We weten veel over hoe koolstofdioxide (CO2) niveaus klimaatverandering kunnen stimuleren, maar hoe zit het met de manier waarop klimaatverandering fluctuaties in CO2-niveaus kan veroorzaken? Nieuw onderzoek van een internationaal team van wetenschappers onthult een van de mechanismen waardoor een kouder klimaat gepaard ging met uitgeputte atmosferische CO2 tijdens voorbije ijstijden.

Het algemene doel van het werk is om beter te begrijpen hoe en waarom de aarde periodieke klimaatverandering doormaakt, die licht zouden kunnen werpen op hoe door de mens veroorzaakte factoren het mondiale klimaat kunnen beïnvloeden.

De gemiddelde temperatuur op aarde is in de loop van de afgelopen miljoen jaar van nature met ongeveer 4 tot 5 graden Celsius fluctuerend terwijl de planeet in en uit ijstijden is gefietst. Gedurende die tijd, de atmosferische CO2-niveaus van de aarde schommelden elke 100 tussen ongeveer 180 en 280 delen per miljoen (ppm), 000 jaar of zo. (In recente jaren, door de mens veroorzaakte koolstofemissies hebben die concentratie opgedreven tot meer dan 400 ppm.)

Ongeveer 10 jaar geleden, onderzoekers merkten een nauwe overeenkomst op tussen de fluctuaties in CO2-niveaus en in temperatuur over de afgelopen miljoen jaar. Als de aarde het koudst is, de hoeveelheid CO2 in de atmosfeer is ook het laagst. Tijdens de laatste ijstijd, die omstreeks 11 uur eindigde, 000 jaar geleden, mondiale temperaturen waren 5 graden Celsius lager dan nu, en atmosferische CO2-concentraties waren 180 ppm.

Met behulp van een bibliotheek van meer dan 10, 000 diepzeekoralen verzameld door Caltech's Jess Adkins, een internationaal team van wetenschappers heeft aangetoond dat perioden van koudere klimaten geassocieerd zijn met een hogere fytoplankton-efficiëntie en een vermindering van voedingsstoffen in het oppervlak van de Zuidelijke Oceaan (de oceaan rond Antarctica), die verband houdt met een toename van koolstofvastlegging in de diepe oceaan. Een paper over hun onderzoek verschijnt in de week van 13 maart in de online editie van de Proceedings van de National Academy of Sciences .

"Het is van cruciaal belang om te begrijpen waarom de atmosferische CO2-concentratie tijdens de ijstijden lager was. Dit zal ons helpen begrijpen hoe de oceaan zal reageren op de voortdurende antropogene CO2-emissies, " zegt Xingchen (Tony) Wang, hoofdauteur van de studie. Wang was een afgestudeerde student aan Princeton terwijl hij het onderzoek deed in het laboratorium van Daniel Sigman, Dusenbury hoogleraar geologische en geofysische wetenschappen. Hij is nu een Simons Foundation Postdoctoral Fellow on the Origins of Life bij Caltech.

Er zit 60 keer meer koolstof in de oceaan dan in de atmosfeer, deels omdat de oceaan zo groot is. De massa van de oceanen van de wereld is ongeveer 270 keer groter dan die van de atmosfeer. Als zodanig, de oceaan is de grootste regulator van koolstof in de atmosfeer, fungeren als zowel een gootsteen als een bron voor atmosferisch CO2.

Biologische processen zijn de belangrijkste aanjager van de CO2-opname van de atmosfeer naar de oceaan. Net zoals het fotosynthetiseren van bomen en planten op het land, plankton aan de oppervlakte van de zee zet CO2 om in suikers die uiteindelijk door andere wezens worden geconsumeerd. Terwijl de zeedieren die deze suikers consumeren - en de koolstof die ze bevatten - sterven, ze zinken naar de diepe oceaan, waar de koolstof lange tijd van de atmosfeer wordt opgesloten. Dit proces wordt de 'biologische pomp' genoemd.

