Merenpinnan salainen termostaatti ja hiilen hautautuminen

Kuvittele planeetan termostaatti, joka on kätketty merten matalille reunavyöhykkeille. Pienet merenpinnan vaihtelut kytkivät sen päälle ja pois, ohjaten merieliötä, kemiallisia prosesseja ja lopulta ilmakehään jäävän hiilen määrää. Yksinkertaista? Ei. Kaunista? Kyllä.

Syracusen yliopiston, Oxfordin yliopiston ja yhteistyökumppaneiden tutkijat ovat rekonstruoineet syy-seuraussuhteiden ketjun, joka yhdistää merenpinnan, fosfaattitarjonnan, merten hapellisuuden ja orgaanisen hiilen hautautumisen — ketjun, joka näyttää auttaneen pitämään Maan ilmastoa elämälle suotuisalla tasolla noin 60 miljoonan vuoden ajan. Uusi työ, julkaistu Proceedings of the National Academy of Sciences -lehdessä, yhdistää vanhoja ideoita ja tuoretta geokemiallista todistusaineistoa paljastaen takaisinkytkennän, jonka monet tutkijat epäilivät mutta eivät voineet todistaa.

Miten tämä näkymätön säätelymekanismi toimi? Aloitetaan fosfaatista, ravinteesta joka ruokkii merituotantoa. Kun merenpinta nousi ja laajat mannerlaatat tulvivat, suuri osa fosfaatista jäi mataliin sedimenteihin eikä koskaan päässyt avomeren ravinnoksi. Vähemmän ravinnetta tarkoitti heikompaa biologista tuotantoa, vähemmän uppoavia hiukkasia ja vähemmän orgaanista ainesta, joka hautautui merenpohjaan. Meri pysyi suhteellisen hyvin hapettuneena ja enemmän hiilidioksidia jäi ilmakehään.

Kun merenpinta laski, mannerlaatat kutistuivat ja enemmän fosfaattia saavutti syvemmät vedet. Plankton kukki. Enemmän orgaanista ainesta vajosi pohjaan. Mikrobien hajottaessa tätä ainesta hapenkulutus kasvoi ja hapettomat vyöhykkeet laajenivat. Hapettomat olosuhteet vapauttivat lisää fosfaattia laattasedimenteistä, mikä ruokkitsi tuotantoa entisestään ja lisäsi orgaanisen hiilen hautautumista. Silmukka vahvisti itseään. Geologisella aikaskaalalla hautautunut hiili lukittui sedimenttien alle, poistaen CO2:ta ilmakehästä.

Kapea merenpinnan ikkuna, noin 10–40 metriä nykyistä korkeammalla, maksimoi orgaanisen hiilen hautautumisen miljoonien vuosien ajan. Kun merenpinta pysyi tässä otollisessa alueessa, hapettomuusvyöhykkeet osuivat yhteen orgaanisilta klinkereiltä rikkaiden mannerlaattojen kanssa ja takaisinkytkentä toimi täysillä. Kun merenpinta poikkesi tästä ikkunasta, mekanismi heikkeni tai pysähtyi.

Tiimi testasi ideaa pitkää ja monimutkaista arkistoa vastaan: hiilen isotooppitiedot, fosforin kertymisen rekisterit syvänmeren sedimenteissä ja suhteellisen uusi happiproksy, joka perustuu jodin ja kalsiumin suhteeseen pienissä foraminifera-kuorissa. Zunli Lu'n laboratorio Syracusen yliopistossa mittasi jodi-kalsium-signaalia massaspektrometrialla, rahoituksenaan National Science Foundation, tarjoten suoria johtolankoja muinaisten vesien happitasoista. Ros Rickaby, pääkirjoittaja ja Oxfordin professori, sekä kirjoittajat punovat nämä tiedot yhteen 60 miljoonan vuoden kertomukseksi.

Tämä synteesi herättää myös uudelleen Christian Bjerrumin kaksi vuosikymmentä sitten esittämän hypoteesin, jossa hän malleilla ehdotti merenpinnan, hapen ja fosfaatin välistä yhteyttä. Mikä oli kerran teoreettinen silmukka, saa nyt empiiriset perusteet. Todisteet viittaavat siihen, että orgaanisen hiilen lisääntynyt hautautuminen merensedimenteissä on vaikuttanut pitkäaikaiseen CO2:n vähenemiseen paljon enemmän kuin monet olivat arvioneet.

Maapallon menneisyydessä on selviä esimerkkejä. Yleensä noin 56–34 miljoonaa vuotta sitten eoseenikaudella merenpinnat olivat poikkeuksellisen korkealla. Mannerlaatat olivat tulvivia ja fosfaatti jäi mataliin kerrostumiin sen sijaan, että se olisi ruokkinnut avomeren tuotantoa. Tämän seurauksena meri pysyi hyvin hapettuneena, orgaanisen hiilen hautautuminen väheni ja ilmakehän CO2 kasvoi — yhdistelmä, joka piti planeetan lämpimänä.

Viimeisten kymmenien miljoonien vuosien aikana tilanne on muuttunut mahdollisuuksien kapenemiseksi. Hapettomuusvyöhykkeet ovat siirtyneet syvemmälle ja otollinen kohtauskohta hapettomien vesien ja orgaanisilta sedimenteiltä rikkaiden laattavyöhykkeiden välillä on kiristynyt. Tämä kapeneminen auttoi todennäköisesti stabiloimaan sekä ilmakehän happea että hiilidioksidia, tasoittaen vuorottelevia vaiheita merenpohjan hautautumisen ja ilmakehään kertymisen välillä ja lisäten ilmastojärjestelmän sitkeyttä.

Tutkimus rakentaa myös Lu:n ryhmän aiemman työn varaan, joka käytti jodi-kalsium -proksya ja paljasti yllättäviä kuvioita muinaisesta merten hapettumisesta, mukaan lukien jaksot, jolloin trooppiset vedet olivat nykyistä paremmin hapettuneita. Nämä geokemialliset työkalut kaventavat kuvaamme siitä, miten merikemia ja merenpinta yhdessä muokkasivat pitkäaikaista ilmastoa.

Mitä tämä merkitsee nykyhetkelle? Tutkijoiden kuvaama mekanismi kehittyi miljoonien vuosien aikana, mutta se korostaa miten tiiviisti merenpinta, ravinnekierto ja happitilanne kytkeytyvät hiilen säätelyyn. Ihmiset muuttavat näitä suhteita nopeasti — kasvihuonekaasujen aiheuttama merenpinnan nousu, rannikon rakentaminen, joka muuttaa sedimentti- ja ravinnevirtoja, sekä fosforin massiivinen uudelleenjakautuminen maatalouden kautta. Menneisyys ei ehkä suoraan toistu nykytilanteessa, mutta se antaa synkän opetuksen: merten kyky hautauttaa hiiltä riippuu herkästä olosuhteiden yhteensovittumisesta, ja yhden osan muuttaminen voi heijastua koko järjestelmään.

Tutkijoille seuraavat askeleet ovat selviä: tarkentaa proksyjä, laajentaa arkistoja ja mallintaa, miten nykyaikaiset häiriöt saattavat aktivoida tai katkaista tämän muinaisen termostaatin. Muille viesti on enemmän pohdiskeleva kuin ohjeistava: Maan ilmastoa ovat ohjanneet hienovaraiset, pitkäkestoiset merelliset prosessit, ja näiden näkymättömien vipujen tunnistaminen voi olla olennaista, jos haluamme ymmärtää, mitä tuleman pitää.