Fossiele bladeren uit Afrika hebben een prehistorische klimaatpuzzel opgelost - en bevestigen ook het verband tussen koolstofdioxide in de atmosfeer en het broeikaseffect.

Onderzoek tot nu toe heeft een verscheidenheid aan resultaten en tegenstrijdige gegevens opgeleverd die twijfel hebben gewekt over het verband tussen hoge koolstofdioxidegehalten en klimaatverandering gedurende een tijdsinterval van ongeveer 22 miljoen jaar geleden.

Maar een nieuwe studie heeft aangetoond dat de link inderdaad bestaat voor die prehistorische periode, zeggen onderzoekers van de Southern Methodist University, Dallas.

De bevinding zal wetenschappers helpen begrijpen hoe recente en toekomstige stijgingen van de concentratie van kooldioxide in de atmosfeer de toekomst van onze planeet kunnen beïnvloeden, zeggen de SMU-onderzoekers.

De ontdekking komt van nieuwe biochemische analyses van fossiele bladeren van planten die 27 miljoen jaar geleden en 22 miljoen jaar geleden op aarde groeiden.

De nieuwe analyses bevestigen onderzoek naar het moderne klimaat - dat de mondiale temperatuur stijgt en daalt met toename en afname van koolstofdioxide in onze atmosfeer - maar in dit geval zelfs in de prehistorie, volgens het door de SMU geleide internationale onderzoeksteam.

Kooldioxide is een gas dat normaal in de atmosfeer van de aarde aanwezig is, zelfs miljoenen jaren geleden. Het wordt een broeikasgas genoemd omdat grotere concentraties ervoor zorgen dat de algehele temperatuur van de atmosfeer van de aarde stijgt, zoals in een kas met veel zonlicht.

Onlangs, toename van broeikasgassen heeft geleid tot opwarming van de aarde, die smeltende gletsjers zijn, extreme weersvariabiliteit aanwakkeren en de zeespiegel doen stijgen.

De nieuwe ontdekking van de SMU dat kooldioxide zich miljoenen jaren geleden op dezelfde manier gedroeg als vandaag, heeft belangrijke gevolgen voor de toekomst. De bevinding suggereert dat de combinatie van koolstofdioxide en de opwarming van de aarde die we vandaag zien, ook geldt voor de toekomst als de koolstofdioxideniveaus blijven stijgen zoals ze zijn geweest, zei geoloog Tekie Tesfamichael, hoofdwetenschapper bij het onderzoek.

"Hoe meer we begrijpen over de relatie tussen atmosferische kooldioxideconcentraties en de mondiale temperatuur in het verleden, hoe meer we vooruit kunnen plannen voor veranderingen, " zei Tesfamichael, een SMU postdoctoraal fellow in Earth Sciences.

"Eerder werk rapporteerde een verscheidenheid aan resultaten en tegenstrijdige gegevens over kooldioxideconcentraties in de twee tijdsintervallen die we bestudeerden, "Hij zei. "Maar een strakkere controle op de leeftijd van onze fossielen heeft ons geholpen om na te gaan of de atmosferische kooldioxideconcentratie al dan niet overeenkomt met de opwarming - wat zelf onafhankelijk goed gedocumenteerd is in geochemische studies van zeefossielen in oceaansedimenten."

De onderzoekers rapporteerden hun bevindingen in Geologie , het wetenschappelijke tijdschrift van de Geological Society of America, in het artikel "Het probleem van de 'ontkoppeling' tussen atmosferische kooldioxide en de mondiale temperatuur oplossen:[CO ₂ atm-reconstructies over de opwarmende Paleogeen-Neogeen kloof."

Co-auteurs van SMU's Roy M. Huffington Department of Earth Sciences zijn professoren Bonnie Jacobs, een expert in paleobotanie en paleoklimaat, en Neil Tabor, een expert in sedimentologie en sedimentaire geochemie.

