In de afgelopen 540 miljoen jaar, de aarde heeft vijf massale uitstervingsgebeurtenissen doorstaan, elk met processen die de normale cyclus van koolstof door de atmosfeer en oceanen op zijn kop zetten. Deze wereldwijd fatale verstoringen in koolstof ontvouwden zich elk gedurende duizenden tot miljoenen jaren, en vallen samen met de wijdverbreide uitroeiing van mariene soorten over de hele wereld.

De vraag voor veel wetenschappers is of de koolstofcyclus nu een significante schok ervaart die de planeet zou kunnen doen kantelen naar een zesde massale uitsterving. In de moderne tijd, de uitstoot van kooldioxide is sinds de 19e eeuw gestaag gestegen, maar het was een uitdaging om te ontcijferen of deze recente piek in koolstof tot massale uitsterving zou kunnen leiden. Dat komt vooral omdat het moeilijk is om oude koolstofanomalieën te relateren, die zich in de loop van duizenden tot miljoenen jaren voordoen, aan de verstoringen van vandaag, die in iets meer dan een eeuw hebben plaatsgevonden.

Nu Daniël Rothman, hoogleraar geofysica aan het MIT Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences en co-directeur van MIT's Lorenz Center, heeft significante veranderingen in de koolstofcyclus van de afgelopen 540 miljoen jaar geanalyseerd, inclusief de vijf massale uitstervingsgebeurtenissen. Hij heeft "drempels van catastrofe" in de koolstofcyclus geïdentificeerd die, indien overschreden, zou leiden tot een onstabiele omgeving, en uiteindelijk, massa uitsterving.

In een paper gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , hij stelt voor dat massa-extinctie optreedt als een van de twee drempels wordt overschreden:voor veranderingen in de koolstofcyclus die plaatsvinden over lange tijdschalen, uitstervingen zullen volgen als die veranderingen sneller plaatsvinden dan mondiale ecosystemen zich kunnen aanpassen. Voor koolstofstoringen die plaatsvinden over kortere tijdschalen, het tempo van veranderingen in de koolstofcyclus doet er niet toe; in plaats daarvan, de grootte of omvang van de verandering zal de waarschijnlijkheid van een uitstervingsgebeurtenis bepalen.

Door deze redenering in de tijd voort te zetten, Rothman voorspelt dat, gezien de recente stijging van de uitstoot van kooldioxide over een relatief korte tijdspanne, een zesde uitsterving zal afhangen van het al dan niet toevoegen van een kritische hoeveelheid koolstof aan de oceanen. Die hoeveelheid, hij berekent, is ongeveer 310 gigaton, waarvan hij schat dat het ongeveer gelijk is aan de hoeveelheid koolstof die menselijke activiteiten tegen het jaar 2100 aan de oceanen van de wereld zullen hebben toegevoegd.

Betekent dit dat massale uitsterving binnenkort zal volgen rond de eeuwwisseling? Rothman zegt dat het enige tijd zou duren - ongeveer 10, 000 jaar - voordat dergelijke ecologische rampen zich voordoen. Echter, hij zegt dat tegen 2100 de wereld misschien in "onbekend gebied" is beland.

"Dit wil niet zeggen dat er de volgende dag een ramp plaatsvindt, " zegt Rothman. "Het zegt dat, indien niet aangevinkt, de koolstofcyclus zou verhuizen naar een rijk dat niet langer stabiel zou zijn, en zou zich gedragen op een manier die moeilijk te voorspellen zou zijn. In het geologische verleden, dit soort gedrag wordt geassocieerd met massale uitsterving."

Geschiedenis volgt theorie

Rothman had eerder werk gedaan aan het uitsterven aan het eind van het Perm, de meest ernstige uitsterving in de geschiedenis van de aarde, waarin een enorme puls van koolstof door het systeem van de aarde was betrokken bij het uitroeien van meer dan 95 procent van de mariene soorten wereldwijd. Vanaf dat moment, gesprekken met collega's spoorden hem aan om na te denken over de waarschijnlijkheid van een zesde uitsterving, een essentiële vraag stellen:

"Hoe kun je deze grote gebeurtenissen in het geologische verleden echt vergelijken, die zich voordoen over zulke enorme tijdschalen, naar wat er vandaag aan de hand is, wat is op zijn langst eeuwen?' zegt Rothman. 'Dus ik ging op een zomerdag zitten en probeerde na te denken over hoe je dit systematisch zou kunnen aanpakken.'

Uiteindelijk leidde hij een eenvoudige wiskundige formule af op basis van fysische basisprincipes die de kritische snelheid en omvang van verandering in de koolstofcyclus relateert aan de tijdschaal die snelle en langzame verandering scheidt. Hij veronderstelde dat deze formule zou moeten voorspellen of massa-extinctie, of een ander soort wereldwijde catastrofe, zou moeten gebeuren.

