Wypalanie traw i dinozaury w płomieniach

Sezon wiosennego wypalania traw w pełni. Strażacy dwoją się i troją, a my w wolnych chwilach możemy zająć się pożarami w czasach dinozaurów, czyli w mezozoiku. Pożary na Ziemi są tak stare jak lądowa materia organiczna i tak powszechne jak stężenie tlenu. Zależność jest prosta - im więcej tlenu, tym częstsze pożary. W dziejach Ziemi mamy dwa takie okresy kiedy tego tlenu w atmosferze było znacznie więcej niż obecnie. Pierwszy to przełom karbonu i permu - koniec palezoiku, a drugi to koniec mezozoiku czyli kreda.

Tym razem przyjrzyjmy się kredzie (145 - 65 mln lat temu). Okazją do rozważań (oprócz wiosennego wypalania traw) są dwa świeżutkie artykuły: Marynowskiego (2012) oraz Brown i innych (2012). Oba dotyczą pożarów mezozoicznych choć Brown et al. (2012) skupiają się głównie na kredzie. Kreda, znana ze swego specyficznego cieplarnianego klimatu, jest też okresem kiedy stężenie tlenu było o wiele wyższe niż obecnie. Nie ma zgody co do konkretnej wartości stężenia tlenu, ale spośród wielu danych, wszystkie wskazują na więcej niż 21% pod koniec kredy. Skrajnie wartości przyjmują nawet ponad 30% (Brown et al., 2012), ale są pewnie przesadzone (patrz komentarze poniżej).

Przy takim stężeniu tlenu temperatura samozapłonu jest bardzo niska. Poza tym palić się może prawie wszystko co rośnie na ziemi. Nawet roślinność bagienna. Istny raj dla wypalaczy traw, których jednak brakowało w kredzie. W kredowym klimacie cieplarnianym nie byli jednak potrzebni. Temperatury były znacznie wyższe niż obecnie, zatem niewiele brakowało do samozapłonu. Poza tym klimat był o wiele bardziej niestabilny, więc wyładowania atmosferyczne były znacznie częstsze. I to one wzniecały pożary.

Spopielone liście paproci kredowych (Brown et al., 2012)

Okazuje się, że pożary roślinności były normą pod koniec kredy. Spośród wielu stanowisk osadów lądowych z tego okresu znaleziono mnóstwo węgli drzewnych i popiołów świadczących o tym, że stale coś musiało się palić. Częste pożary pełniły wieloraką funkcję w złożonym ekosystemie kredowym.

Po pierwsze, ogień zużywa sporo tlenu, więc jego stężenie było niejako kontrolowane częstotliwością pożarów. Taki mechanizm samoregulacji. Z drugiej strony pożary sieją spustoszenie wśród pokrywy roślinnej przyspieszając erozję. Przy często zdarzających się burzach i wezbraniach wody, ten mechanizm powoduje częste powodzie. Prowadziło to do wypłukiwania wielu związków mineralnych i odprowadzania ich do oceanu, co z kolei powodowało wzrost produkcji organicznej w morzach. Stąd tak popularne w kredzie czarne łupki bogate w węglowodory - obecnie główne złoża ropy i gazu ziemnego. Dowody na takie właśnie środowisko życia dinozaurów przynoszą analizowane sekwencje osadowe z węglami drzewnymi.

Wody powodziowe tuż po pożarze niosą mnóstwo spopielonej materii organicznej (Brown et al., 2012)

Kreda jawi się jako świat płomieni, które prawdopodobnie były również motorem napędzającym ewolucję roślin okrytozalążkowych. Dinozaurom nie było lekko. Musiały walczyć z dymem i ogniem, podobnie jak dzisiejsi strażacy. Tyle, że one miały małe mózgi i nie miały wyboru. Czy jest jakaś analogia pomiędzy nimi a wiosennymi podpalaczami?

Źródła:
Marynowski, L. (2012). Mezozoiczne pożary - ich rozprzestrzenienie i znaczenie w trakcie zdarzeń globalnych Przegląd Geologiczny 60 link
Brown, S., Scott, A., Glasspool, I., & Collinson, M. (2012). Cretaceous wildfires and their impact on the Earth system Cretaceous Research DOI: 10.1016/j.cretres.2012.02.008

Fot. w nagłówku: John McColgan PD


[Edit] Ponieważ szablon blogu przyciął komentarze i sporo informacji umknęło, pozwolę sobie wkleić poniżej całą dyskusję, łącznie z poprawionymi linkami do cytowanych artykułów. Myślę, że dzięki Wam komentującym post zyskał bardzo dużo [MK] 


makroman pisze...