Andere co-auteurs zijn Lauren Michel, Technische Universiteit van Tennessee; Ellen Currano, Universiteit van Wyoming; Mulugeta Feseha, Universiteit van Addis Abeba; Richard Barclay, Smithsonian Instituut; John Kapelleman, Universiteit van Texas; en Mark Schmitz, Staatsuniversiteit van Boise.

ontdekking van zeldzame, goed bewaarde fossiele bladeren maken het vinden mogelijk

De bevindingen waren mogelijk dankzij de zeldzame ontdekking van twee locaties met buitengewoon goed bewaarde fossiele bladeren van bloeiende planten uit de Ethiopische hooglanden van Oost-Afrika.

Zulke goed bewaarde fossiele bladeren zijn een zeldzaamheid, zei Tesfamichael.

"Het vinden van twee sites met grote bewaring in dezelfde geografische regio van twee belangrijke tijdsintervallen was zeer gelukkig, omdat dit ons in staat stelde om de vraag te beantwoorden die we hadden over de relatie tussen de atmosferische kooldioxideconcentratie en de mondiale temperaturen, " hij zei.

Wetenschappers weten dat variaties in de concentratie van koolstofdioxide in de atmosfeer de koolstoffixatie in bladeren tijdens fotosynthese beïnvloeden. Dit zorgt ervoor dat bladeren anatomische en fysiologische veranderingen ontwikkelen, zoals de frequentie en grootte van huidmondjes - de poriën op het oppervlak van een blad waar koolstof doorheen gaat.

Wetenschappers kunnen die eigenschappen meten, onder andere, in fossiele bladeren, zodat bladfossielen kunnen worden gebruikt als proxies voor de atmosferische koolstofdioxidegeschiedenis van de aarde.

De sites die de bladeren voor de SMU-studie produceren, zijn de afgelopen jaren afzonderlijk ontdekt, maar grote fossielencollecties werden geproduceerd door veldwerk gecoördineerd door het SMU-onderzoeksteam en hun co-auteurs, die al jaren meewerken aan dit project.

Het werk is gefinancierd door de National Science Foundation, Het National Geographic Comité voor onderzoek en exploratie, het SMU Ford Fellowship-programma, SMU Onderzoeksraad, het Instituut voor de Studie van de aarde en de mens, en de Dallas Paleontological Society Frank Crane Scholarship.

De fossielen zijn permanent ondergebracht in de collecties van het Nationaal Museum van Ethiopië in Addis Abeba. Institutionele en gouvernementele steun kwam van het Nationaal Museum van Ethiopië, de Autoriteit voor Onderzoek en Behoud van Cultureel Erfgoed, en de Universiteit van Addis Abeba.

Eerdere studies hebben een temperatuurverschil stevig aangetoond

Een van de vindplaatsen dateert uit het late Oligoceen, en de andere naar het vroege Mioceen.

Eerdere studies die de oceaantemperaturen van over de hele wereld voor de twee intervallen hebben gemeten, hebben een duidelijk temperatuurverschil op aarde vastgesteld tussen de twee tijden, met de een veel warmer dan de ander. Dus de SMU-studie probeerde de niveaus van koolstofdioxide voor de twee tijdsperioden te meten.

Voor de SMU-analyses fossiele bladeren van een enkele soort werden verzameld op de 27 miljoen jaar oude late Oligoceen-site. De bladeren waren in de prehistorie afgezet in het gebied van Chilga in het noordwesten van Ethiopië, hoogstwaarschijnlijk aan de oever van een rivier. Het klimaat op aarde was tijdens het late Oligoceen misschien iets warmer dan vandaag, hoewel gletsjers zich vormden op Antarctica. De SMU-studie vond koolstofdioxideniveaus, gemiddeld, ongeveer 390 delen per miljoen, over wat het vandaag de dag op aarde is.

Fossiele bladeren van de 22 miljoen jaar oude soort uit het vroege Mioceen werden verzameld uit oude meerafzettingen, nu een rots genaamd schalie, uit de hedendaagse Mush-vallei in centraal Ethiopië. Het vroege Mioceenklimaat was in die tijd warmer dan het late Oligoceen en eveneens vond de SMU-studie hogere koolstofdioxidegehalten. Atmosferische kooldioxide was ongeveer 870 delen per miljoen, het dubbele van wat het vandaag op aarde is.

