Geologer producerer en ny tidslinje for Jordens paleozoiske klimaændringer

Temperaturen på en planet er forbundet med den mangfoldighed af liv, den kan understøtte. MIT -geologer har nu rekonstrueret en tidslinje for Jordens temperatur i den tidlige paleozoiske æra, mellem 510 og 440 millioner år siden-en afgørende periode, hvor dyr blev rigelige i en tidligere mikrobedomineret verden.

I en undersøgelse, der i dag vises i Procedurer fra National Academy of Sciences , forskerne kortlægger fald og toppe i den globale temperatur under den tidlige paleozoikum. De rapporterer, at disse temperaturvariationer falder sammen med planetens skiftende livsmangfoldighed:Varmere klimaer favoriserede mikrobielt liv, der henviser til, at køligere temperaturer tillod flere forskellige dyr at blomstre.

Den nye rekord, mere detaljeret end tidligere tidslinjer for denne periode, er baseret på teamets analyse af carbonatslam-en almindelig kalksten, der dannes fra carbonatrige sedimenter, der er aflejret på havbunden og komprimeret over hundreder af millioner af år.

"Nu hvor vi har vist, at du kan bruge disse carbonatslam som klimaregistreringer, der åbner døren for at se tilbage på hele denne anden del af Jordens historie, hvor der ikke er fossiler, når folk ikke rigtig ved meget om, hvad klimaet var, "siger hovedforfatter Sam Goldberg, en kandidatstuderende i MIT's Department of Earth, Atmosfærisk, og planetariske videnskaber (EAPS).

Goldbergs medforfattere er Kristin Bergmann, D. Reid Weedon, Jr. Karriereudviklingsprofessor i EAPS, sammen med Theodore Present af Caltech og Seth Finnegan fra University of California i Berkeley.

Ud over fossiler

For at estimere Jordens temperatur for mange millioner år siden, forskere analyserer fossiler, i særdeleshed, rester af gamle afskallede organismer, der udfældede fra havvand og enten voksede på eller sank til havbunden. Når der opstår nedbør, temperaturen på det omgivende vand kan ændre skallernes sammensætning, ændring af de relative mængder af to isotoper af ilt:oxygen-16, og oxygen-18.

"Som et eksempel, hvis carbonat udfælder ved 4 grader Celsius, mere ilt-18 ender i mineralet, fra den samme udgangssammensætning af vand, [sammenlignet med] carbonat, der udfælder ved 30 grader Celsius, "Forklarer Bergmann." Så, forholdet mellem ilt -18 og -16 stiger, når temperaturen afkøles. "

På denne måde, forskere har brugt gamle carbonatskaller til at spore temperaturen på det omgivende havvand - en indikator for Jordens overordnede klima - på det tidspunkt, hvor skallerne først udfældede. Men denne tilgang har kun taget forskere indtil nu, indtil de tidligste fossiler.

"Der er omkring 4 milliarder år med Jordens historie, hvor der ikke var skaller, og så giver skaller os kun det sidste kapitel, "Siger Goldberg.

Et sammenklumpet isotopsignal

Den samme udfældende reaktion i skaller forekommer også i carbonatslam. Men geologer antog, at isotopbalancen i carbonatslam ville være mere sårbar over for kemiske ændringer.

"Folk har ofte overset mudder. De troede, at hvis du prøver at bruge det som en temperaturindikator, du ser muligvis ikke på den oprindelige havtemperatur, hvor den dannede sig, men temperaturen på en proces, der fandt sted senere, da mudderet blev begravet en kilometer under overfladen, "Siger Goldberg.

For at se, om carbonatslam kan bevare signaturer af deres oprindelige omgivende temperatur, holdet brugte "sammenklumpet isotopgeokemi, "en teknik, der bruges i Bergmanns laboratorium, som analyserer sedimenter til klumpning, eller parring, af to tunge isotoper:oxygen-18 og carbon-13. Sandsynligheden for, at disse isotoper parres i karbonatslam, afhænger af temperaturen, men er upåvirket af den havkemi, hvor mudderne dannes.

Kombination af denne analyse med traditionelle oxygenisotopmålinger giver yderligere begrænsninger for de betingelser, som en prøve oplever mellem dens oprindelige dannelse og nutiden. Teamet begrundede, at denne analyse kunne være en god indikation på, om carbonatslam forbliver uændret i sammensætning siden dannelsen. I forlængelse heraf, dette kan betyde, at ilt -18 til -16 forholdet i nogle mudder nøjagtigt repræsenterer den oprindelige temperatur, hvor klipperne dannede sig, gør det muligt at bruge dem som klimarekord.

Op og nedture

Forskerne testede deres idé på prøver af carbonatslam, som de ekstraherede fra to steder, en på Svalbard, en skærgård i Ishavet, og den anden i det vestlige Newfoundland. Begge steder er kendt for deres udsatte klipper, der går tilbage til den tidlige paleozoiske æra.

I 2016 og 2017, hold rejste først til Svalbard, derefter Newfoundland, at indsamle prøver af carbonatslam fra lag med aflejret sediment, der strækker sig over en periode på 70 millioner år fra midten af ​​Cambrian, da dyrene begyndte at blomstre på jorden, gennem de ordoviciske perioder i den paleozoiske æra.

Da de analyserede prøverne for sammenklumpede isotoper, de fandt ud af, at mange af klipperne havde oplevet lidt kemisk ændring siden deres dannelse. De brugte dette resultat til at kompilere klippernes oxygenisotopforhold fra 10 forskellige tidlige paleozoiske steder til at beregne de temperaturer, hvormed klipperne dannede sig. Temperaturerne beregnet fra de fleste af disse steder lignede tidligere publicerede fossile temperaturregistre med lavere opløsning. Til sidst, de kortlagde en tidslinje for temperaturen under den tidlige paleozoikum og sammenlignede dette med fossilrekorden fra den periode, at vise, at temperaturen havde en stor effekt på mangfoldigheden af ​​liv på planeten.

"Vi fandt ud af, at da det var varmere i slutningen af ​​den kambriske og tidlige Ordovicier, der var også et højdepunkt i mikrobiel overflod, ”Siger Goldberg.” Derfra afkøledes det at gå ind i midten til sent ordovicium, når vi ser rigelige dyrefossiler, før en betydelig istid slutter Ordovicium. Tidligere kunne folk kun observere generelle tendenser ved hjælp af fossiler. Fordi vi brugte et materiale, der er meget rigeligt, vi kunne oprette en rekord med højere opløsning og kunne se mere klart definerede op- og nedture. "

Teamet søger nu at analysere ældre mudder, går tilbage før dyrenes udseende, at måle Jordens temperaturændringer forud for 540 millioner år siden.

"For at gå tilbage ud over 540 millioner år siden, vi er nødt til at kæmpe med carbonatslam, fordi de virkelig er en af ​​de få rekorder, vi skal begrænse klimaet i en fjern fortid, ”Siger Bergmann.