Moje wątpliwości co do płomiennego przyspieszacza erozji zlikwidowało by znalezienie skamieniałości świadczących o spopielaniu także korzeni.

Co do reszty to zgoda

12 kwietnia 2012 09:32

Mariusz Kędzierski pisze...

Zakładam, że palą się tylko nadziemne części roślin. Po pożarze, kiedy nie ma pokrywy roślinnej znacznie obniża się tzw. warstwa graniczna, więc wiatr z łatwością może wysuszać i wywiewać cząstki gleby. Tylko w przypadku bardzo wysokich temperatur podziemna część będzie uwęglona.
Poza tym, zanim powróci wegetacja, woda z ulewnych deszczów wymyje ziemię razem z korzeniami niespalonych roślin. To może działać tak jak wyrąb lasów, gdzie korzenie drzew zostają w glebie.
Dla mnie to spojrzenie na kredę pokazuje po raz kolejny, że dogmat o aktualiźmie jest mocno przereklamowany :)

12 kwietnia 2012 10:39

Tomasz Skawiński pisze...

Późnokredowe "wypalanie" (czyli po prostu pożar) traw (oczywiście z dinozaurami w tle) to bardzo prawdopodobny obrazek, ale pamiętam dobrze, jak jeszcze całkiem niedawno mówiono, że żadne dinozaury nie mogły jeść trawy (ani tym bardziej wypalać), bo ta powstała dopiero 40 mln lat temu.

Druga refleksyjka, tym razem co do klimatu kredowego. Powszechnie przyjmuje się, że był to okres cieplarniany - i faktycznie, większa część kredy rzeczywiście cechowała się znacznie wyższymi temperaturami niż obecnie, ale istniały też okresy, kiedy średnia roczna temperatura prawdopodobnie nie przekraczała ok. 10 °C (choć to i tak cieplej niż współcześnie w Polsce), jak miało to miejsce we wczesnej kredzie na terenach dzisiejszej prowincji Liaoning (gdzie indziej pewnie też, ale jakoś się tym nie interesowałem). Pewnie nawet padał tam śnieg, a i pożarów nie było zbyt dużo :)

12 kwietnia 2012 23:44

Arctic Haze pisze...

Co do klimatu kredy, to był on chłodny tylko z początku. Była w literaturze przedmiotu dyskusja czy na granicy jury z kreda nie było epoki lodowej. Dowodami na jej istnienie miały być kamyczki (dropstones) gubione przez góry lodowe w osadach morskich wysokich szerokości geograficznych i chyba jakieś mniej lub bardziej wątpliwe moreny ("podejrzane" gliny zwałowe). W sumie wygląda na to, że były aktywne lodowce ale nie było lądolodu. Czyli było cieplej niż w chwili obecnej gdy mamy Antarktydę i Grenlandię pod lodem. A potem było już tylko cieplej (chociaż Bornemann i inni 2008 http://dx.doi.org/10.1126/science.1148777 próbowali się doszukać krótkiej epoki lodowej 91,2 mln lat temu). Artykuł przeglądowy na ten temat to Price 1999 "The evidence and implications of polar ice during the Mesozoic", Earth-Science Reviews 48 1999 183–210.

Mam też wątpliwości co do tych 30% tlenu w kredzie. Stwierdzenie takie pada we wpisie: "Skrajnie wartości przyjmują nawet ponad 30% (Brown et al., 2012)". Problem w tym, że artykuł Brown et al. 2012 nie powinien być źródłem tego stwierdzenia. W abstrakcie jest tam napisane: "This increased fire activity has been linked to elevated atmospheric oxygen concentrations, predicted as in excess of 21% throughout this period and 25% during some stages". Czyli nie 30%, a 25% - a i to w porywach. Co ciekawe w tekście artykułu nie pada nawet 25%, a raczej "trochę ponad 21%". Oto co piszą o tym:

"Models have varied in their predictions of Cretaceous atmospheric oxygen concentration (Berner et al., 2003; Bergman et al., 2004; Berner, 2006, 2009; Glasspool and Scott, 2010)(Fig. 1 ). Berner (2009) predicted levels below present until the Albian, rising just above 21% thereaf ter. Bergman et al. (2004) predicted levels significantly above present throughout the Cretaceous but reaching their highest during the Cenomanian. Similarly, Glasspool and Scott (2010) predicted levels above present throughout the Cretaceous but more moderately so and peaking at about the Albian e Cenomanian transition".