De SMU-studie bevestigde een verband tussen koolstofdioxide en temperatuur tijdens het late Oligoceen en het vroege Mioceen.

Paleoklimaatgegevens kunnen helpen het toekomstige klimaat van onze planeet te voorspellen

Hoewel koolstofdioxide niet de enige factor is die het klimaat op aarde of de wereldgemiddelde temperatuur beïnvloedt, het wordt door wetenschappers algemeen beschouwd als een van de belangrijkste. Er is veel bekend over klimaatverandering en opwarming van de aarde, maar er blijven nog steeds vragen.

"Een daarvan is 'Wat is de gevoeligheid van de temperatuur van de aarde voor de kooldioxideconcentratie? Is het erg gevoelig? Is het niet zo gevoelig?' Het schatten van temperatuur en kooldioxideconcentraties voor tijden in het verleden kan helpen bij het vinden van het antwoord op die vraag, Jacobs zei. "Er is veel werk aan het paleoklimaat in het algemeen, maar niet zozeer over de relatie tussen koolstofdioxide en temperatuur."

De bevinding is een belangrijke.

"De hoeveelheid temperatuurverandering tijdens dit interval ligt ongeveer binnen het bereik van de temperatuurverandering die wordt geschat op basis van klimaatmodellen voor onze volgende eeuw, gegeven een verdubbeling van de kooldioxideconcentratie sinds de industriële revolutie, ' zei Jacobs.

Nu het nieuwe model de prehistorische relatie opnieuw bevestigt, wetenschappers kunnen nu gerelateerde vragen bekijken, zei klimaatwetenschapper Lauren Michel, die als postdoctoraal onderzoeker bij SMU aan het onderzoek heeft meegewerkt.

"Vragen beantwoorden over de snelheid van verandering en welke factoren het eerst veranderden, bijvoorbeeld, zal uiteindelijk een duidelijker beeld geven van de klimaatveranderingspatronen van de aarde, "Zei Michel. "Ik denk dat het waardevol is om de relatie tussen broeikasgassen en klimaatfactoren die in het gesteente worden vertegenwoordigd te begrijpen, zodat we een beter idee kunnen hebben van wat we in de toekomst kunnen verwachten en hoe we ons daarop kunnen voorbereiden."

SMU-onderzoek bevestigt verband dat eerdere methoden over het hoofd hebben gezien

Eerdere studies vonden weinig tot geen correlatie tussen temperatuur en koolstofdioxide voor het late Oligoceen en vroege Mioceen. Dat houdt paleoklimaatonderzoekers al minstens een decennium in verwarring.

"We hebben een goed testscenario met deze goed geconserveerde planten uit beide tijdvakken, waar we één keer een plak kennen, met een hoger kooldioxidegehalte, was wereldwijd een warmer klimaat dan het andere, ' zei Tesfamichael.

"Het was een raadsel waarom de vorige methoden geen verband vonden, of een omgekeerde correlatie, " zei hij. "We denken dat het komt door het ontbreken van de goed-gedateerde proxy - zoals onze fossiele bladeren van twee precieze tijden in dezelfde regio - die een betrouwbaar antwoord geven. Of, misschien waren de modellen zelf aan verbetering toe."

Eerdere studies gebruikten methodologieën die verschilden van de SMU-studie, hoewel alle methoden (proxy's) enkele aspecten bevatten van wat bekend is over levende organismen en hoe ze interageren met atmosferisch koolstofdioxide.

Sommige studies zijn gebaseerd op biochemische modellering van de relatie tussen eencellige zeefossielen en atmosferische koolstofdioxide, en anderen vertrouwen op de relatie tussen huidmondjes en atmosferische kooldioxideconcentratie die wordt waargenomen bij de levende verwanten van bepaalde fossiele plantensoorten.

"Elke methode heeft zijn aannames, " zei Tesfamichael. "We zullen zien of onze resultaten stand houden met verdere studies van dit tijdsinterval met dezelfde methodologie die we hebben gebruikt."