De Zuidelijke Oceaan speelde een cruciale rol in de snelle toename van kooldioxide in de atmosfeer tijdens de laatste deglaciatie die plaatsvond 20, 000 tot 10, 000 jaar geleden, volgens een nieuw rapport van Boston College geochemist Xingchen (Tony) Wang en een internationaal team in de online editie van wetenschappelijke vooruitgang .

In deze nieuwe studie Wang en zijn co-auteurs analyseerden diepzeekoraalfossielen van 20, 000 tot 10, 000 jaar geleden, toen de atmosferische kooldioxide toenam.

Door de chemische kenmerken van stikstof en koolstof in de koraalfossielen te onderzoeken, de onderzoekers onthulden dat de koolstofvastlegging in de oceaan afnam omdat fytoplankton de macronutriënten die werden geleverd door opwellende stromingen in de Zuidelijke Oceaan niet kon verslinden en koolstofdioxide in de diepe oceaan vasthield.

Naarmate het kooldioxidegehalte in de atmosfeer stijgt als gevolg van menselijke activiteiten - gedomineerd door het verbruik van fossiele brandstoffen - roepen de bevindingen vragen op over het vermogen van de oceaan om de antropogene kooldioxide te absorberen en de gevolgen voor het milieu, inclusief de opwarming van de aarde, stijgende zeespiegel, en vaker bosbranden, volgens Wang.

Voor alle kooldioxide die sinds de industriële revolutie door menselijke activiteiten is uitgestoten, ongeveer 50 procent bleef in de atmosfeer, met ongeveer een kwart geabsorbeerd door de oceaan en ongeveer 25 procent gesekwestreerd door het ecosysteem op het land. Om het lot van antropogene koolstofdioxide in de toekomst beter te kunnen voorspellen, Wang en zijn medewerkers hebben gekeken naar de variaties in atmosferische kooldioxide in het verleden vóór enige significante menselijke activiteiten, vanaf 20, 000 tot 10, 000 jaar geleden toen de aarde uit de laatste ijstijd kwam.

"Een beter begrip van koolstofdioxidevariaties in het verleden biedt belangrijke inzichten in het lot van antropogene koolstofdioxide in de toekomst, " zei Wang, een assistent-professor bij de afdeling Aard- en Milieuwetenschappen.

Door luchtbellen te bestuderen die vastzaten in oud ijs van Antarctica, wetenschappers ontdekten dat de atmosferische kooldioxideconcentratie tijdens de ijstijden ongeveer 30 procent lager was dan het pre-industriële niveau. Dit lagere kooldioxidegehalte stimuleerde de groei van grote ijskappen in Noord-Amerika en koelde de aarde in de ijstijd af. Echter, er zijn sterke discussies geweest over waarom de kooldioxideconcentratie tijdens de ijstijden lager was. In een eerdere studie onder leiding van Wang, hij vond sterke aanwijzingen dat de Zuidelijke Oceaan grotendeels verantwoordelijk was voor de lagere concentraties kooldioxide tijdens de ijstijden.

Fytoplanktongroei in de oceaan, ondersteund door macronutriënten stikstof en fosfor, assimileert koolstofdioxide uit de atmosfeer en zet ze om in organische koolstof. Wanneer deze organismen sterven, hun biomassa zinkt in de diepe oceaan en ontleedt terug tot koolstofdioxide. Dit proces, de "biologische pomp" genoemd, transporteert koolstofdioxide van de atmosfeer en de oceaan aan de oppervlakte naar het donker, diepe oceaan. In de meeste delen van de moderne oceaan, fytoplankton verbruikt alle voedingsstoffen die aan de zonovergoten oceaan worden geleverd en de "biologische pomp" bereikt zijn maximale efficiëntie. Echter, in de Zuidelijke Oceaan, de groei van fytoplankton wordt beperkt door de aanvoer van de belangrijkste voedingsstof ijzer, evenals zonlicht. Als resultaat, grote hoeveelheden stikstof en fosfor in dit oceaangebied, een gemiste kans voor de opslag van kooldioxide in de atmosfeer.

