Dybhavskoraller afslører hemmeligheder om hurtig stigning i kuldioxid, da den sidste istid sluttede

Det sydlige Ocean spillede en afgørende rolle i den hurtige atmosfæriske kuldioxidstigning under den sidste deglaciation, der fandt sted 20. 000 til 10, 000 år siden, ifølge en ny rapport fra Boston College geokemiker Xingchen (Tony) Wang og et internationalt team i online-udgaven af Videnskabens fremskridt .

I denne nye undersøgelse, Wang og hans medforfattere analyserede dybhavskoralfossiler fra 20. 000 til 10, 000 år siden, da atmosfærisk kuldioxid var på vej op.

Ved at undersøge de kemiske signaturer af nitrogen og kulstof i koralfossilerne, forskerne afslørede, at havets kulstofbinding faldt, da fytoplankton ikke fortærede makronæringsstoffer leveret af opstrømmende strømme i det sydlige ocean og fange kuldioxid i det dybe hav.

Da atmosfæriske kuldioxidniveauer stiger på grund af menneskelige aktiviteter - domineret af fossilt brændstofforbrug - rejser resultaterne spørgsmål om havets evne til at absorbere den menneskeskabte kuldioxid og de miljømæssige konsekvenser, herunder global opvarmning, stigende havniveauer, og hyppigere naturbrande, ifølge Wang.

For al den kuldioxid, der er udledt af menneskelige aktiviteter siden den industrielle revolution, omkring 50 procent opholdt sig i atmosfæren, med cirka en fjerdedel absorberet af havet og cirka 25 procent sekvestreret af økosystemet på land. For bedre at forudsige skæbnen for menneskeskabt kuldioxid i fremtiden, Wang og hans samarbejdspartnere har set på de tidligere variationer i atmosfærisk kuldioxid før nogen væsentlige menneskelige aktiviteter, fra 20, 000 til 10, 000 år siden, da Jorden var på vej ud af den sidste istid.

"En klarere forståelse af kuldioxidvariationer i fortiden giver vigtig indsigt i skæbnen for menneskeskabt kuldioxid i fremtiden, " sagde Wang, en adjunkt ved Institut for Jord- og Miljøvidenskab.

Ved at studere luftbobler fanget i gammel is fra Antarktis, forskere lærte, at den atmosfæriske kuldioxidkoncentration under istiderne var omkring 30 procent lavere end det førindustrielle niveau. Dette lavere kuldioxidniveau fremmede væksten af ​​store iskapper i Nordamerika og afkølede istidens Jord. Imidlertid, der har været stærke debatter om, hvorfor kuldioxidkoncentrationen var lavere under istiderne. I en tidligere undersøgelse ledet af Wang, han fandt stærke beviser, der tyder på, at det sydlige ocean i høj grad var ansvarlig for de lavere koncentrationer af kuldioxid under istiderne.

Planteplanktonvækst i havet, understøttet af makronæringsstoffer nitrogen og fosfor, assimilerer kuldioxid fra atmosfæren og omdanner dem til organisk kulstof. Når disse organismer dør, deres biomasse synker ned i det dybe hav og nedbrydes tilbage til kuldioxid. denne proces, kaldet den "biologiske pumpe", overfører kuldioxid fra atmosfæren og overfladehavet til mørket, dybe hav. I de fleste dele af det moderne hav, fytoplankton forbruger alle de næringsstoffer, der tilføres det solbeskinnede hav, og den "biologiske pumpe" når sin maksimale effektivitet. Imidlertid, i det sydlige ocean, fytoplanktonvækst er begrænset af tilførslen af ​​det vigtigste næringsstof jern, samt sollys. Som resultat, store mængder nitrogen og fosfor er tilbage i denne havregion, repræsenterer en spildt mulighed for atmosfærisk kuldioxidbinding.

Ved at analysere den isotopiske sammensætning af nitrogen i dybhavskoralfossiler, Wang fandt ud af, at den biologiske pumpe i det sydlige ocean var mere effektiv under den sidste istid, udskille mere kuldioxid fra atmosfæren og dermed reducere koncentrationen af ​​atmosfærisk kuldioxid.

Nitrogen har to stabile isotoper, Nitrogen-14 og Nitrogen-15, med nitrogen-15, der repræsenterer cirka 0,4 procent af de samlede nitrogenatomer i naturen. De små variationer i forholdet mellem nitrogen-15 og nitrogen-14 i naturlige prøver indeholder nyttige oplysninger om kvælstoffets kredsløb i havet. For eksempel, når fytoplankton assimilerer nitrogen for at opbygge deres biomasse, de foretrækker nitrogen-14 frem for nitrogen-15, efterlader nitrogen, der er beriget med nitrogen-15.

Wang har tidligere udviklet en meget følsom og præcis metode til at måle forholdet mellem nitrogenisotoperne i korallers skelet med et massespektrometer. Denne evne har givet ham mulighed for at måle den isotopiske sammensætning af nitrogen i dybhavskoralfossiler fra det sydlige ocean.

"Dybhavskoraller er et vidunderligt arkiv til at studere havets historie. Du kan finde dem mange steder i det dybe hav. Og deres alder kan kendes meget præcist ved hjælp af radiometriske dateringsmetoder, " sagde Nanjing Universitys Tao Li, første forfatter til den nye undersøgelse, med titlen "Hurtige skift i cirkulation og biogeokemi i det sydlige Ocean under deglaciale kulstofcyklusbegivenheder."

I denne nye undersøgelse, Wang og hans medforfattere fokuserede på veldaterede dybhavskoralfossiler fra 20. 000 til 10, 000 år siden, da den atmosfæriske kuldioxid var stigende fra istidsniveauet til det førindustrielle niveau. De præcise aldre af dybhavskoralfossilerne gjorde det muligt direkte at sammenligne ændringerne i Sydhavet med kuldioxidregistreringen fra iskernerne i Antarktis.

"Hvis man ser nøje på kuldioxid-rekorden under afglaciationen, du vil se, at der er et par pludselige hop, " sagde Wang. "Hvert af disse hop er en 10-15 dele-per-million kuldioxid stigning over 100 til 200 år. Det er ret hurtigt, men vi forstod ikke helt, hvorfor disse spring skete."

De nye data fra dybhavskoralfossiler, herunder nitrogenisotoper og radiocarbon, tyder på, at det sydlige ocean også var den primære årsag til disse hurtige kuldioxidspring 20, 000-10, 000 år siden. Da disse hurtige kuldioxidændringer skete, den biologiske pumpe i det sydlige ocean var mindre effektiv, og udluftningen af ​​det sydlige ocean var hurtigere, undersøgelsen fandt.

"Imidlertid, det skal bemærkes, at den nuværende menneskeskabte stigning i kuldioxid er mindst 10 gange hurtigere end disse naturlige hurtige kuldioxidspring under den sidste deglaciation. Vi ændrer vores planet med en hidtil uset hastighed, " sagde Wang.

Wang sagde, at han planlægger at fortsætte sin forskning i tidligere atmosfæriske kuldioxidvariationer ved hjælp af dybhavskoraller.

"Det er meget spændende at samle dybhavskoraller ved hjælp af fjernbetjente køretøjer, " sagde Wang. "Vi planlægger at gå den brasilianske margin for den næste fase af vores forskning."