Onderzoekers van de Universiteit van Syracuse kijken naar het geologische verleden om toekomstige projecties over klimaatverandering te maken.

Christopher K. Junium, universitair docent Aardwetenschappen aan de Hogeschool voor de Kunsten en Wetenschappen (A&S), is de hoofdauteur van een studie die de stikstofisotopische samenstelling van sedimenten gebruikt om veranderingen in de mariene omstandigheden te begrijpen tijdens het Paleoceen-Eoceen Thermal Maximum (PETM) - een korte periode van snelle opwarming van de aarde, ongeveer 56 miljoen jaar geleden.

Junium's team, waaronder Benjamin T. Uveges G'17, een doctoraat kandidaat in A&S, en Alexander J. Dickson, een docent geochemie aan Royal Holloway aan de Universiteit van Londen - heeft een artikel over het onderwerp gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Hun onderzoek richt zich op de oude Tethys-oceaan (plaats van de huidige Middellandse Zee) en biedt een maatstaf voor huidige en toekomstige klimaat- en oceaanmodellen.

"Het stikstofisotooprecord toont aan dat zuurstofvrije [anoxische] omstandigheden snel begonnen bij het begin van de PETM, de manier waarop belangrijke voedingsstoffen veranderen, zoals stikstof, werden gerecycled, " zegt Junius, een sedimentaire en organische geochemicus. "De omvang van deze stikstofisotopenverschuiving is vergelijkbaar met die waargenomen tijdens snelle opwarmingsintervallen in het Mesozoïcum [252 miljoen tot 66 miljoen jaar geleden], toen grote delen van de Tethys en de Atlantische Oceaan zuurstofloos raakten, onder het oppervlakte.

dergelijke uitputting, bekend als deoxygenatie, veroorzaakte Oceanic Anoxic Events (OAE's) in de oostelijke Tethys tijdens het Mesozoïcum. Wetenschappers geloven dat OAE's samenvielen met snelle veranderingen in het oude klimaat en de oceaancirculatie van de aarde - veranderingen die worden gekenmerkt door een instroom van koolstofdioxide uit perioden van intens vulkanisme.

"Hoewel de exacte oorzaak van PETM een onderwerp van actief debat is, we zijn er zeker van dat krachtige broeikasgassen, waaronder kooldioxide en methaan, bijgedragen aan de algemene opwarming, ' zegt Junum.

Het lot van de Tethys-oceaan en de gebieden eromheen tijdens de PETM is het onderwerp geweest van veel speculatie door paleoklimatologen, met name Dickson, die er uitgebreid over heeft geschreven. Hij en Junium zijn ervan overtuigd dat een arsenaal aan factoren, waaronder oceaanverzuring, intense regenval en verwering op het land, en een toestroom van voedingsstoffen (bijv. stikstof, fosfor en zwavel) uit rivierafvoeren - vormen de basis voor deoxygenatie. Vergelijkbaar met wat er vandaag gebeurt.

"Kust-mariene systemen zijn mogelijk kwetsbaarder voor OAE-achtige omstandigheden dan eerder werd gedacht, ", zegt Junium. "Dit is vooral het geval in gesloten bassins, zoals de Oostzee, of in de buurt van grote riviersystemen, inclusief de Mississippi, die grote invloeden van antropogene activiteit zien. ... De uitzetting van zuurstofarm water, vooral tijdens de zomermaanden, heeft gevolgen voor mariene gemeenschappen, evenals degenen die afhankelijk zijn van kustgebieden voor voedselbronnen, commerciële visserij of recreatie."

Op basis van gegevens uit het oude Kheu-riviersysteem in het zuiden van Rusland, Junium en zijn collega's hebben bevestigd dat de stikstofcyclus van de oostelijke Tethys een "grote reorganisatie" heeft ondergaan tijdens de PETM. "Verstoringen van de stikstofcyclus kunnen wijdverbreide gevolgen hebben, " zegt Junius, verwijzend naar het proces waarbij stikstof van de ene vorm in de andere verandert, terwijl het door de atmosfeer circuleert, de terrestrische en mariene ecosystemen. "Stikstof is van cruciaal belang voor het leven op aarde."

Het onderzoek van de groep gaat een stap verder. Variaties in stikstofisotoopgegevens van de Kheu suggereren afleveringen waarin anoxische omstandigheden versoepelden, waardoor zuurstof zich in de waterkolom mengt.

"De overgang tussen zuurstofvrije en zuurstofarme omstandigheden in de Tethys-oceaan tijdens het PETM heeft mogelijk omstandigheden gecreëerd die een verhoogde productie van lachgas bevorderden, een krachtig broeikasgas gemaakt door microben bij zeer lage zuurstofconcentraties, Junium zegt. "Het bestuderen van omstandigheden die de productie van lachgas [tijdens de PETM] bevorderden, stelt ons in staat om huidige en toekomstige aardsysteemmodellen te kalibreren. Opwarming is meer dan alleen verhoogde concentraties koolstofdioxide."

Lachgas biedt een interessant, zij het een speculatieve draai aan het onderzoek van de groep, omdat het gas niet rechtstreeks kan worden gemeten in oud gesteente. "Ik denk dat we kunnen pleiten om erachter te komen of de omstandigheden tijdens het PETM een verhoogde productie bevorderden, ' zegt Junum.

Dickson is het daarmee eens, eraan toevoegend dat de loutere suggestie van lachgas dat bijdraagt ​​​​aan het broeikaseffect tijdens het PETM "fascinerend" is.

"Evenementen zoals de PETM zijn enkele van de beste geologische analogen die we hebben voor een warmere wereld. En toch, voor jaren, een bevredigende verklaring van hoe de klimatologische drijfveren van deze oude gebeurtenissen op elkaar inwerkten om het niveau van waargenomen opwarming te produceren, is klimaatmodelleraars ontgaan, ", zegt Dickson. "De suggestie van een lachgas-feedback op klimaatopwarming voegt een nieuwe laag van intriges toe aan deze discussie en benadrukt de rol die een veranderende stikstofcyclus zou kunnen hebben op onze toekomstige aarde."

Junium denkt dat zijn team op de goede weg is. Aangezien kooldioxideconcentraties gevaarlijk de 400 delen per miljoen naderen (niveaus die in drie miljoen jaar niet zijn waargenomen), ze zijn zich ervan bewust dat de opwarming zal blijven toenemen. De ecologische en maatschappelijke implicaties kunnen enorm zijn.

Navigeren op dergelijk terrein, Juni zegt, vereist betere modelgebaseerde voorspellingen voor de opwarming van de aarde.

"Inderdaad, er zijn hiaten in ons begrip tussen de modelwerelden en de fossiele werelden. Het verleden stelt ons in staat om modellen te testen en aan te scherpen waarop toekomstige projecties zijn gebaseerd. Het helpt ons ook te bepalen welke processen ontbreken in onze huidige aardsysteemmodellen, " zegt hij. "Deze dingen samen helpen ons te begrijpen en ons voor te bereiden op wat er aan de horizon ligt.