Door de isotopensamenstelling van stikstof in diepzeekoraalfossielen te analyseren, Wang ontdekte dat de biologische pomp in de Zuidelijke Oceaan efficiënter was tijdens de laatste ijstijd, door meer koolstofdioxide uit de atmosfeer op te slaan en zo de concentratie van koolstofdioxide in de atmosfeer te verminderen.

Stikstof heeft twee stabiele isotopen, Stikstof-14 en Stikstof-15, waarbij stikstof-15 ongeveer 0,4 procent van de totale stikstofatomen in de natuur vertegenwoordigt. De kleine variaties in de verhoudingen van stikstof-15 tot stikstof-14 in natuurlijke monsters bevatten nuttige informatie over de kringloop van stikstof in de oceaan. Bijvoorbeeld, wanneer fytoplankton stikstof assimileert om hun biomassa op te bouwen, ze geven de voorkeur aan stikstof-14 boven stikstof-15, stikstof achterlatend die verrijkt is met stikstof-15.

Wang heeft eerder een zeer gevoelige en nauwkeurige methode ontwikkeld om de verhoudingen van de stikstofisotopen in het koraalskelet te meten met een massaspectrometer. Hierdoor kon hij de isotopensamenstelling van stikstof in diepzeekoraalfossielen uit de Zuidelijke Oceaan meten.

"Diepzeekoralen zijn een prachtig archief voor het bestuderen van de geschiedenis van de oceaan. Je kunt ze op veel plaatsen in de diepe oceaan vinden. En hun leeftijd kan heel precies worden bepaald met behulp van radiometrische dateringsmethoden, " zei Tao Li van de Nanjing Universiteit, eerste auteur van de nieuwe studie, getiteld "Snelle verschuivingen in circulatie en biogeochemie van de Zuidelijke Oceaan tijdens deglaciale koolstofcyclusgebeurtenissen."

In deze nieuwe studie Wang en zijn co-auteurs concentreerden zich op goed gedateerde diepzeekoraalfossielen uit 20, 000 tot 10, 000 jaar geleden, toen de atmosferische koolstofdioxide toenam van het ijstijdniveau tot het pre-industriële niveau. De precieze leeftijden van de diepzeekoraalfossielen maakten het mogelijk om de veranderingen in de Zuidelijke Oceaan direct te vergelijken met de koolstofdioxideregistratie uit de ijskernen op Antarctica.

"Als je goed kijkt naar het koolstofdioxide-record tijdens de deglaciatie, je zult zien dat er een paar plotselinge sprongen zijn, " zei Wang. "Elk van deze sprongen is een toename van 10 tot 15 delen per miljoen koolstofdioxide over 100 tot 200 jaar. Dat is behoorlijk snel, maar we begrepen niet helemaal waarom deze sprongen gebeurden."

De nieuwe gegevens van diepzeekoraalfossielen, inclusief stikstofisotopen en radiokoolstof, suggereren dat de Zuidelijke Oceaan ook de primaire oorzaak was van deze snelle kooldioxidesprongen 20, 000-10, 000 jaar geleden. Toen deze snelle koolstofdioxideveranderingen plaatsvonden, de biologische pomp in de Zuidelijke Oceaan was minder efficiënt en de ventilatie van de Zuidelijke Oceaan was sneller, de studie gevonden.

"Echter, het moet worden opgemerkt dat de huidige antropogene koolstofdioxidetoename minstens 10 keer sneller is dan deze natuurlijke snelle koolstofdioxidesprongen tijdens de laatste deglaciatie. We veranderen onze planeet in een ongekend tempo, " zei Wang.

Wang zei dat hij van plan is zijn onderzoek voort te zetten naar variaties in atmosferische kooldioxide in het verleden met behulp van diepzeekoralen.

"Het is heel spannend om diepzeekoralen te verzamelen met op afstand bediende voertuigen, " zei Wang. "We zijn van plan om de Braziliaanse marge te gebruiken voor de volgende fase van ons onderzoek."