Hvordan pladetektonik, bjerge og dybhavssedimenter har opretholdt Jordens Guldlok-klima

I hundreder af millioner af år er jordens klima blevet varmet og afkølet med naturlige udsving i niveauet af kuldioxid (CO₂) i atmosfæren. I løbet af det sidste århundrede har mennesker skubbet CO₂-niveauerne til det højeste i 2 millioner år - ved at overhale naturlige emissioner - for det meste ved at brænde fossile brændstoffer, hvilket forårsager en vedvarende global opvarmning, der kan gøre dele af kloden ubeboelige.

Hvad kan gøres? Som jordforskere ser vi på, hvordan naturlige processer har genbrugt kulstof fra atmosfæren til Jorden og tilbage i fortiden for at finde mulige svar på dette spørgsmål.

Vores nye forskning offentliggjort i Nature , viser, hvordan tektoniske plader, vulkaner, eroderende bjerge og havbundssediment har kontrolleret Jordens klima i den geologiske fortid. Udnyttelse af disse processer kan spille en rolle i at opretholde "Goldilocks"-klimaet, som vores planet har haft.

Fra drivhus til istid

Drivhus- og ishusklimaer har eksisteret i den geologiske fortid. Kridt-drivhuset (som varede fra omkring 145 millioner til 66 millioner år siden) havde atmosfæriske CO₂-niveauer over 1.000 ppm sammenlignet med omkring 420 i dag og temperaturer op til 10℃ højere end i dag.

Men jordens klima begyndte at køle af for omkring 50 millioner år siden under den cenozoiske æra, hvilket kulminerede i et ishusklima, hvor temperaturen faldt til omkring 7℃ køligere end i dag.

Hvad kickstartede denne dramatiske ændring i det globale klima?

Vores mistanke var, at Jordens tektoniske plader var synderen. For bedre at forstå, hvordan tektoniske plader lagrer, bevæger sig og udsender kulstof, byggede vi en computermodel af det tektoniske "kulstoftransportbånd".

Kulstoftransportbåndet

Tektoniske processer frigiver kulstof til atmosfæren ved midterhavets højdedrag – hvor to plader bevæger sig væk fra hinanden – hvilket tillader magma at stige til overfladen og skabe ny havskorpe.

På samme tid, ved havgrave - hvor to plader konvergerer - bliver plader trukket ned og genbrugt tilbage i den dybe Jord. På vej ned fører de kulstof tilbage til Jordens indre, men frigiver også noget CO₂ via vulkansk aktivitet.

Vores model viser, at klimaet i Kridttidens drivhus var forårsaget af meget hurtigt bevægende tektoniske plader, som dramatisk øgede CO₂-emissionerne fra de midterste havrygge.

I overgangen til det cenozoiske ishus-klima aftog den tektoniske pladebevægelse, og vulkanske CO₂-emissioner begyndte at falde. Men til vores overraskelse opdagede vi en mere kompleks mekanisme skjult i transportbåndssystemet, der involverede bjergbygning, kontinental erosion og begravelse af resterne af miskroskopiske organismer på havbunden.

Den skjulte afkølende effekt af at bremse tektoniske plader i cenozoikum

Tektoniske plader sænker farten på grund af kollisioner, som igen fører til bjergbygning, såsom Himalaya og Alperne dannet over de sidste 50 millioner år. Dette burde have reduceret vulkanske CO₂-emissioner, men i stedet viste vores kulstoftransportbåndsmodel øgede emissioner.

Vi sporede deres kilde til kulstofrige dybhavssedimenter, der blev presset nedad for at fodre vulkaner, hvilket øgede CO₂-emissionerne og udlignede effekten af ​​at bremse pladerne.

So what exactly was the mechanism responsible for the drop in atmospheric CO₂?

The answer lies in the mountains that were responsible for slowing down the plates in the first place and in carbon storage in the deep sea.

As soon as mountains form, they start being eroded. Rainwater containing CO₂ reacts with a range of mountain rocks, breaking them down. Rivers carry the dissolved minerals into the sea. Marine organisms then use the dissolved products to build their shells, which ultimately become a part of carbon-rich marine sediments.

As new mountain chains formed, more rocks were eroded, speeding up this process. Massive amounts of CO₂ were stored away, and the planet cooled, even though some of these sediments were subducted with their carbon degassing via arc volcanoes.

Rock weathering as a possible carbon dioxide removal technology

The Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) says large-scale deployment of carbon dioxide removal methods is "unavoidable" if the world is to reach net-zero greenhouse gas emissions.

The weathering of igneous rocks, especially rocks like basalt containing a mineral called olivine, is very efficient in reducing atmospheric CO₂. Spreading olivine on beaches could absorb up to a trillion tons of CO₂ from the atmosphere, according to some estimates.

The speed of current human-induced warming is such that reducing our carbon emissions very quickly is essential to avoid catastrophic global warming. But geological processes, with some human help, may also have their role in maintaining Earth's "Goldilocks" climate.

This study was carried out by researchers from the University of Sydney's EarthByte Group, The University of Western Australia, the University of Leeds and the Swiss Federal Institute of Technology, Zurich using GPlates open access modeling software. This was enabled by Australia's National Collaborative Research Infrastructure Strategy (NCRIS) via AuScope and The Office of the Chief Scientist and Engineer, NSW Department of Industry.