Te 30% występują jedynie na wspomnianym rysunku (Fig. 1). Wygląda na to, że Glasspool i Scott 2010 rekonstruują wartości miedzy 25% a 30% przez kilka milionów lat w środkowej kredzie, a bardzo zgrubna rekonstrukcja Bergman i inni 2004 http://lgmacweb.env.uea.ac.uk/ajw/Reprints/Bergman_Lenton_Watson_AmJSci_2004.pdf nawet ponad 30%. Jednk u nich ta ich nadwyżka istnieje nadal w trzeciorzędzie co raczej wygląda na błąd ich modelu COPSE niż na rzeczywistość. Ich model ma inne podejrzane wyniki, jak na przykład brak spadku koncentracji tlenu na granicy permu i triasu, o którego wpływie na ewolucje kręgowców tak przekonywająco pisze Peter D. Ward w swojej książce "Out of thin air" (polecam!).

Fakt nie komentowania tych wartości w artykule oraz pewna rozbieżność miedzy abstraktem a treścią artykułu świadczą moim zdaniem o tym, że recenzent (był może sam Berner) kazał im poskromić entuzjazm bo tak naprawdę ta nadwyżka tlenu w kredzie mieści się w granicach błędu metod rekonstrukcji na podstawie modeli biogeochemicznych.

Zatem radziłbym poprawić te 30% we wpisie bo to budzi niepotrzebną sensację w sytuacji gdy tak naprawdę nie wiemy o ile, a nawet czy w ogóle koncentracja tlenu była wtedy wyższa(ja bym napisał, że "prawdopodobnie była nieco większa niż dzisiaj", mniej więcej jak Brown i inni w tekście swego artykułu).

13 kwietnia 2012 09:09

Mariusz Kędzierski pisze...

@Tomasz Skawiński: Trawy to raczej w kredzie nie jadły, analogia dotyczyła pożarów, które co roku o tej porze otaczają mnie, więc poczułem się przez chwilę jak te dinozaury w kredzie. Z drugiej strony, parę lat temu ukazał się art. (ale nie pamiętam już gdzie) i późnokredowym dino znalezionym w Indiach, który miał w przewodzie pokramowym coś co wyglądało na roślinę spokrewnioną z ryżem. Miał to być dowód na to, że już w kredzie mogły być pierwsze trawy (zapewne niezbyt jeszcze powszechne).

13 kwietnia 2012 10:26

Mariusz Kędzierski pisze...

@Arctic Haze: Debata o klimacie kredy pewnie będzie jeszcze powracać nie raz. Ostatnio ukazał się art. Follmiego o klimacie wczesnej kredy w którym autor pisze: "Early Cretaceous climate oscillated between “normal” greenhouse, predominantly arid conditions, and intensified greenhouse, predominantly humid conditions" (Cretaceous Research 35:230-257). Jak widać, nie wspomina o zlodowaceniach. Raczej przeciwnie. Z całego mezozoiku trias wydaje się najchłodniejszy, zaś na przełomie keloweju i oksfordu Dromart et al (2003) postulują 2 mln epokę lodowcową. W kredzie rzekome dropstony znajdowano również w angielskim chalku, ale dopóki sam nie zobaczę tego na własne oczy nie uwierzę. Widziałem już takie dropstony w turonie, które później okazały się debrytami (spływy gęstościowe - debris flow).
Co do wartości tlenu, w istocie, napisałem na podstawie fig. z art. Brown, ale te wartości Bernera jednak funkcjonują w obiegu (patrz np.: Nick Lane "Tlen. Cząsteczka, która stworzyła świat", Prószyński i s-ka, ISBN 83-7337-936-3, również gorąco polecam), zaznaczyłem w tekście, że są to skrajne wartości (nawet), więc chyba dobrze się zabezpieczyłem :) W moim odczuciu, rzeczywiście, te 30% to bardzo dużo, i jak pisze Lane: "w 25% stężeniu nawet wilgotna materia organiczna spala się z łatwością"; więc 30% to paliłoby się wszystko, łącznie z tropikalnymi lasami. Z drugiej strony, cytowany Marynowski podaje dla późnej kredy wartości % tlenu niewiele różniące się od obecnych (w skrajnych przypadkach 23-24% wg krzywej Bernera z 2009) i twierdzi, że do wzniecenia pożaru roślinności wegetatywnej potrzeba conajmniej 545 st. C.
A propos pożarów w historii Ziemi polecam też art Bowmana i in. 2009 (tak, tak, to ten od słoni w Australii).

