Okeano termostatas: jūros lygio, fosfatų ir CO2 ryšys

Įsivaizduokite planetinį termostatą, paslėptą jūrų seklumų pakraščiuose. Maži jūros lygio svyravimai jį įjungdavo arba išjungdavo, stumdami jūrų gyvybę, cheminių procesų pusiausvyrą ir galutinį anglies kiekį, likusį šildyti atmosferą. Paprasta? Ne. Elegantiška? Taip.

Mokslininkai iš Syracuse universiteto, Oksfordo universiteto ir bendradarbiai atkūrė priežastinio ryšio grandinę, sujungiančią jūros lygį, fosfatų tiekimą, vandenynų deguonį ir organinės anglies užkasimą — seką, kuri, kaip atrodo, per maždaug 60 milijonų metų padėjo išlaikyti Žemės klimatą gyvybei palankioje zonoje. Naujas darbas, paskelbtas JAV Nacionalinės mokslų akademijos darbuose (PNAS), susieja senas idėjas ir naujus geocheminius įrodymus, atskleisdamas atgalinį ryšį, kurį daug mokslininkų įtarė, bet negalėjo patvirtinti.

Kaip veikė šis paslėptas reguliatorius? Pradėkime nuo fosfatų, maistinės medžiagos, kuri maitina jūrų produktyvumą. Kai jūros lygis kilo ir užtvindydavo plačias kontinentines skyles, didelė dalis fosfatų užsilikdavo sekliose nuosėdose ir niekada nepasiekdavo atviro vandenyno. Mažiau maisto reiškė silpnesnį biologinį produktyvumą, mažiau nusėdančių dalelių ir mažesnį organinių medžiagų kiekį, užkasamą jūros dugne. Vandenynas likdavo palyginti turtingas deguonies, o didesnis anglies dioksido kiekis užsilaikydavo atmosferoje.

Kai jūros lygis krito, kontinentinės skardos susitraukdavo ir daugiau fosfatų pasiekdavo gilesnius vandenis. Planktonas suklestėdavo. Daugiau organinės medžiagos nusileisdavo į dugną. Mikroorganizmai skaidydami šias medžiagas sunaudodavo deguonį ir išplėsdavo mažo deguonies zonas. Tokios mažo deguonies sąlygos mobilizavo papildomus fosfatus iš skardų nuosėdų, aprūpindamos dar daugiau produktyvumo ir didindamos organinės anglies užkasimą. Ciklas sustiprėjo pats savyje. Per geologinį laiką ta užkasta anglis buvo užrakinta po nuosėdomis, šalindama CO2 iš atmosferos.

Siauras jūros lygio langas, maždaug 10 iki 40 metrų virš dabartinio, milijonams metų maksimalizavo organinės anglies užkasimą. Kai jūros lygis stovėjo tame palankiame intervale, mažo deguonies zonos sutapdavo su organiką turtingomis kontinentinėmis skaldomis ir atgalinis ryšys veikė pilnu pajėgumu. Išėjus už šio lango ribų, mechanizmas silpnėjo arba nutrūkdavo.

Komanda patikrino šią idėją prieš ilgametį, kompleksišką archyvą: anglies izotopus, fosforo kaupimosi įrašus gilaus jūros nuosėdose ir palyginti naują deguonies proxy, pagrįstą jodo ir kalcio santykiu mažose foraminiferų lukšteliuose. Zunli Lu laboratorija Syracuse universitete matavo jodo ir kalcio signalą masių spektrometrija, finansuota Nacionalinės mokslo fondo, teikdama tiesiogines užuominas apie deguonies lygius senoviniuose vandenyse. Ros Rickaby, pagrindinė autorė ir profesorė Oksforde, kartu su bendraautoriais šiuos įrašus sujungė į apie 60 milijonų metų naratyvą.

Ši sintezė taip pat atgaivina ankstesnę Christian Bjerrum hipotezę, kuri prieš du dešimtmečius modeliais siūlė jūros lygio, deguonies ir fosfatų ryšį. Tai, kas anksčiau buvo teorinė kilpa, dabar turi empirinį pagrindą. Įrodymai rodo, kad padidėjęs organinės anglies užkasimas jūrų nuosėdose ilgalaikėje CO2 mažėjimo dinamikoje vaidino gerokai didesnį vaidmenį nei daugelis manė.

Žemės praeityje yra ryškių pavyzdžių. Eoceno laikotarpiu, maždaug prieš 56–34 milijonus metų, jūros lygiai buvo neįprastai aukšti. Kontinentinės skardos buvo užtvindytos ir fosfatai užsilikdavo sekliose nuosėdose vietoj to, kad aprūpintų atviro vandenyno produktyvumą. Dėl to vandenynas išliko gerai oksiduotas, organinės anglies užkasimas sumažėjo, o atmosferinis CO2 kaupėsi — receptas, palaikęs planetos sušilimą.

Per pastaruosius dešimtis milijonų metų istorija tampa apie susiaurėjusias galimybes. Kai mažo deguonies zonos migravo gilyn, palankus sutapimas tarp mažo deguonies vandenų ir organika turtingų skaldų tapo vis griežtesnis. Tas susiaurėjimas tikriausiai padėjo stabilizuoti tiek atmosferinį deguonį, tiek anglies dioksidą, sušvelnindamas svyravimus tarp jūrų užkasimo ir atmosferinio kaupimosi ir didindamas klimato sistemos atsparumą.

Tyrimas taip pat grindžiamas kitais Lu grupės darbais, naudojant jodo ir kalcio proxy, kurie anksčiau atskleidė netikėtus senovinių vandenynų oksidacijos modelius, įskaitant epizodus, kai tropiniai vandenys buvo deguoningesni nei šiandien. Kartu šie geocheminiai įrankiai aiškina, kaip vandenyno cheminė sudėtis ir jūros lygis kartu formavo ilgalaikį klimatą.

Ką tai reiškia dabar? Mechanizmas, kurį aprašo tyrėjai, vyko per milijonus metų, tačiau jis pabrėžia, kaip labai tarpusavyje susiję jūros lygis, maistinių medžiagų ciklai ir deguonis reguliuoja anglies balansą. Žmonės sparčiai keičia šiuos santykius — per šiltnaminių dujų sąlygomas jūros lygio kilimą, pakrančių užstatymą, keičiantį nuosėdų ir maistinių medžiagų srautus, ir didžiulę fosforo perskirstymą per žemės ūkį. Praeitis negali būti tiesiogiai perkelta į dabartį, bet suteikia priverstinančią pamoką: vandenyno gebėjimas užkasti anglies priklauso nuo trapios sąlygų derinimo, ir vieno sistemos dalies pakeitimas gali nulemti grandininę reakciją visame procese.

Mokslininkams tolesni žingsniai aiškūs: tikslinti proxy, plėsti įrašus ir modeliuoti, kaip šiuolaikiniai sutrikdymai galėtų aktyvuoti arba nutraukti šį senovinį termostatą. Likusiems skaitytojams išvada labiau apmąstanti nei nurodanti: Žemės klimatu valdė subtilūs, ilgalaikiai jūriniai procesai, ir atpažinus šias nematomas svirčias gali būti esminė sąlyga, jei norime suvokti, kas laukia toliau.