I 2100, oceaner kan indeholde nok kulstof til at starte sjette masseudryddelse af arter, matematik forudsiger (opdatering)

I de sidste 540 millioner år har Jorden har udholdt fem masseudryddelsesbegivenheder, hver involverer processer, der forstærker den normale cirkulation af kulstof gennem atmosfæren og havene. Disse globalt fatale forstyrrelser i kulstof udspillede hver over tusinder til millioner af år, og er sammenfaldende med den udbredte udryddelse af marine arter rundt om i verden.

Spørgsmålet for mange forskere er, om kulstofcyklussen nu oplever et betydeligt skud, der kan vippe planeten mod en sjette masseudryddelse. I den moderne æra, kuldioxidemissioner er steget støt siden 1800 -tallet, men at dechifrere, om denne nylige stigning i kulstof kan føre til masseudryddelse har været udfordrende. Det er hovedsageligt fordi det er svært at relatere gamle kulstofanomalier, forekommer over tusinder til millioner af år, til dagens forstyrrelser, som har fundet sted i løbet af lidt mere end et århundrede.

Nu Daniel Rothman, professor i geofysik i MIT Department of Earth, Atmosfærisk og planetarisk videnskab og meddirektør for MIT's Lorenz Center, har analyseret betydelige ændringer i kulstofcyklussen i løbet af de sidste 540 millioner år, herunder de fem masseudryddelsesbegivenheder. Han har identificeret "tærskler for katastrofe" i kulstofcyklussen, der, hvis overskredet, ville føre til et ustabilt miljø, og i sidste ende, masseudryddelse.

I et papir udgivet i Videnskab fremskridt , han foreslår, at masseudryddelse sker, hvis en af ​​to tærskler krydses:For ændringer i kulstofcyklussen, der sker over lange tidsskalaer, udryddelser vil følge, hvis disse ændringer sker hurtigere end globale økosystemer kan tilpasse sig. For kulforstyrrelser, der finder sted over kortere tidsskalaer, tempoet i ændringer i kulstofcyklussen har ingen betydning; i stedet, ændringens størrelse eller størrelse bestemmer sandsynligheden for en udryddelse.

Tager denne begrundelse frem i tide, Rothman forudser, at i betragtning af den seneste stigning i kuldioxidemissioner over en relativt kort tidsperiode, en sjette udryddelse vil afhænge af, om der tilsættes en kritisk mængde kulstof til havene. Det beløb, han regner, er omkring 310 gigaton, som han vurderer at svare nogenlunde til den mængde kulstof, som menneskelige aktiviteter vil have tilføjet verdenshavene i år 2100.

Betyder det, at masseudryddelse snart vil følge ved århundredeskiftet? Rothman siger, at det ville tage noget tid - omkring 10, 000 år - for sådanne økologiske katastrofer skulle udspille sig. Imidlertid, han siger, at verden i 2100 kan have tippet ind i "ukendt territorium".

"Det siger ikke, at katastrofe sker den næste dag, "Siger Rothman." Det siger, hvis det ikke er markeret kulstofcyklussen ville bevæge sig ind i et rige, der ikke længere ville være stabilt, og ville opføre sig på en måde, der ville være vanskelig at forudsige. I den geologiske fortid, denne adfærd er forbundet med masseudryddelse. "

Historien følger teorien

Rothman havde tidligere udført arbejde med den ende-permiske udryddelse, den alvorligste udryddelse i Jordens historie, hvor en massiv puls af kulstof gennem Jordens system var involveret i at udslette mere end 95 procent af marine arter på verdensplan. Siden da, samtaler med kolleger fik ham til at overveje sandsynligheden for en sjette udryddelse, rejser et vigtigt spørgsmål:

"Hvordan kan du virkelig sammenligne disse store begivenheder i den geologiske fortid, der sker over så store tidsskalaer, hvad der foregår i dag, hvilket er længst århundreder? "siger Rothman." Så jeg satte mig en sommerdag og forsøgte at tænke over, hvordan man systematisk kunne gøre det. "

Til sidst udledte han en simpel matematisk formel baseret på grundlæggende fysiske principper, der relaterer den kritiske hastighed og størrelse af ændringer i kulstofcyklussen til den tidsskala, der hurtigt adskiller sig fra langsomme ændringer. Han antog, at denne formel skulle forudsige, om masseudryddelse, eller en anden form for global katastrofe, skulle forekomme.

