Σε μια εποχή που η κλιματική αλλαγή βρίσκεται στο επίκεντρο του παγκόσμιου ενδιαφέροντος, η επιστήμη στρέφει το βλέμμα της στο παρελθόν για να κατανοήσει τα μυστικά του πλανήτη μας.
Για εκατομμύρια χρόνια, η Γη κατάφερε να διατηρήσει μια αξιοσημείωτη περιβαλλοντική ισορροπία, παρά τις βίαιες αλλαγές που υπέστη. Μια νέα, επαναστατική ανακάλυψη έρχεται τώρα να ρίξει φως στον άγνωστο μηχανισμό που προστατεύει τη ζωή στον πλανήτη.
Επιστήμονες εντόπισαν έναν «κρυφό» μηχανισμό ανάδρασης, ο οποίος ενδέχεται να εξηγεί πώς η Γη ρυθμίζει το κλίμα της εδώ και δεκάδες εκατομμύρια χρόνια. Καθώς η στάθμη της θάλασσας ανέβαινε και κατέβαινε, άλλαζε η ποσότητα των φωσφορικών αλάτων που έφτανε στον ανοιχτό ωκεανό.
Αυτό επηρέαζε τη θαλάσσια ζωή και την ποσότητα του άνθρακα που θάβονταν κάτω από τον πυθμένα της θάλασσας. Αυτή η ταφή απομάκρυνε το διοξείδιο του άνθρακα από την ατμόσφαιρα, συμβάλλοντας στην ψύξη του πλανήτη.
Η Γη φαίνεται να διαθέτει ένα φυσικό σύστημα ελέγχου του κλίματος, το οποίο βοήθησε να διατηρηθεί ο πλανήτης κατοικήσιμος για περισσότερα από 100 εκατομμύρια χρόνια. Οι επιστήμονες γνωρίζουν εδώ και καιρό ότι αυτό το σύστημα υπάρχει, αλλά οι μηχανισμοί πίσω από αυτό παρέμεναν δύσκολο να εξηγηθούν.
Μια νέα έρευνα υποδεικνύει μια σύνδεση που μέχρι πρότινος είχε παραβλεφθεί, ανάμεσα στη στάθμη της θάλασσας και τη διαθεσιμότητα των φωσφορικών αλάτων στον ωκεανό. Οι μεταβολές στην παγκόσμια θερμοκρασία επηρέαζαν το μέγεθος των πολικών παγετώνων, γεγονός που μετέβαλλε τη στάθμη της θάλασσας.
Αυτές οι μετατοπίσεις επηρέαζαν στη συνέχεια την ποσότητα των φωσφορικών αλάτων που έφτανε στον ανοιχτό ωκεανό, την ποσότητα του άνθρακα που θάβονταν στα θαλάσσια ιζήματα και την ποσότητα του διοξειδίου του άνθρακα που παρέμενε στην ατμόσφαιρα. Μαζί, αυτές οι διαδικασίες βοήθησαν να καθοριστεί εάν η Γη γινόταν θερμότερη ή ψυχρότερη κατά τη διάρκεια μεγάλων χρονικών περιόδων.
Η στάθμη της θάλασσας και ο κύκλος του άνθρακα της Γης
Συνεργάτης της νέας μελέτης είναι ο Ζούνλι Λου (Zunli Lu), καθηγητής Γεωεπιστημών και Περιβαλλοντικών Επιστημών στο Κολλέγιο Τεχνών και Επιστημών του Πανεπιστημίου των Συρακουσών (Syracuse University).