13 kwietnia 2012 10:58

makroman pisze...

1 - zawartość tlenu w "kredowej" atmosferze to rzecz dla wydźwięku artykułu kluczowa.
2 - jeśli istotnie sięgała ona 30% MUSI to mieć odzwierciedlenie w budowie ówczesnego życia i w taki sposób powinno buc weryfikowane.
3 - to czy płonęły trawy czy paprotniki nie ma większego znaczenia, te drugie palą się podobnie, jednak ze względu na inną budowę przyziemnych partii roślin inaczej będzie ich dopalania przebiegało- trawy po prostu spalą się i zgasną, nie naruszając korzeni, zaś paprotniki będą tliły się niczym papierosy - stąd moje wcześniejsze pytanie. W atmosferze 30% tlenowej nastąpi krótki gwałtowny quasi wybuch, opalenie części nadziemnych i samoczynne wygaśniecie, znacznie groźniej jest w atmosferze uboższej, zamiast "fuknięcia" mamy intensywne spalanie które uszkadza również system korzeniowy - czyli faktycznie wpływa na przyspieszenie erozji.
4 - teza o pożarach regulujących stężenie O2 w powietrzu, jest co najmniej problematyczna.

13 kwietnia 2012 11:47

Mariusz Kędzierski pisze...

Zacytuję Lane'a: "Jak wiemy, zawartość tlenu w powietrzu może wzrastać tylko wtedy, gdy ilość tlenu produkowanego w reakcji fotosyntezy przewyższa ilość tlenu zużywanego w procesach oddychania oraz utleniania skał i gazów pochodzenia wulkanicznego. Dzieje się tak, kiedy duże ilości materii organicznej zostają wyłączone z obiegu. Szczątki organiczne odcięte od dopływu powietrza nie ulegają utlenieniu, nie zamieniają się w dwutlenek węgla, a nieużyty tlen pozostaje w stanie wolnym. A ponieważ jak wspomniałem, zwęglone drzewa łatwiej wyłączyć z obiegu materii niż zwyczajny martwy materiał roślinny, ostatecznym wynikiem pożarów jest wzrost ilości odłożonego w ziemi węgla i w efekcie wzrost poziomu tlenu w powietrzu. To z kolei jeszcze bardziej zwiększa prawdopodobieństwo pożaru i w konsekwencji ilość tlenu wzrasta, aż do zniszczenia życia na lądzie. Dopiero wtedy gdy ustanie fotosynteza roślin lądowych, poziom tlenu zacznie powoli spadać [..]" itd.
Ten mechanizm jest nieco uproszczony do do redukcji poziomu tlenu włącza się jeszcze roślinny enzym rubisco, ale w tak to właśnie wygląda.
Raz uruchomiony mechanizm przy przekroczeniu progu tzw. okna ognia, zdaje się byc samonapędzający, więc nie dziwi mnie, że pod koniec kredy te stężenia mogły być duże i pożary częste (aż do wymierania pod koniec kredy).

13 kwietnia 2012 14:13

Mariusz Kędzierski pisze...

I jeszcze dodam, że współcześnie martwe drewno wraca do obiegu dopiero po kilkudziesięciu latach. Jeśli zostanie zwęglone do postaci węgla drzewnego, to dopiero w piecu :)
Widać to na przykładzie węgli karbońskich, gdzie większość węgla pochodzi z węgli drzewnych. To jest potężny mechanizm wyłączania węgla z obiegu.
Co do odpowiedzi świata organicznego na wysokie stężenie tlenu, to Brown i koledzy stwierdzili, że właśnie to głównie wpłynęło na rozwój roślin okryzalążkowych.

A być może przyczyniło się też do upowszechnienia się latania wśród ptaków (gęstość powietrza), być może też gigantyzm wśród dinozaurów był tym spowodowany. Pospekulować zawsze można :)

13 kwietnia 2012 14:26

Tomasz Skawiński pisze...