Rothman spurgte derefter, om historien fulgte hans hypotese. Ved at søge i hundredvis af publicerede geokemiske artikler, han identificerede 31 begivenheder i de sidste 542 millioner år, hvor der skete en betydelig ændring i Jordens kulstofcyklus. For hver begivenhed, herunder de fem masseudryddelser, Rothman bemærkede ændringen i kulstof, udtrykt i den geokemiske rekord som en ændring i den relative overflod af to isotoper, carbon-12 og carbon-13. Han noterede sig også, hvor lang tid ændringerne fandt sted.

Han udtænkte derefter en matematisk transformation for at omdanne disse mængder til den samlede kulstofmasse, der blev tilføjet til havene under hver begivenhed. Endelig, han afbildede både masse og tidsskala for hver begivenhed.

"Det blev tydeligt, at der var en karakteristisk ændring, som systemet stort set ikke kunne lide at gå forbi, "Siger Rothman.

Med andre ord, han observerede en fælles tærskel, som de fleste af de 31 begivenheder syntes at forblive under. Selvom disse begivenheder involverede betydelige ændringer i kulstof, de var relativt godartede - ikke nok til at destabilisere systemet mod katastrofe. I modsætning, fire af de fem masseudryddelsesbegivenheder lå over tærsklen, med den mest alvorlige ende-permiske udryddelse den længste over stregen.

”Så blev det et spørgsmål om at finde ud af, hvad det betød, "Siger Rothman.

En skjult lækage

Efter nærmere analyse, Rothman fandt ud af, at den kritiske hastighed for katastrofe er relateret til en skjult proces inden for Jordens naturlige kulstofcyklus. Cyklussen er i det væsentlige en sløjfe mellem fotosyntese og respiration. Normalt, der er en "lækage" i cyklussen, hvor en lille mængde organisk kul synker til havets bund og, over tid, er begravet som sediment og afsondret fra resten af ​​kulstofcyklussen.

Rothman fandt ud af, at den kritiske hastighed svarede til hastigheden af ​​overskydende produktion af kuldioxid, der ville skyldes tilslutning af lækagen. Eventuelt yderligere kuldioxid injiceret i cyklussen kunne ikke beskrives af selve sløjfen. En eller flere andre processer ville i stedet have taget kulstofcyklussen ind i ustabilt territorium.

Derefter fastslog han, at den kritiske hastighed kun gælder ud over den tidsplan, hvormed den marine kulstofcyklus kan genoprette sin ligevægt, efter at den er forstyrret. I dag, denne tidsplan er omkring 10, 000 år. Ved meget kortere begivenheder, den kritiske tærskel er ikke længere bundet til den hastighed, hvormed kul tilsættes oceanerne, men i stedet til kulstofets samlede masse. Begge scenarier ville efterlade et overskud af kulstof, der cirkulerer gennem havene og atmosfæren, sandsynligvis resulterer i global opvarmning og forsuring af havet.

Århundredet er grænsen

Fra den kritiske hastighed og ligevægtstiden, Rothman beregnede den kritiske masse kulstof i dag til at være omkring 310 gigaton.

Derefter sammenlignede han sin forudsigelse med den samlede mængde kulstof, der blev tilføjet til Jordens oceaner i år 2100, som forventet i den seneste rapport fra det mellemstatslige panel om klimaændringer. IPCC -fremskrivningerne overvejer fire mulige veje til kuldioxidemissioner, lige fra en, der er forbundet med strenge politikker for at begrænse kuldioxidemissioner, til en anden relateret til den store række scenarier uden begrænsninger.

I bedste tilfælde projekteres, at mennesker vil tilføje 300 gigaton kul til havene inden 2100, mens mere end 500 gigaton vil blive tilføjet under det værste tilfælde, langt over den kritiske tærskel. I alle scenarier, Rothman viser, at i 2100, kulstofcyklussen vil enten være tæt på eller langt over tærsklen for katastrofe.

"Der bør være måder at trække [emissioner af kuldioxid] tilbage, "Rothman siger." Men dette arbejde peger på grunde til, at vi skal være forsigtige, og det giver flere grunde til at studere fortiden for at informere nutiden. "