Η έρευνα εξετάζει πώς οι μεταβολές στη στάθμη της θάλασσας και στα επίπεδα οξυγόνου των ωκεανών επηρέασαν τη διαθεσιμότητα των φωσφορικών αλάτων και το διοξείδιο του άνθρακα στην ατμόσφαιρα κατά τα τελευταία 60 εκατομμύρια χρόνια. Τα ευρήματα δημοσιεύθηκαν στο επιστημονικό περιοδικό Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
«Γνωρίζουμε ότι το διοξείδιο του άνθρακα στην ατμόσφαιρα μειώθηκε σημαντικά καθώς η Γη ψυχόταν τα τελευταία 60 εκατομμύρια χρόνια, αλλά είχαμε εξαιρετικά περιορισμένη κατανόηση για το πού κατέληξε αυτός ο άνθρακας», αναφέρει σε άρθρο του τμήματός της η επικεφαλής συντάκτρια της μελέτης Ρος Ρίκαμπι (Ros Rickaby), καθηγήτρια Γεωεπιστημών στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης. «Τα αποτελέσματά μας υποδηλώνουν ότι η αυξημένη ταφή οργανικού άνθρακα στα θαλάσσια ιζήματα έπαιξε πολύ πιο σημαντικό ρόλο από ό,τι πιστευόταν μέχρι σήμερα».
Τα φωσφορικά άλατα ως ένας «κρυφός» ρυθμιστής του κλίματος
Στο επίκεντρο της μελέτης βρίσκεται ο φώσφορος και ιδιαίτερα τα φωσφορικά άλατα, ένα θρεπτικό συστατικό που χρειάζονται οι θαλάσσιοι οργανισμοί για να αναπτυχθούν. Οι ερευνητές περιγράφουν τα φωσφορικά άλατα ως ένα μέχρι πρότινος «αόρατο» κομμάτι του κλιματικού παζλ. Όταν η στάθμη της θάλασσας ήταν υψηλή, οι ρηχές υφαλοκρηπίδες κάλυπταν μεγαλύτερη έκταση.
Αυτές οι υφαλοκρηπίδες παγίδευαν τα φωσφορικά άλατα στα παράκτια ιζήματα, αφήνοντας λιγότερα θρεπτικά συστατικά διαθέσιμα στον ανοιχτό ωκεανό. Με λιγότερα φωσφορικά άλατα στο νερό, η θαλάσσια παραγωγικότητα επιβραδυνόταν.
Λιγότεροι οργανισμοί αναπτύσσονταν, λιγότερος οργανικός άνθρακας βυθιζόταν στον πυθμένα της θάλασσας και λιγότερος άνθρακας θάβονταν στα ιζήματα. Τα ωκεάνια νερά γίνονταν επίσης πιο πλούσια σε οξυγόνο, ενώ το διοξείδιο του άνθρακα συσσωρευόταν στην ατμόσφαιρα.Το αποτέλεσμα ήταν ένας θερμότερος πλανήτης.
Η πτώση της στάθμης των θαλασσών πυροδότησε μια ανάδραση άνθρακα
Όταν η στάθμη της θάλασσας έπεφτε, η διαδικασία κινούνταν προς την αντίθετη κατεύθυνση. Καθώς οι υφαλοκρηπίδες συρρικνώνονταν, περισσότερα φωσφορικά άλατα εισέρχονταν στο νερό. Αυτό το επιπλέον θρεπτικό συστατικό υποστήριξε μια έξαρση στη θαλάσσια ζωή. Όταν οι οργανισμοί πέθαιναν, τα υπολείμματά τους βυθίζονταν και αποσυντίθενταν, καταναλώνοντας το οξυγόνο στο γύρω νερό. Με την πάροδο του χρόνου, σχηματίστηκαν στον ωκεανό ζώνες χαμηλού οξυγόνου.
Όταν αυτές οι ζώνες έφτασαν στα πλούσια σε άνθρακα ιζήματα των υφαλοκρηπίδων, ενεργοποίησαν μια ισχυρή διαδικασία ανάδρασης. Το χαμηλό οξυγόνο έκανε τα ιζήματα να απελευθερώνουν ακόμη περισσότερα φωσφορικά άλατα.
Αυτός ο επιπλέον φώσφορος ενθάρρυνε ακόμη μεγαλύτερη θαλάσσια ανάπτυξη, γεγονός που οδήγησε σε μεγαλύτερη ταφή οργανικού άνθρακα στον πυθμένα της θάλασσας. Καθώς απομακρυνόταν περισσότερος άνθρακας από τον ωκεανό και την ατμόσφαιρα, το διοξείδιο του άνθρακα (CO2) στην ατμόσφαιρα μειωνόταν.