@Mariusz Kędzierski: Artykuł o "trawiastych koprolitach" tytanozaura z mastrychtu był w Science (Prasad i in. 2005; http://www.cerealsdb.uk.net/CerealsDB/Documents/PDFs/Dinosaur_coprolites_and_the%20_early_evolution_of_grasses_and_grazers.pdf). Autorzy sugerują, że trawy wyewoluowały jeszcze zanim Indie oddzieliły się od reszty Gondwany (jeśli tak, to całkiem sporo dinozaurów mogło mieć z tymi roślinami kontakt), na co miałaby wskazywać obecność przedstawicieli co najmniej pięciu współczesnych kladów traw.

13 kwietnia 2012 15:05

Mariusz Kędzierski pisze...

Własnie! O ten artykuł mi chodziło. Byłem pewien, że będziesz wiedział :)

13 kwietnia 2012 15:11

Mariusz Kędzierski pisze...

Przepraszam Czytelników i Komentujących jeśli Wasza przeglądarka obcina komentarze z prawej strony. Mam wrażenie, że jest to spowodowane wklejaniem długich linków (dłuższych niż szerokość kolumny). Szablon bloggera nie jest w stanie podzielić takiego linku, więc rozszerza kolumnę komentarza poza ramkę. Żeby uniknąć takiej sytuacji można linki zapisywać w postaci kodu htmla href=, wtedy powinno być dobrze i ułatwi to korzystanie z linków (będą "klikowalne").

13 kwietnia 2012 15:26

 Tomasz Skawiński pisze...

Oj, więc to chyba moja wina :( Przepraszam i obiecuję poprawę w przyszłości.
Nie ma możliwości edytowania komentarza? Nawet dla moderatora/administratora?

13 kwietnia 2012 15:57

 makroman pisze...

Biorąc pod uwagę iż lwia cześć tlenu "produkowana" jest w morzach i oceanach (teraz tak jest i nie ma żadnych przesłanek by uważać że wtedy było inaczej)argumentacja Lane'a jest co najmniej wątpliwa.
to samo się tyczy "magazynowania" węglą w spalonym drewnie...

Od siebie dodam iż tak węgiel drzewny jak i kamienny w momencie kontaktu z tlenem ulegają samoczynnemu procesowi utleniania. czasami na skutek tego dochodzi do samozapłonów, natomiast składowane na hałdzie z biegiem czasu wyraźnie tracą na kaloryczności.
Inaczej mówiąc do odłożenia węgla dochodzi w wyniku zasypań, lawin błotnych, gwałtownych powodzi (namuł) w przeciwnym wypadku - spalone czy nie i tak stosunkowo szybko ulega procesom redukcji.

13 kwietnia 2012 16:03

 Mariusz Kędzierski pisze...

Nie, to nie Twoja wina, tylko szablonu bloggera :)
Juz kiedyś zdarzył mi się taki przypadek, ale wtedy nie wiedziałem dlaczego. Teraz też nie wiem na 100% ale domyślam się, że to o to chodzi.
Komentarze jak na razie nie są moderowane, nie było takiej potrzeby, a po opublikowaniu już można je tylko usunąć lub oznaczyć jako spam.
Ale może to jest jakaś myśl, z tym moderowaniem, hm..
Trzymaj się i nie zniechęcaj do dalszych komentarzy, proszę :)

13 kwietnia 2012 16:04

 Mariusz Kędzierski pisze...

@makroman: martwe drewno potrzebuje w naszym klimacie kilkudziesięciu lat aby się rozłożyło, węgiel drzewny jeszcze więcej.
Węgle kamienne na Ziemi nie tworzyły się zawsze, ale własnie w okresach zwiększonej zawartości tlenu (głownie karbon-perm oraz kreda-paleogen). Szybkie, czyli przed rozłożeniem drewna (węgla drzewnego), pogrzebanie jest warunkiem koniecznym, ale niewystarczającym.

13 kwietnia 2012 17:29

Tomasz Skawiński pisze...

Jeśli tylko będę miał coś ciekawego do napisania ;)

13 kwietnia 2012 17:41

Posted in: dinozaury,efekt cieplarniany,gady,gaz,greenhouse,kreda,mezozoik,Polska,pożary,rośliny