Wanneer wetenschappers het zeer oude geologische verleden van de aarde willen bestuderen - meestal meer dan 100 miljoen jaar geleden - wenden ze zich vaak tot rotsen die carbonaten worden genoemd.

Calciumcarbonaten, de meest voorkomende vormen van carbonaat, zijn mineralen die uit zeewater precipiteren en gelaagde sedimentaire afzettingen vormen op de zeebodem. Ze zijn algemeen bekend als kalksteen. Meer dan 3,5 miljard jaar geschiedenis van de aarde is vastgelegd in carbonaatgesteenten. Veel wetenschappers gebruiken ze om geschiedenissen van klimaatveranderingen en de voorbije wereldwijde koolstofcyclus te reconstrueren, dat wil zeggen:het proces waardoor koolstof tussen de oceanen reist, de atmosfeer, de biosfeer en het vaste gesteente.

"Je kunt veel leren van carbonaten, " zei Emily Geyman, een 2019 Princeton-afgestudeerde in geowetenschappen en de hoofdauteur van een paper gepubliceerd op 8 november in de Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ). Het artikel was het resultaat van Geyman's afstudeeronderzoek waarin ze de chemische samenstelling van carbonaten onderzocht en hoe deze carbonaten de koolstofcyclus vastleggen.

"Het ding dat carbonaten bijzonder nuttig maakt in tegenstelling tot zoiets als zandsteen, "Geyman zei, "is dat het carbonaat direct uit het zeewater wordt neergeslagen, dus het idee is dat de chemie van de carbonaten, die we kunnen meten, zal ons iets vertellen over de oude oceaan."

Maar niet alle carbonaten worden bewaard in het geologische record. Diepzee carbonaten, bijvoorbeeld, worden meestal ondergedompeld, daarom wenden wetenschappers zich vaak tot carbonaten die zich ophopen op ondiepe continentale platen. Het probleem, echter, is dat wetenschappers nog steeds niet genoeg weten over hoe eigenschappen zoals oceaanchemie, oceaan temperatuur, golfenergie en waterdiepte worden vertaald in het ondiepe carbonaatrecord.

Nutsvoorzieningen, echter, onderzoekers van Princeton werken aan een antwoord op deze vraag.

"Niemand had echt gekeken naar het equivalent van deze oude kalkstenen die zich vandaag vormen en de vertaling begrepen, " zei Adam Maloof, een professor in de geowetenschappen die op het papier samenwerkte met Geyman. "Het is alsof je oude teksten probeert te vertalen zonder een Steen van Rosetta. We hadden onze Steen van Rosetta nodig."

Niet alleen vonden de onderzoekers hun Rosetta Stone in de vorm van een vernieuwende hypothese, maar hun bevindingen dagen de conventionele logica uit over het gebruik van carbonaten om eerdere wereldwijde koolstofcycli te reconstrueren.

"Een van de meest voorkomende metingen die we doen van oude carbonaten is de samenstelling van de koolstofisotoop, " zei Geyman. "En we koppelen de koolstofisotoopsamenstelling aan wereldwijde verstoringen in de koolstofcyclus."

Het bestuderen van oude isotopen - verschillende vormen van hetzelfde element - is een sleutel om te begrijpen hoeveel en waarom de wereldwijde koolstofcyclus van de aarde in het verleden is veranderd. Dit is cruciaal omdat de koolstofcyclus fungeert als een thermostaat om de temperatuur op aarde te regelen, zei Maloof. Als we begrijpen hoe deze thermostaat werkt, kunnen we toekomstige klimaatverandering voorspellen.

Hun onderzoek bracht hen naar Andros Island in de Bahama's, een groot en bijna geheel onbewoond eiland gelegen op de Great Bahama Bank.

De Bahama's zijn een geweldige plek om het oude geologische verleden van de aarde te bestuderen. "Gedurende een groot deel van de geschiedenis van de aarde, "Geyman zei, "Veel van het aardoppervlak leek vandaag op de Bahama's."