Rothman vroeg toen of de geschiedenis zijn hypothese volgde. Door honderden gepubliceerde geochemie-papers te doorzoeken, hij identificeerde 31 gebeurtenissen in de afgelopen 542 miljoen jaar waarin een significante verandering plaatsvond in de koolstofcyclus van de aarde. Voor elk evenement, inclusief de vijf massale uitstervingen, Rothman merkte de verandering in koolstof op, uitgedrukt in het geochemische record als een verandering in de relatieve abundantie van twee isotopen, koolstof-12 en koolstof-13. Hij noteerde ook de tijdsduur waarin de veranderingen plaatsvonden.

Vervolgens bedacht hij een wiskundige transformatie om deze hoeveelheden om te zetten in de totale hoeveelheid koolstof die tijdens elke gebeurtenis aan de oceanen werd toegevoegd. Eindelijk, hij zette zowel de massa als de tijdschaal van elke gebeurtenis uit.

"Het werd duidelijk dat er een kenmerkende veranderingssnelheid was waar het systeem eigenlijk niet graag aan voorbij wilde gaan, ' zegt Rothman.

Met andere woorden, hij observeerde een gemeenschappelijke drempel waar de meeste van de 31 gebeurtenissen onder leken te blijven. Hoewel deze gebeurtenissen aanzienlijke veranderingen in koolstof met zich meebrachten, ze waren relatief goedaardig - niet genoeg om het systeem in de richting van een catastrofe te destabiliseren. In tegenstelling tot, vier van de vijf massa-extincties lagen boven de drempel, waarbij de meest ernstige uitsterving aan het einde van het Perm het verst over de grens is.

"Toen werd het een kwestie van uitzoeken wat het betekende, ' zegt Rothman.

Een verborgen lek

Bij verdere analyse, Rothman ontdekte dat de kritieke snelheid voor een catastrofe gerelateerd is aan een verborgen proces in de natuurlijke koolstofcyclus van de aarde. De cyclus is in wezen een lus tussen fotosynthese en ademhaling. Normaal gesproken, er is een "lek" in de cyclus, waarin een kleine hoeveelheid organische koolstof naar de oceaanbodem zinkt en, overuren, wordt begraven als sediment en afgezonderd van de rest van de koolstofcyclus.

Rothman ontdekte dat de kritische snelheid gelijk was aan de snelheid van overmatige productie van kooldioxide die het gevolg zou zijn van het dichten van het lek. Eventuele extra koolstofdioxide die in de cyclus wordt geïnjecteerd, kan niet door de lus zelf worden beschreven. Een of meer andere processen zouden in plaats daarvan de koolstofcyclus in onstabiel gebied hebben gebracht.

Vervolgens stelde hij vast dat de kritische snelheid alleen geldt buiten de tijdschaal waarop de mariene koolstofcyclus zijn evenwicht kan herstellen nadat deze is verstoord. Vandaag, deze tijdschaal is ongeveer 10, 000 jaar. Voor veel kortere evenementen, de kritische drempel is niet langer gebonden aan de snelheid waarmee koolstof aan de oceanen wordt toegevoegd, maar aan de totale massa van de koolstof. Beide scenario's zouden een overmaat aan koolstof achterlaten die door de oceanen en de atmosfeer circuleert, waarschijnlijk resulterend in opwarming van de aarde en verzuring van de oceaan.

De eeuw is de limiet

Van de kritische snelheid en de evenwichtstijdschaal, Rothman berekende dat de kritische massa van koolstof voor de moderne tijd ongeveer 310 gigaton is.

Vervolgens vergeleek hij zijn voorspelling met de totale hoeveelheid koolstof die tegen het jaar 2100 aan de oceanen van de aarde was toegevoegd. zoals geprojecteerd in het meest recente rapport van het Intergouvernementeel Panel inzake klimaatverandering. De IPCC-projecties beschouwen vier mogelijke routes voor de uitstoot van kooldioxide, variërend van een die verband houdt met streng beleid om de uitstoot van kooldioxide te beperken, naar een ander gerelateerd aan het grote aantal scenario's zonder beperkingen.

Het beste scenario voorspelt dat de mens tegen 2100 300 gigaton koolstof aan de oceanen zal toevoegen, terwijl in het ergste geval meer dan 500 gigaton zal worden toegevoegd, de kritische drempel ruimschoots overschreden. In alle scenario's, Rothman laat zien dat tegen 2100, de koolstofcyclus zal dicht bij of ver boven de drempel voor catastrofe zijn.

"Er moeten manieren zijn om [de uitstoot van koolstofdioxide] terug te dringen, "zegt Rothman. "Maar dit werk geeft redenen aan waarom we voorzichtig moeten zijn, en het geeft meer redenen om het verleden te bestuderen om het heden te informeren."