Microscopische gefossiliseerde schelpen helpen geologen het klimaat op aarde te reconstrueren tijdens het Paleoceen-Eoceen Thermal Maximum (PETM), een periode van abrupte opwarming van de aarde en verzuring van de oceaan die 56 miljoen jaar geleden plaatsvond. Aanwijzingen uit deze oude schelpen kunnen wetenschappers helpen de toekomstige opwarming en verzuring van de oceaan door door de mens veroorzaakte kooldioxide-emissies beter te voorspellen.

Onder leiding van de Northwestern University, de onderzoekers analyseerden schelpen van foraminiferen, een in de oceaan levend eencellig organisme met een uitwendige schaal gemaakt van calciumcarbonaat. Na analyse van de calciumisotoopsamenstelling van de fossielen, de onderzoekers concludeerden dat enorme vulkanische activiteit grote hoeveelheden koolstofdioxide in het aardsysteem injecteerde, opwarming van de aarde en verzuring van de oceaan veroorzaken.

Ze ontdekten ook dat de opwarming van de aarde en de verzuring van de oceaan niet alleen passief de foraminiferen aantasten. De organismen reageerden ook actief door de verkalkingssnelheid te verminderen bij het bouwen van hun schelpen. Naarmate de verkalking vertraagde, de foraminiferen verbruikten minder alkaliteit uit zeewater, die hielpen de toenemende zuurgraad van de oceaan te bufferen.

"De vorming en oplossing van calciumcarbonaat helpen bij het reguleren van de zuurgraad en alkaliteit van zeewater, " zei Andrew Jacobson van Northwestern, een senior auteur van de studie. "Onze calciumisotoopgegevens geven aan dat verminderde foraminiferale calcificatie werkte om de verzuring van de oceaan voor en over het PETM te dempen."

"Dit is een vrij nieuw concept in het veld, " voegde Gabriella Kitch toe, de eerste auteur van de studie. "Eerder, mensen dachten dat alleen het oplossen van carbonaten op de zeebodem de alkaliteit van de oceaan kon verhogen en de effecten van verzuring van de oceaan kon bufferen. Maar we voegen toe aan bestaande onderzoeken die aantonen dat verminderde carbonaatproductie hetzelfde bufferende effect heeft."

Het onderzoek is vorige week (4 maart) online gepubliceerd in het tijdschrift Geologie . Dit is de eerste studie om de calciumisotoopsamenstelling van foraminiferen te onderzoeken om de omstandigheden voor en over het PETM te reconstrueren en de derde recente Noordwestelijke studie om te ontdekken dat oceaanverzuring - als gevolg van vulkanische kooldioxide-emissies - voorafging aan grote prehistorische milieurampen, zoals massa-extincties, oceanische anoxische gebeurtenissen en perioden van intense opwarming van de aarde.

Jacobson is hoogleraar aard- en planeetwetenschappen aan het Weinberg College of Arts and Sciences in Northwestern. Kitch is een Ph.D. kandidaat en National Science Foundation Graduate Research Fellow in het laboratorium van Jacobson. Northwestern Aardwetenschappen professoren Bradley Sageman en Matthew Hurtgen, evenals medewerkers van de University of California-Santa Cruz (UCSC) en de University of Kansas, co-auteur van het papier met Jacobson en Kitch.

Microscopische schelpen sorteren

Om oceanische omstandigheden tijdens PETM te bestuderen, de onderzoekers onderzochten de calciumisotoopsamenstelling van foraminiferenfossielen verzameld op twee locaties - een in de zuidoostelijke Atlantische Oceaan en een in de Stille Oceaan - door het Ocean Drilling Program.

Omdat elke gefossiliseerde schelp ongeveer zo groot is als een enkele zandkorrel, UCSC-onderzoekers verzamelden de kleine exemplaren fysiek door ze eerst onder een microscoop te identificeren. Na het sorteren van de schelpen van bulksedimenten, het Northwestern-team loste de monsters op en analyseerde hun calciumisotoopsamenstelling met behulp van een thermische ionisatiemassaspectrometer.

"Het werk is heel uitdagend, Jacobson zei. "Om deze kleine materialen te manipuleren, je moet ze ophalen, een voor een, met een natte penseelpunt onder een microscoop."