Het doel was om te begrijpen hoe de chemie van het water de chemie van het gesteente regelt - in feite, hoe koolstofisotopen worden vastgelegd in hedendaagse omgevingen en wat dit zou kunnen zeggen over de afgelopen koolstofcyclus.

"Als je wilt weten hoe de chemie van het zeeniveau en het zeewater in het verleden was door naar oude carbonaten te kijken, "Geyman zei, "je moet naar de moderne analoog gaan en vragen 'nou, hoe ontstaan ​​moderne carbonaten volgens de huidige oceaanchemie en het huidige zeeniveau?""

Wat ze vonden, en wat eerdere studies hebben aangetoond, was dat er iets vreemds aan de hand was in het Bahamaanse sediment. De kalksteen die zich daar vormde, had koolstof-13 die veel te hoog leek in vergelijking met eencellig plankton dat overal in de open oceaan dreef.

Een groot percentage oude carbonaten demonstreert ook dit abnormaal hoge koolstof-13. Als je aanneemt dat dit de mondiale oceaancondities weerspiegelt, Maloof wees erop, "Je zit vast met het maken van drastische conclusies over grote veranderingen in de koolstofcyclus."

In plaats daarvan, Geyman en Maloof bedachten een hypothese die ze de 'dagelijkse koolstofcyclusmotor' noemen. Zoals de naam impliceert, het proces omvat een cyclus van 24 uur. Als de zon overdag schijnt, waterplanten halen koolstof-12 uit het water door het proces van fotosynthese en gebruiken het om plantaardig materiaal te maken. Omdat de planten bij voorkeur koolstof-12 opnemen, de resterende koolstof in het water wordt verrijkt met koolstof-13.

De essentiële component in dit proces is dat kalksteen het snelst wordt gevormd tijdens de piek van de dag waarop fotosynthese plaatsvindt, omdat fotosynthese het water meer verzadigd maakt met calciumcarbonaat. 'S Nachts maakt fotosynthese plaats voor aerobe ademhaling en wordt de koolstof die in het weefsel van de planten is vastgelegd, teruggevoerd naar het water. Maar kalksteenformatie "heeft bijna geen record" van de nacht, Maloof zei, omdat er weinig neerslag valt. Als er gedurende de nacht evenveel neerslag viel, het gemiddelde niveau van koolstof-13 zou normaal zijn omdat koolstof-12 terug in het systeem zou worden geïntroduceerd.

Dit proces, de onderzoekers beweren, kan alleen gebeuren als het water voldoende ondiep en beschermd is op continentale platen en platforms zoals de Bahama's. Hetzelfde dagelijkse proces vindt plaats in de open oceaan, maar de beweging van de golven vermengt zich voortdurend en brengt nieuw water aan, zodat koolstof-13 nooit tot zulke extremen wordt verheven.

The particular way Bahamian sediments absorb calcium carbonates from seawater complicates the picture of using ancient limestones to record a global carbon cycle. It can't be assumed that there was a single, uniform process of carbon cycling that characterized the past, Maloof said.

"We're using a modern analog to study the past, " Geyman added, "and the past is the key in many ways to understanding the future."

Geyman currently is pursuing a master's with a focus on glaciology at the University of Tromsø in Arctic Norway as part of a Sachs Global Fellowship from Princeton.

She conducted her Bahamas work as part of her junior and senior independent work at Princeton. An accomplished young scientist, she has already been the recipient of numerous awards and accolades. She received the Peter W. Stroh '51 Environmental Senior Thesis Prize, the Calvin Dodd MacCracken Award from Princeton's School of Engineering and Applied Science and the Edward Sampson 1914 Award for distinguished work in environmental geoscience.

Maloof has high praise for Geyman. "She can do anything, " he said. "Most of the time the really good observers do field work … they're not at the same time computer scientists who can make amazing analyses. And she is both."

De krant, "A diurnal carbon engine explains 13C-enriched carbonates without increasing the global production of oxygen, " by Emily Geyman and Adam Maloof, was published online Nov. 8 in the Proceedings van de National Academy of Sciences