«Ο συνάδελφός μας, Κρίστιαν Μπιέρουμ (Christian Bjerrum), μελέτησε τη σύνδεση μεταξύ της στάθμης της θάλασσας, του οξυγόνου των ωκεανών και των φωσφορικών αλάτων με ένα υπολογιστικό μοντέλο πριν από δύο δεκαετίες», αναφέρει ο Λου. «Επιτέλους καταφέραμε να συνθέσουμε τα απαραίτητα γεωλογικά δεδομένα για να ελέγξουμε αυτή την υπόθεση».
Το «ιδανικό σημείο» της στάθμης της θάλασσας για την ταφή του άνθρακα
Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι αυτή η ανάδραση έφτανε στη μέγιστη ισχύ της όταν η στάθμη της θάλασσας βρισκόταν περίπου 10 έως 40 μέτρα πάνω από το σημερινό της επίπεδο. Σε αυτό το «ιδανικό σημείο» της στάθμης της θάλασσας, τα νερά με χαμηλό οξυγόνο συνέπιπταν με τα πλούσια σε οργανική ύλη ιζήματα της υφαλοκρηπίδας.
Αυτός ο συνδυασμός επέτρεπε σε ασυνήθιστα μεγάλες ποσότητες άνθρακα να θαφτούν για εκατομμύρια χρόνια. Η ομάδα συνέκρινε αυτό το μοτίβο με γεωλογικά στοιχεία 60 εκατομμυρίων ετών. Τα δεδομένα περιλάμβαναν αρχεία ισοτόπων άνθρακα, μετρήσεις συσσώρευσης φωσφόρου σε ιζήματα βαθέων υδάτων και μια νεότερη μέθοδο αναλογίας ιωδίου προς ασβέστιο για την ανακατασκευή των επιπέδων οξυγόνου των αρχαίων ωκεανών.
«Διαβάζοντας» το οξυγόνο των αρχαίων ωκεανών
Το εργαστήριο του Λου πραγματοποίησε τις μετρήσεις της αναλογίας ιωδίου προς ασβέστιο. Η μέθοδος αυτή εξετάζει τη χημεία των αρχαίων τρηματοφόρων (foraminifera), μικροσκοπικών θαλάσσιων οργανισμών των οποίων τα υπολείμματα διατηρούνται στα ιζήματα του πυθμένα της θάλασσας.
Η χημική τους σύσταση επιτρέπει στους επιστήμονες να εκτιμήσουν πόσο οξυγόνο υπήρχε στο νερό όταν εκείνα ζούσαν. Τα δείγματα αναλύθηκαν με έναν φασματογράφο μάζας στο Πανεπιστήμιο των Συρακουσών. Το όργανο αυτό χρηματοδοτήθηκε από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών των ΗΠΑ (National Science Foundation).
Γιατί το Ηώκαινο παρέμεινε θερμό
Η Ηώκαινος εποχή, η οποία διήρκεσε περίπου από 56 έως 34 εκατομμύρια χρόνια πριν, αποτελεί ένα σαφές παράδειγμα του τι συνέβη όταν ο μηχανισμός ανάδρασης της ταφής του άνθρακα ήταν σε μεγάλο βαθμό ανενεργός. Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, η στάθμη της θάλασσας ήταν εξαιρετικά υψηλή και οι εκτεταμένες υφαλοκρηπίδες είχαν πλημμυρίσει.
Τα φωσφορικά άλατα παγιδεύτηκαν στα ρηχά ιζήματα, αφήνοντας τον ανοιχτό ωκεανό σχετικά φτωχό σε θρεπτικά συστατικά. Η θαλάσσια παραγωγικότητα παρέμεινε χαμηλότερη, ο ωκεανός έγινε εξαιρετικά οξυγονωμένος και λιγότερος οργανικός άνθρακας θάφτηκε. Με τον μηχανισμό ανάδρασης ουσιαστικά απενεργοποιημένο, το διοξείδιο του άνθρακα συσσωρευόταν στην ατμόσφαιρα και η Γη παρέμεινε θερμή.
