Мы много знаем о том, как уровни углекислого газа (CO2) могут влиять на изменение климата, но как насчет того, как изменение климата может вызывать колебания CO 2 уровней? Новое исследование международной группы ученых раскрывает один из механизмов, посредством которого более холодный климат сопровождался истощением атмосферы CO2 во время прошлых ледниковых периодов.
Общая цель работы - лучше понять, как и почему Земля подвергается периодическим изменениям климата, что могло бы пролить свет на то, как антропогенные факторы могут влиять на глобальный климат.
Средняя температура Земли естественным образом колебалась примерно от 4 до 5 градусов по Цельсию в течение последнего миллиона лет, поскольку планета сменялась ледниковыми периодами. За это время уровни CO2 в атмосфере Земли колебались примерно от 180 до 280 частей на миллион (ppm) каждые 100 000 лет или около того. (В последние годы антропогенные выбросы углерода увеличили эту концентрацию до более чем 400 частей на миллион.)
Около 10 лет назад исследователи заметили тесную связь между колебаниями уровня CO2 и температуры за последний миллион лет. Когда Земля самая холодная, количество CO2 в атмосфере также самое низкое. Во время последнего ледникового периода, который закончился около 11 000 лет назад, глобальные температуры были на 5 градусов по Цельсию ниже, чем сегодня, а концентрация CO2 в атмосфере составляла 180 ppm.
Используя библиотеку из более чем 10 000 глубоководных кораллов, собранных Джесс Адкинс из Калифорнийского технологического института, международная группа ученых показала, что периоды более холодного климата связаны с более высокой эффективностью фитопланктона и снижением содержания питательных веществ на поверхности. Южного океана (океана, окружающего Антарктику), что связано с увеличением секвестрации углерода в океанских глубинах. Статья об их исследовании появится 13 марта в онлайн-издании Proceedings of the National Academy of Sciences.
Крайне важно понять, почему концентрация CO2 в атмосфере была ниже во время ледниковых периодов. Это поможет нам понять, как океан будет реагировать на продолжающийся антропогенный выброс CO 2 выбросов», - говорит Синчэнь (Тони) Ван, ведущий автор исследования. Ван был аспирантом в Принстоне, когда проводил исследования в лаборатории Дэниела Сигмана, профессора геологических и геофизических наук в Дузенбери. В настоящее время он является научным сотрудником Фонда Саймонса по происхождению жизни в Калифорнийском технологическом институте.
В океане в 60 раз больше углерода, чем в атмосфере, отчасти потому, что океан такой большой. Масса Мирового океана примерно в 270 раз больше массы атмосферы. Таким образом, океан является величайшим регулятором содержания углерода в атмосфере, действуя как поглотитель и источник атмосферного CO2
Биологические процессы являются основной движущей силой поглощения CO2 из атмосферы в океан. Подобно фотосинтезу деревьев и растений на суше, планктон на поверхности моря превращает CO2 в сахара, которые в конечном итоге потребляются другими существами. По мере того, как морские существа, потребляющие эти сахара и содержащийся в них углерод, умирают, они погружаются в океанские глубины, где углерод долгое время изолирован от атмосферы. Этот процесс называется «биологическим насосом».
Здоровая популяция фитопланктона помогает улавливать углерод из атмосферы. Для роста фитопланктону необходимы питательные вещества, в частности азот, фосфор и железо. В большинстве частей современного океана фитопланктон истощает все доступные питательные вещества на поверхности океана, и биологический насос работает с максимальной эффективностью.
Однако в современном Южном океане имеется ограниченное количество железа, а значит, не хватает фитопланктона для полного потребления азота и фосфора в поверхностных водах. Чем меньше живой биомассы, тем меньше может умереть и опуститься на дно, что приводит к уменьшению секвестрации углерода. В настоящее время биологический насос работает не так эффективно, как мог бы теоретически.
Чтобы проследить эффективность биологического насоса за последние 40 000 лет, Эдкинс и его коллеги собрали более 10 000 окаменелостей коралла Desmophyllum dianthus.
Почему коралловый? Две причины: во-первых, по мере своего роста коралл обрастает скелетом вокруг себя, осаждая карбонат кальция (CaCO3) и другие микроэлементы (включая азот) из воды вокруг себя. Этот процесс создает твердую летопись химического состава океана. Во-вторых, кораллы можно точно датировать, используя комбинацию радиоуглеродного и уранового датирования..
«Обнаружение ископаемых кораллов высотой в несколько сантиметров на глубине 2000 метров в океане - нетривиальная задача», - говорит Адкинс, профессор геохимии и глобальных наук об окружающей среде семьи Смитов в Калифорнийском технологическом институте.
Эдкинс и его коллеги собрали кораллы в относительно узком (500 миль) проливе, известном как пролив Дрейка между Южной Америкой и Антарктидой (среди прочих мест). Поскольку Южный океан обтекает Антарктиду, все его воды проходят через эту щель, что делает образцы, собранные Эдкинсом, надежным свидетельством воды во всем Южном океане.
Ванг проанализировал соотношения двух изотопов атомов азота в этих кораллах - азота-14 (14N, наиболее распространенная разновидность атома, с семью протонами и семью нейтронами в ядре) и азота-15 (15N, у которого есть лишний нейтрон). Когда фитопланктон потребляет азот, он предпочитает 14N вместо 15N. В результате существует корреляция между соотношением изотопов азота в тонущем органическом веществе (которое затем поедают кораллы, когда оно падает на морское дно) и тем, сколько азота потребляется на поверхности океана, и, соответственно, эффективностью биологического насоса.
Более высокое количество 15N в ископаемых указывает на то, что в то время биологический насос работал более эффективно. Аналогией может быть мониторинг того, что человек ест дома. Если они едят больше нелюбимой ими пищи, то можно предположить, что количество еды в их кладовой подходит к концу.
Действительно, Ван обнаружил, что более высокие количества 15N присутствовали в окаменелостях, соответствующих последнему ледниковому периоду, что указывает на то, что биологический насос работал более эффективно в то время. Таким образом, данные свидетельствуют о том, что более холодный климат позволяет расти большему количеству биомассы на поверхности Южного океана - вероятно, потому, что в более холодном климате дуют более сильные ветры, которые могут уносить больше железа в Южный океан с континентов. Эта биомасса потребляет углерод, затем умирает и тонет, изолируя его от атмосферы.
Эдкинс и его коллеги планируют продолжить исследование коралловой библиотеки для получения дополнительных сведений о циклах изменений химического состава океана за последние несколько сотен тысяч лет.