Havene blev stressede forud for pludselige, forhistorisk global opvarmning

Mikroskopiske fossiliserede skaller hjælper geologer med at rekonstruere Jordens klima under det paleocæn-eocæne termiske maksimum (PETM), en periode med brat global opvarmning og havforsuring, der fandt sted for 56 millioner år siden. Ledtråde fra disse ældgamle skaller kan hjælpe videnskabsmænd med bedre at forudsige fremtidig opvarmning og havforsuring drevet af menneskeskabte kuldioxidemissioner.

Ledet af Northwestern University, forskerne analyserede skaller fra foraminiferer, en havboende encellet organisme med en ydre skal lavet af calciumcarbonat. Efter at have analyseret calciumisotopsammensætningen af ​​fossilerne, forskerne konkluderede, at massiv vulkansk aktivitet sprøjtede store mængder kuldioxid ind i jordsystemet, forårsager global opvarmning og havforsuring.

De fandt også ud af, at global opvarmning og havforsuring ikke kun passivt påvirkede foraminiferer. Organismerne reagerede også aktivt ved at reducere forkalkningshastigheden, når de byggede deres skaller. Efterhånden som forkalkningen aftog, foraminifererne forbrugte mindre alkalitet fra havvand, som var med til at buffere at øge havets surhedsgrad.

"Danningen og opløsningen af ​​calciumcarbonat hjælper med at regulere surhedsgraden og alkaliniteten af ​​havvand, " sagde Northwesterns Andrew Jacobson, en seniorforfatter af undersøgelsen. "Vores calciumisotopdata indikerer, at reduceret foraminiferkalcifikation virkede for at dæmpe havforsuring før og på tværs af PETM."

"Dette er et ret nyt koncept på området, " tilføjede Gabriella Kitch, undersøgelsens første forfatter. "Tidligere folk troede, at kun opløsningen af ​​karbonater på havbunden kunne øge havets alkalinitet og dæmpe virkningerne af havforsuring. Men vi tilføjer til eksisterende undersøgelser, der viser, at nedsat carbonatproduktion har samme buffereffekt."

Forskningen blev offentliggjort online i sidste uge (4. marts) i tidsskriftet Geologi . Dette er den første undersøgelse, der undersøger calciumisotopsammensætningen af ​​foraminiferer for at rekonstruere forholdene før og på tværs af PETM og den tredje nylige nordvestlige undersøgelse for at finde ud af, at havets forsuring - på grund af vulkanske kuldioxidemissioner - gik forud for store forhistoriske miljøkatastrofer, såsom masseudryddelser, oceaniske anoxiske begivenheder og perioder med intens global opvarmning.

Jacobson er professor i jord- og planetvidenskab ved Northwesterns Weinberg College of Arts and Sciences. Kitch er ph.d. kandidat og National Science Foundation Graduate Research Fellow i Jacobsons laboratorium. Professorerne i Northwestern Earth Science Bradley Sageman og Matthew Hurtgen, samt samarbejdspartnere fra University of California-Santa Cruz (UCSC) og University of Kansas, skrev avisen sammen med Jacobson og Kitch.

Sortering af mikroskopiske skaller

For at studere oceaniske forhold under PETM, forskerne undersøgte calciumisotopsammensætningen af ​​foraminiferale fossiler indsamlet fra to steder - et i det sydøstlige Atlanterhav og et i Stillehavet - af Ocean Drilling Program.

Fordi hver forstenet skal er omtrent på størrelse med et enkelt sandkorn, UCSC-forskere indsamlede fysisk de små prøver ved først at identificere dem under et mikroskop. Efter sortering af skallerne fra bulk sedimenter, Northwestern-holdet opløste prøverne og analyserede deres calciumisotopsammensætning ved hjælp af et termisk ioniseringsmassespektrometer.

"Arbejdet er meget udfordrende, " sagde Jacobson. "For at manipulere disse små materialer, du skal hente dem, en efter en, med en våd penselspids under et mikroskop."

Stress før PETM

Da skallerne blev dannet for mere end 56 millioner år siden, de reagerede på oceaniske forhold. Ved at undersøge disse skaller, Northwestern-holdet fandt, at calciumisotopforhold steg før starten af ​​PETM.

"Vi ser på en gruppe af organismer, der byggede deres skaller i en del af havet, registrering af havvandskemien omkring dem, " sagde Kitch. "Vi tror, ​​at calciumisotopdata afslører potentiel stress forud for den velkendte grænse."

Andre arkiver indikerer, at atmosfære-ocean-systemet oplevede en massiv kuldioxidfrigivelse umiddelbart før PETM. Når atmosfærisk kuldioxid opløses i havvand, det danner en svag syre, der kan hæmme dannelsen af ​​calciumcarbonat. Selvom det stadig er uafklaret, Jordforskere mener, at kulstoffrigivelsen højst sandsynligt kom fra vulkansk aktivitet eller kaskadevirkninger, såsom frigivelse af metanhydrater fra havbunden som følge af havopvarmning.

"Min mistanke er, at det er begge disse faktorer eller en slags kombination, Sageman sagde. "De fleste store begivenheder i Jordens historie repræsenterer et sammenløb af mange skuespillere, der kommer sammen på samme tid."

Konsistent mønster opstår

Dette er den tredje undersøgelse ledet af Jacobson for at finde ud af, at havforsuring går forud for store miljøkatastrofer, der korrelerer med store vulkanske provinsudbrud. Sidste måned, Jacobsons team offentliggjorde resultater, der fandt, at vulkansk aktivitet udløste en biokalcifikationskrise forud for en anoxisk begivenhed i havet, der fandt sted for 120 millioner år siden. For lidt over et år siden, Jacobsons team offentliggjorde en anden undersøgelse, der fandt, at havforsuring gik forud for asteroidevirkningen, der førte til Kridt-Paleogen-masseudryddelsen for 66 millioner år siden. som omfattede dinosaurernes død.

I alle tre undersøgelser, Jacobsons team brugte sofistikerede værktøjer i sit laboratorium til at analysere calciumisotopsammensætningen af ​​calciumcarbonatfossiler og sediment. Jacobson sagde, at et klart mønster er ved at opstå. Tilstrømning af kuldioxid førte til global opvarmning og havforsuring og, ultimativt, til massive miljøændringer.

"I alle vores undersøgelser, vi ser konsekvent en stigning i calciumisotopforhold før begyndelsen af ​​større begivenheder eller udryddelseshorisonter, " sagde Jacobson. "Dette ser ud til at pege på lignende drivere og fælles svar."

"Måske har calciumisotopsystemet en følsomhed over for de tidligste faser af disse begivenheder, " tilføjede Sageman.

Forudsigelse for fremtidig havstress

Mange forskere studerer PETM, fordi det giver den bedste analoge til nutidens, menneskeskabt global opvarmning. Kulstoftilstrømningen under PETM svarer til mængden af ​​kulstof, der er frigivet i løbet af de sidste to århundreder. Tidsplanerne, imidlertid, afvige væsentligt. Temperaturerne under PETM steg med 5 til 8 grader Celsius over 170, 000 år. Med menneskeskabte klimaændringer, det samme niveau af opvarmning forventes at forekomme om mindre end 200 år, hvis kuldioxidudledningen forbliver uformindsket.

Skræmmende nok, jord- og havstress, herunder et stort fald i foraminiferal forkalkning, ledsaget PETM.

"PETM er en model for, hvad der sker under store store kulstofkredsløbsforstyrrelser, " sagde Jacobson. "Mange forudsigelser for Jordens fremtidige klima er afhængige af at forstå, hvad der skete under PETM."