Stress voorafgaand aan PETM

Aangezien de schelpen meer dan 56 miljoen jaar geleden werden gevormd, ze reageerden op oceanische omstandigheden. Door deze schelpen te onderzoeken, het Northwestern-team ontdekte dat de calciumisotoopverhoudingen toenamen vóór het begin van de PETM.

"We kijken naar een groep organismen die hun schelpen hebben gebouwd in een deel van de oceaan, het opnemen van de zeewaterchemie die hen omringt, " zei Kitch. "We denken dat de calciumisotoopgegevens potentiële stress onthullen voorafgaand aan de bekende grens."

Andere archieven geven aan dat het atmosfeer-oceaansysteem vlak voor de PETM een enorme uitstoot van kooldioxide ondervond. Wanneer atmosferisch koolstofdioxide oplost in zeewater, het vormt een zwak zuur dat de vorming van calciumcarbonaat kan remmen. Hoewel het nog niet is vastgesteld, Aardwetenschappers geloven dat de koolstofafgifte hoogstwaarschijnlijk kwam van vulkanische activiteit of trapsgewijze effecten, zoals het vrijkomen van methaanhydraten uit de zeebodem als gevolg van de opwarming van de oceaan.

"Mijn vermoeden is dat het beide factoren zijn of een soort combinatie, "Zei Sageman. "De meeste grote gebeurtenissen in de geschiedenis van de aarde vertegenwoordigen een samenvloeiing van vele actoren die tegelijkertijd samenkomen."

Er ontstaat een consistent patroon

Dit is de derde studie onder leiding van Jacobson om te ontdekken dat verzuring van de oceaan voorafgaat aan grote milieurampen die samenhangen met grote uitbarstingen van stollingsgesteenten. Vorige maand, Het team van Jacobson publiceerde resultaten waarin werd vastgesteld dat vulkanische activiteit een biocalcificatiecrisis veroorzaakte voorafgaand aan een oceaananoxische gebeurtenis die 120 miljoen jaar geleden plaatsvond. Iets meer dan een jaar geleden, Jacobson's team publiceerde een andere studie waarin werd vastgesteld dat oceaanverzuring voorafging aan de asteroïde-inslag die 66 miljoen jaar geleden leidde tot het Krijt-Paleogeen massa-uitstervingsgebeurtenis, waaronder de ondergang van dinosaurussen.

In alle drie de onderzoeken Het team van Jacobson gebruikte in zijn laboratorium geavanceerde hulpmiddelen om de calciumisotoopsamenstelling van calciumcarbonaatfossielen en sediment te analyseren. Jacobson zei dat er een duidelijk patroon aan het ontstaan ​​is. Toevloed van kooldioxide leidde tot opwarming van de aarde en verzuring van de oceaan en, uiteindelijk, tot enorme veranderingen in het milieu.

"In al onze onderzoeken we zien consequent een toename van de calciumisotoopverhoudingen vóór het begin van grote gebeurtenissen of uitstervingshorizonten, "Zei Jacobson. "Dit lijkt te wijzen op vergelijkbare stuurprogramma's en veelvoorkomende reacties."

"Misschien is het calciumisotoopsysteem gevoelig voor de vroegste fasen van deze gebeurtenissen, ' voegde Sageman eraan toe.

Voorspeller voor toekomstige oceaanstress

Veel onderzoekers bestuderen het PETM omdat het de beste analoog biedt voor de huidige, door de mens veroorzaakte opwarming van de aarde. De koolstofinstroom tijdens het PETM is vergelijkbaar met de hoeveelheid koolstof die de afgelopen twee eeuwen is vrijgekomen. de tijdschema's, echter, aanzienlijk verschillen. Temperaturen tijdens de PETM stegen met 5 tot 8 graden Celsius boven 170, 000 jaar. Met door de mens veroorzaakte klimaatverandering, hetzelfde niveau van opwarming zal naar verwachting plaatsvinden in minder dan 200 jaar, als de uitstoot van kooldioxide onverminderd blijft.

beangstigend, terrestrische en oceaanstress, waaronder een grote afname van foraminiferen verkalking, vergezelde de PETM.

"Het PETM is een model voor wat er gebeurt tijdens grote grote verstoringen van de koolstofcyclus, "Zei Jacobson. "Veel voorspellingen voor het toekomstige klimaat van de aarde zijn gebaseerd op het begrijpen van wat er tijdens de PETM is gebeurd."