki asiallinen kritiikki on tervetullutta.

Kommentit (1)

Vierailija

hieman oli hoppu kirjoitellessa. Tiivistyessä siis sitoutuu energiaa eikä toisinpäin, kuten puolentusinaa kertaa virheellisesti on mainittu. Noh, ei se tuota konseptia muuta, kunhan oli lisämomenttina.

Uusimmat

Suosituimmat