Ένα κλιματικό σύστημα που έγινε πιο σταθερό
Οι ερευνητές προτείνουν ότι οι ζώνες όπου συμβαίνει η ταφή του άνθρακα έχουν σταδιακά στενέψει κατά τη διάρκεια του γεωλογικού χρόνου, καθώς τα νερά με χαμηλό οξυγόνο μετακινήθηκαν σε μεγαλύτερα βάθη. Αυτή η μακροπρόθεσμη μετατοπισμένη ισορροπία ενδέχεται να βοήθησε στη σταθεροποίηση τόσο του ατμοσφαιρικού οξυγόνου όσο και του διοξειδίου του άνθρακα.
Οι διακυμάνσεις μεταξύ της ταφής του άνθρακα και της συσσώρευσης άνθρακα στην ατμόσφαιρα έγιναν λιγότερο ακραίες, καθιστώντας το κλιματικό σύστημα της Γης πιο ανθεκτικό στις διαταραχές.
Βασικά συμπεράσματα της μελέτης
Τα φωσφορικά άλατα, ένα απαραίτητο θρεπτικό συστατικό για τη θαλάσσια ζωή, λειτούργησαν ως ένας κρυφός ρυθμιστής του κύκλου του άνθρακα της Γης κατά τα τελευταία 60 εκατομμύρια χρόνια, αν και ο ακριβής ρόλος τους δεν είχε γίνει πλήρως κατανοητός μέχρι σήμερα.
Η στάθμη της θάλασσας επηρέαζε την ποσότητα των φωσφορικών αλάτων που έφτανε στον ανοιχτό ωκεανό. Αυτό ήλεγχε τη θαλάσσια παραγωγικότητα, την ποσότητα του άνθρακα που θάβονταν στα ιζήματα του πυθμένα, καθώς και την ποσότητα του διοξειδίου του άνθρακα που απέμενε στην ατμόσφαιρα.
Ένα «ιδανικό σημείο» της στάθμης της θάλασσας, περίπου 10 έως 40 μέτρα πάνω από τα σημερινά επίπεδα, προκαλούσε την ισχυρότερη ταφή άνθρακα. Αυτή η διαδικασία λειτούργησε ως φυσικό φρένο στην υπερθέρμανση για εκατομμύρια χρόνια και βοήθησε τη Γη να μεταβεί στο σημερινό, πιο ψυχρό κλίμα της.
Η έρευνα περιλάμβανε συνεργάτες από το Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης (Ρίκαμπι και Τόμας Γουντ) και το Πανεπιστήμιο της Κοπεγχάγης (Κρίστιαν Τζ. Μπιέρουμ). Υποστηρίχθηκε από δύο επιχορηγήσεις του Εθνικού Ιδρύματος Επιστημών των ΗΠΑ (NSF).
Τα ευρήματα αυτά έρχονται να προστεθούν σε ένα ευρύτερο σώμα εργασιών του εργαστηρίου του Λου, το οποίο χρησιμοποιεί τη μέθοδο της αναλογίας ιωδίου προς ασβέστιο για την αναπαράσταση των συνθηκών οξυγόνου στους αρχαίους ωκεανούς.
Μια προηγούμενη μελέτη, η οποία δημοσιεύθηκε τον Ιανουάριο στο επιστημονικό περιοδικό Nature Geoscience, χρησιμοποίησε την ίδια τεχνική για να δείξει ότι οι τροπικοί ωκεανοί κατά τη διάρκεια του Προτεροζωικού Μεγααιώνα ήταν πλούσιοι σε οξυγόνο.
Αυτό το μοτίβο ήταν το ακριβώς αντίθετο από αυτό που υπάρχει σήμερα. Οι ερευνητές διαπίστωσαν επίσης ότι ένα πλανητικό σημείο καμπής, εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια πριν, προκάλεσε την πλήρη αναστροφή της παγκόσμιας κατανομής του οξυγόνου.