Een gezonde populatie fytoplankton helpt koolstof uit de atmosfeer te houden. Om te gedijen, fytoplankton heeft voedingsstoffen nodig, met name stikstof, fosfor, en ijzer. In de meeste delen van de moderne oceaan, fytoplankton put alle beschikbare voedingsstoffen in de oceaan aan de oppervlakte uit, en de biologische pomp werkt op maximale efficiëntie.

Echter, in de moderne Zuidelijke Oceaan, er is een beperkte hoeveelheid ijzer, wat betekent dat er niet genoeg fytoplankton is om de stikstof en fosfor in het oppervlaktewater volledig op te nemen. Als er minder levende biomassa is, er is ook minder dat kan afsterven en naar de bodem zinken, wat resulteert in een afname van de koolstofvastlegging. De biologische pomp werkt momenteel niet zo efficiënt als theoretisch zou kunnen.

Om de efficiëntie van de biologische pomp over de afgelopen 40 jaar te volgen, 000 jaar, Adkins en zijn collega's verzamelden meer dan 10, 000 fossielen van het koraal Desmophyllum dianthus.

Waarom koraal? Twee redenen:ten eerste, naarmate het groeit, koraal bouwt een skelet om zich heen, het neerslaan van calciumcarbonaat (CaCO3) en andere sporenelementen (inclusief stikstof) uit het water eromheen. Dat proces creëert een rotsachtig verslag van de chemie van de oceaan. Tweede, koraal kan nauwkeurig worden gedateerd met behulp van een combinatie van radiokoolstof- en uraniumdatering.

"Een paar centimeter hoge fossiele koralen vinden 2, 000 meter diep in de oceaan is geen triviale taak, " zegt Adkins, Smits Family hoogleraar Geochemie en Global Environmental Science aan Caltech.

Adkins en zijn collega's verzamelden koraal uit de relatief smalle (500 mijl) kloof die bekend staat als de Drake Passage tussen Zuid-Amerika en Antarctica (onder andere plaatsen). Omdat de Zuidelijke Oceaan rond Antarctica stroomt, al zijn wateren stromen door die opening, waardoor de monsters die Adkins verzamelde een robuuste registratie van het water in de Zuidelijke Oceaan maakte.

Wang analyseerde de verhoudingen van twee isotopen van stikstofatomen in deze koralen - stikstof-14 (14N, de meest voorkomende variëteit van het atoom, met zeven protonen en zeven neutronen in de kern) en stikstof-15 (15N, die een extra neutron heeft). Wanneer fytoplankton stikstof verbruikt, ze geven de voorkeur aan 14N tot 15N. Als resultaat, er is een correlatie tussen de verhouding van stikstofisotopen in zinkend organisch materiaal (dat de koralen vervolgens opeten als het op de zeebodem valt) en hoeveel stikstof wordt verbruikt in de oppervlakte-oceaan - en, door verlenging, het rendement van de biologische pomp.

Een hogere hoeveelheid 15N in de fossielen geeft aan dat de biologische pomp op dat moment efficiënter werkte. Een analogie zou zijn om te controleren wat een persoon thuis eet. Als ze meer van hun minder geliefde voedsel eten, dan zou men kunnen aannemen dat de hoeveelheid voedsel in hun voorraadkast bijna op is.

Inderdaad, Wang ontdekte dat grotere hoeveelheden 15N aanwezig waren in fossielen die overeenkomen met de laatste ijstijd, wat aangeeft dat de biologische pomp in die tijd efficiënter werkte. Als zodanig, het bewijs suggereert dat koudere klimaten meer biomassa laten groeien in de Zuidelijke Oceaan aan de oppervlakte - waarschijnlijk omdat koudere klimaten sterkere winden ervaren, die vanuit de continenten meer ijzer in de Zuidelijke Oceaan kan blazen. Dat biomassa koolstof verbruikt, dan sterft en zinkt, het weg te sluiten van de atmosfeer.

Adkins en zijn collega's zijn van plan door te gaan met het onderzoeken van de koraalbibliotheek voor meer details over de cycli van veranderingen in de oceaanchemie in de afgelopen honderdduizenden jaren.

De studie is getiteld "Bewijs uit diepzeekoraal voor lagere nitraatconcentraties in de Zuidelijke Oceaan tijdens de laatste ijstijd."