Nye tanker om, hvordan karbonater registrerer det globale kulstofkredsløb

Når videnskabsmænd ønsker at studere Jordens meget gamle geologiske fortid - typisk mere end 100 millioner år siden - henvender de sig ofte til sten kaldet karbonater.

Calciumkarbonater, de mest allestedsnærværende former for carbonat, er mineraler, der udfælder fra havvand og danner lagdelte sedimentære aflejringer på havbunden. De er almindeligvis kendt som kalksten. Mere end 3,5 milliarder år af Jordens historie er skildret i karbonatsten. Mange videnskabsmænd bruger dem til at rekonstruere historier om ændringer i klimaet og det tidligere globale kulstofkredsløb - dvs. processen, hvorigennem kulstof bevæger sig mellem havene, atmosfæren, biosfæren og fast bjergart.

"Du kan lære meget af karbonater, " sagde Emily Geyman, en Princeton-kandidat i geovidenskab fra 2019 og hovedforfatter på et papir udgivet 8. november i Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ). Artiklen var resultatet af Geymans seniorafhandling, hvor hun undersøgte den kemiske sammensætning af karbonater, og hvordan disse karbonater registrerer kulstofkredsløbet.

"Det, der gør karbonater særligt nyttige i modsætning til noget som en sandsten, "Geyman sagde, "er, at karbonatet udfældes direkte fra havvandet, så tanken er, at karbonaternes kemi, som vi kan måle, vil fortælle os noget om det gamle hav."

Men ikke alle karbonater bliver bevaret i den geologiske optegnelse. Dybhavskarbonater, for eksempel, bliver typisk subduceret, hvilket er grunden til, at forskere ofte henvender sig til karbonater, der ophobes på lavvandede kontinentalsokler. Problemet, imidlertid, er, at forskerne stadig ikke ved nok om, hvordan egenskaber som havkemi, havtemperatur, bølgeenergi og vanddybde bliver oversat til den lavvandede karbonatregistrering.

Nu, imidlertid, forskere ved Princeton arbejder på at løse dette spørgsmål.

"Ingen havde faktisk set på hvad der svarer til disse gamle kalksten, der dannes i dag og forstod oversættelsen, " sagde Adam Maloof, en professor i geovidenskab, der samarbejdede om papiret med Geyman. "Det er som at prøve at oversætte gamle tekster uden en Rosetta Stone. Vi havde brug for vores Rosetta Stone."

Ikke alene fandt forskerne deres Rosetta-sten i form af en innovativ hypotese, men deres resultater udfordrer den konventionelle logik om at bruge karbonater til at rekonstruere tidligere globale kulstofkredsløb.

"En af de mest almindelige målinger, vi foretager fra gamle karbonater, er kulstofisotopsammensætningen, " sagde Geyman. "Og vi forbinder kulstofisotopsammensætningen med globale forstyrrelser i kulstofkredsløbet."

At studere gamle isotoper - forskellige former for det samme element - er en nøgle til at forstå, hvor meget og hvorfor Jordens globale kulstofkredsløb har ændret sig i fortiden. Dette er afgørende, fordi kulstofkredsløbet fungerer som en termostat til at regulere jordens temperatur, sagde Maloof. At forstå, hvordan denne termostat fungerer, vil hjælpe os med at forudsige fremtidige klimaændringer.

Deres forskning tog dem til Andros Island på Bahamas, en stor og næsten helt ubeboet ø beliggende på Great Bahama Bank.

Bahamas er et fantastisk sted at studere Jordens gamle geologiske fortid. "I meget af Jordens historie, "Geyman sagde, "meget af jordens overflade lignede Bahamas i dag."

Målet var at forstå, hvordan vandets kemi styrer klippens kemi - dybest set, hvordan kulstofisotoper registreres i nutidige omgivelser, og hvad det kan sige om det tidligere kulstofkredsløb.

"Hvis du vil finde ud af, hvordan tidligere havniveau og havvandskemi var ved at se på gamle karbonater, "Geyman sagde, "du er nødt til at gå til den moderne analoge og spørge 'godt, hvordan dannes moderne karbonater lige nu i henhold til den nuværende havkemi og nuværende havniveau?""

Hvad de fandt, og hvad tidligere undersøgelser har vist, var, at der foregik noget mærkeligt i Bahamas sediment. Den kalksten, der dannes der, havde kulstof-13, der virkede alt for høj sammenlignet med encellet plankton, der flød rundt i det åbne hav.

En stor procentdel af gamle karbonater viser også denne unormalt høje kulstof-13. Hvis du antager, at dette afspejler globale havforhold, Maloof påpegede, "Du sidder fast ved at drage drastiske konklusioner om store ændringer i kulstofkredsløbet."

I stedet, Geyman og Maloof udtænkte en hypotese, de kalder "den daglige kulstofkredsløbsmotor." Som navnet antyder, processen involverer en 24-timers cyklus. Når solen skinner om dagen, Vandplanter trækker kulstof-12 fra vandet gennem fotosynteseprocessen og bruger det til at lave plantemateriale. Fordi planterne fortrinsvis tager kulstof-12, det resterende kulstof i vandet bliver beriget med kulstof-13.

Den væsentlige komponent i denne proces er, at kalksten dannes hurtigst på toppen af ​​dagen, hvor fotosyntesen finder sted, fordi fotosyntesen gør vandet mere mættet med calciumcarbonat. Om natten giver fotosyntesen plads til aerob respiration, og det kulstof, der er bundet i planternes væv, returneres til vandet. Men kalkstensdannelse "har næsten ingen registrering" af natten, Maloof sagde, fordi der er meget lidt nedbør. Hvis nedbøren faldt ligeligt i løbet af natten, det gennemsnitlige niveau af kulstof-13 ville være normalt, fordi kulstof-12 ville blive introduceret tilbage til systemet.

denne proces, hævder forskerne, kan kun ske, når vandet er tilstrækkelig lavt og beskyttet på kontinentalsokler og platforme som Bahamas. Den samme daglige proces finder sted i det åbne hav, men bølgernes bevægelse blander sig konstant og bringer nyt vand ind, så kulstof-13 aldrig hæves til sådanne ekstremer.

The particular way Bahamian sediments absorb calcium carbonates from seawater complicates the picture of using ancient limestones to record a global carbon cycle. It can't be assumed that there was a single, uniform process of carbon cycling that characterized the past, Maloof said.

"We're using a modern analog to study the past, " Geyman added, "and the past is the key in many ways to understanding the future."

Geyman currently is pursuing a master's with a focus on glaciology at the University of Tromsø in Arctic Norway as part of a Sachs Global Fellowship from Princeton.

She conducted her Bahamas work as part of her junior and senior independent work at Princeton. An accomplished young scientist, she has already been the recipient of numerous awards and accolades. She received the Peter W. Stroh '51 Environmental Senior Thesis Prize, the Calvin Dodd MacCracken Award from Princeton's School of Engineering and Applied Science and the Edward Sampson 1914 Award for distinguished work in environmental geoscience.

Maloof has high praise for Geyman. "She can do anything, " he said. "Most of the time the really good observers do field work … they're not at the same time computer scientists who can make amazing analyses. And she is both."

Papiret, "A diurnal carbon engine explains 13C-enriched carbonates without increasing the global production of oxygen, " by Emily Geyman and Adam Maloof, was published online Nov. 8 in the Proceedings of the National Academy of Sciences