Dybhavskoraller afslører, hvorfor atmosfærisk kulstof blev reduceret i koldere perioder

Vi ved meget om, hvordan kuldioxidniveauer (CO2) kan drive klimaændringer, men hvad med den måde, klimaændringer kan forårsage udsving i CO2-niveauet? Ny forskning fra et internationalt hold af forskere afslører en af ​​de mekanismer, hvorved et koldere klima blev ledsaget af udtømt atmosfærisk CO2 under tidligere istider.

Det overordnede mål med arbejdet er bedre at forstå, hvordan og hvorfor jorden gennemgår periodiske klimaændringer, som kunne kaste lys over, hvordan menneskeskabte faktorer kan påvirke det globale klima.

Jordens gennemsnitstemperatur har naturligt svinget med omkring 4 til 5 grader Celsius i løbet af de seneste millioner år, efterhånden som planeten har cyklet ind og ud af glaciale perioder. I det tidsrum, jordens atmosfæriske CO2-niveauer har svinget mellem omkring 180 og 280 ppm hver 100. 000 år eller deromkring. (I de seneste år, menneskeskabte kulstofemissioner har øget denne koncentration op til over 400 ppm.)

For omkring 10 år siden, forskere bemærkede en tæt overensstemmelse mellem udsvingene i CO2-niveauer og i temperatur over de sidste millioner år. Når jorden er på det koldeste, mængden af ​​CO2 i atmosfæren er også på sit laveste. Under den seneste istid, som sluttede omkring 11. 000 år siden, de globale temperaturer var 5 grader Celsius lavere end i dag, og atmosfæriske CO2-koncentrationer var på 180 ppm.

Ved at bruge et bibliotek på mere end 10, 000 dybhavskoraller indsamlet af Caltechs Jess Adkins, et internationalt hold af videnskabsmænd har vist, at perioder med koldere klimaer er forbundet med højere fytoplanktoneffektivitet og en reduktion af næringsstoffer i overfladen af ​​det sydlige ocean (havet omkring Antarktis), hvilket er relateret til en stigning i kulstofbinding i det dybe hav. Et papir om deres forskning vises i ugen den 13. marts i online-udgaven af Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Det er afgørende at forstå, hvorfor atmosfærisk CO2-koncentration var lavere under istiderne. Dette vil hjælpe os med at forstå, hvordan havet vil reagere på igangværende menneskeskabte CO2-emissioner, " siger Xingchen (Tony) Wang, hovedforfatter af undersøgelsen. Wang var en kandidatstuderende ved Princeton, mens han udførte forskningen i Daniel Sigmans laboratorium, Dusenbury professor i geologiske og geofysiske videnskaber. Han er nu Simons Foundation Postdoc-stipendiat om livets oprindelse på Caltech.

Der er 60 gange mere kulstof i havet end i atmosfæren – blandt andet fordi havet er så stort. Massen af ​​verdenshavene er omkring 270 gange større end atmosfærens. Som sådan, havet er den største regulator af kulstof i atmosfæren, fungerer som både et dræn og en kilde til atmosfærisk CO2.

Biologiske processer er den vigtigste drivkraft for CO2-absorption fra atmosfæren til havet. Ligesom fotosyntese af træer og planter på land, Plankton på overfladen af ​​havet omdanner CO2 til sukkerarter, som til sidst forbruges af andre skabninger. Da havdyrene, der indtager disse sukkerarter - og det kulstof, de indeholder - dør, de synker til det dybe hav, hvor kulstoffet er låst væk fra atmosfæren i lang tid. Denne proces kaldes den "biologiske pumpe."

En sund bestand af fytoplankton hjælper med at låse kulstof fra atmosfæren. For at trives, fytoplankton har brug for næringsstoffer - især, nitrogen, fosfor, og jern. I de fleste dele af det moderne hav, fytoplankton udtømmer alle de tilgængelige næringsstoffer i overfladehavet, og den biologiske pumpe arbejder med maksimal effektivitet.

Imidlertid, i det moderne sydlige ocean, der er en begrænset mængde jern - hvilket betyder, at der ikke er nok planteplankton til fuldt ud at forbruge kvælstof og fosfor i overfladevandet. Når der er mindre levende biomasse, der er også mindre, der kan dø og synke til bunds - hvilket resulterer i et fald i kulstofbinding. Den biologiske pumpe fungerer i øjeblikket ikke så effektivt, som den teoretisk kunne.

For at spore effektiviteten af ​​den biologiske pumpe i løbet af de sidste 40, 000 år, Adkins og hans kolleger indsamlede mere end 10, 000 fossiler af korallen Desmophyllum dianthus.

Hvorfor koraller? To grunde:For det første efterhånden som den vokser, koraller samler et skelet omkring sig selv, udfældning af calciumcarbonat (CaCO3) og andre sporstoffer (herunder nitrogen) ud af vandet omkring det. Den proces skaber en stenet registrering af havets kemi. Sekund, koraller kan dateres præcist ved hjælp af en kombination af radiocarbon- og uranium-datering.

"At finde nogle få centimeter høje fossile koraller 2, 000 meter dybt i havet er ingen triviel opgave, " siger Adkins, Smits familieprofessor i geokemi og global miljøvidenskab ved Caltech.

Adkins og hans kolleger indsamlede koraller fra den relativt smalle (500 mil) kløft kendt som Drake Passage mellem Sydamerika og Antarktis (blandt andet). Fordi det sydlige ocean flyder rundt om Antarktis, alt dets vand løber gennem dette hul - hvilket gør prøverne, som Adkins indsamlede til en robust registrering af vandet i hele det sydlige ocean.

Wang analyserede forholdet mellem to isotoper af nitrogenatomer i disse koraller - nitrogen-14 (14N, den mest almindelige variant af atomet, med syv protoner og syv neutroner i sin kerne) og nitrogen-15 (15N, som har en ekstra neutron). Når planteplankton indtager nitrogen, de foretrækker 14N til 15N. Som resultat, der er en sammenhæng mellem forholdet mellem nitrogenisotoper i synkende organisk materiale (som korallerne så spiser, når det falder til havbunden) og hvor meget nitrogen, der forbruges i overfladehavet – og, i forlængelse heraf, effektiviteten af ​​den biologiske pumpe.

En højere mængde af 15N i fossilerne indikerer, at den biologiske pumpe fungerede mere effektivt på det tidspunkt. En analogi ville være at overvåge, hvad en person spiser i deres hjem. Hvis de spiser mere af deres mindre elskede fødevarer, så kunne man gå ud fra, at mængden af ​​mad i deres spisekammer er ved at løbe tør.

Ja, Wang fandt, at højere mængder af 15N var til stede i fossiler svarende til den sidste istid, hvilket indikerer, at den biologiske pumpe fungerede mere effektivt i det tidsrum. Som sådan, beviserne tyder på, at koldere klimaer tillader mere biomasse at vokse i det sydlige Oceans overflade - sandsynligvis fordi koldere klimaer oplever stærkere vinde, som kan blæse mere jern ud i det sydlige ocean fra kontinenterne. At biomasse forbruger kulstof, så dør og synker, låse den væk fra atmosfæren.

Adkins og hans kolleger planlægger at fortsætte med at undersøge koralbiblioteket for yderligere detaljer om cyklusserne af havkemiændringer over de sidste flere hundrede tusinde år.

Undersøgelsen har titlen "Dybhavskoralbevis for lavere nitratkoncentrationer i det sydlige Oceans overflade under den sidste istid."