Badając prehistoryczne skały i skamieliny wyłaniające się ze zbocza góry Ashibetsu w Japonii, badacze precyzyjnie ustalili czas i czas trwania zdarzenia beztlenowego oceanu 1a (OAE 1a), ekstremalnego zakłócenia środowiska, które zablokowało tlen w oceanach Ziemi, powodując znaczne wymieranie, zwłaszcza wśród planktonu.
Naukowcy od dawna podejrzewali, że masowe erupcje wulkanów podmorskich spowodowały wzrost poziomu dwutlenku węgla (CO2), globalne ocieplenie i zubożenie tlenu (tzw. anoksję) w oceanie w okresie mezozoiku. Teraz międzynarodowy zespół badaczy, w tym naukowcy zajmujący się Ziemią z Northwestern University, określił dokładny czas erupcji wulkanu i OAE1a, który rozpoczął się 119,5 miliona lat temu. Praca stanowi uzupełnienie rosnącej liczby dowodów na to, że wulkaniczne emisje CO2 bezpośrednio wywołały zjawisko beztlenowe.
Nowe badanie wykazało również, że OAE 1a przetrwał nieco ponad 1,1 miliona lat. Te nowe informacje pomagają naukowcom lepiej zrozumieć, w jaki sposób funkcjonuje ziemski system klimatyczny i oceaniczny oraz jak reaguje na stres – szczególnie w kontekście obecnego ocieplenia.
Wyniki badania opublikowano pod koniec ubiegłego miesiąca w czasopiśmie Science Advances. Jest to najbardziej szczegółowe i wysoce dokładne datowanie zdarzenia związanego z anoksyką oceanu, jakie kiedykolwiek osiągnięto.
„Zdarzenia beztlenowe w oceanach występują częściowo w wyniku ocieplenia klimatu w świecie szklarniowym” – powiedział Brad Sageman z Northwestern, starszy autor badania. „Jeśli chcemy dokonać dokładnych przewidywań na temat tego, co zobaczymy w nadchodzących dziesięcioleciach w związku z ociepleniem spowodowanym przez człowieka, informacje te są bezcenne. Najlepszym sposobem na zrozumienie przyszłości jest spojrzenie na dane z przeszłości”.
Ekspert w dziedzinie starożytnych klimatów, Sageman jest profesorem nauk o Ziemi, Środowisku i Planetarnych w Weinberg College of Arts and Sciences w Northwestern oraz współdyrektorem Instytutu ds. Zrównoważonego Rozwoju i Energii im. Pauli M. Trienens.
Połączenie północno-zachodnie
W okresie kredowym doszło do dwóch głównych i kilku mniejszych zdarzeń beztlenowych w oceanach, przy czym OAE 1a był jednym z dwóch największych. Najbardziej prawdopodobna przyczyna: erupcje wulkanów gwałtownie wstrzyknęły ogromne ilości CO2 do oceanu i atmosfery. Nie są to zwykłe wulkany, ale duże prowincje magmowe, które w ciągu kilku milionów lat wybuchają do miliona kilometrów sześciennych bazaltu. Kiedy CO2 reaguje z wodą morską, tworzy słaby kwas węglowy, który dosłownie rozpuszcza skorupy stworzeń morskich. Kwas w połączeniu z niskim poziomem tlenu ma znaczące konsekwencje dla życia morskiego.
Naukowcy po raz pierwszy zaczęli zastanawiać się nad zjawiskami beztlenowymi w oceanach w połowie lat 70. XX wieku, po odkryciu dokonanym przez geologa z Northwestern Seymoura Schlangera i profesora z Oksfordu Hugh Jenkynsa. Badając próbki osadów z dna Oceanu Spokojnego, Schlanger i Jenkyns odkryli czarne, bogate w węgiel łupki organiczne, które odpowiadały próbkom – pod względem składu i wieku – zarówno z Oceanu Atlantyckiego, jak i formacji skalnych we Włoszech.
Najbardziej prawdopodobnym wyjaśnieniem tych osadów był powszechny brak tlenu. Anoksja zapobiega rozkładowi materii organicznej z martwych roślin i zwierząt, co prowadzi do globalnego wzorca wzbogacania organicznego. Zamiast rozkładać się, osiadający plankton i inne skamieliny gromadziły się, tworząc warstwy organiczne bogate w węgiel rozproszone po całym świecie.
„W jaki sposób czarne łupki tworzyły się jednocześnie w głębokich oceanach i na lądzie?” – zapytał Sageman. „Schlanger i Jenkyns zdali sobie sprawę, że musiało mieć miejsce masowe globalne wydarzenie, które spowodowało zmniejszenie zawartości tlenu z powierzchni oceanu aż do dna morskiego”.
Historia utrwalona w kamieniu
W nowym badaniu naukowcy nie przyglądali się głębinom oceanów, ale starożytnym warstwom wzdłuż północno-zachodniego zbocza góry na japońskiej wyspie Hokkaido. Skały, czyli tufy, powstały z popiołów wulkanicznych, które z czasem osiadły i zestaliły się. Aktywność tektoniczna podniosła te warstwy nad poziom morza podczas formowania się wysp japońskich, pozostawiając je odsłonięte i dostępne tam, gdzie strumienie wcinają się w umiarkowany las deszczowy Hokkaido. Zbierając i analizując tufy, Sageman, jego doktorat. student Luca Podrecca i ich współpracownicy uzyskali wgląd w historię geologiczną.
„Magma wydobywa się z wulkanu w postaci płynnej, a następnie zaczyna stygnąć” – powiedział Sageman. „W trakcie tego procesu zaczynają się tworzyć kryształy. Zanim tuf stwardnieje, kryształy stają się maleńkim, zamkniętym układem. Łączą atomy, a niektóre z tych atomów, np. uran, zaczynają się rozpadać, co oznacza, że przekształcają się z jednego izotopu w innego. Zapewnia to narzędzie do datowania erupcji, a co za tym idzie, konkretnej warstwy w stosie skał osadowych. Podczas gdy wiedza członków zespołu z Uniwersytetu Tohuku w Japonii, Uniwersytetu w Durham w Wielkiej Brytanii i Northwestern skupia się na charakteryzacji i globalnej korelacji warstw, nasi współpracownicy z Uniwersytetu Wisconsin-Madison i Boise State University są ekspertami w analizach geochronologicznych.”
Naukowcy wykorzystali także inne typy izotopów, takie jak węgiel, który śledzi synchroniczne zmiany w obiegu węgla, oraz osm, który śledzi aktywność wulkaniczną i zmiany w chemii oceanów.
„Te systemy izotopów zapewniają narzędzia do korelowania odstępu OAE1a między lokalizacjami na Hokkaido w południowej Francji i innymi miejscami na całym świecie” – powiedział Sageman. „Dają nam znaczniki chwil w czasie geologicznym”.
Określenie dokładnego harmonogramu
Zgodnie z tymi dowodami, nagła zmiana w stosunkach izotopów węgla – spowodowana najpierw wzrostem ilości wulkanicznego CO2 dodanego do obiegu węgla (a później nadmiernym zakopaniem materii organicznej) – miała miejsce we wczesnej kredzie na początku OAE 1a . Jednoczesna zmiana stosunków izotopowych osmu odzwierciedla masowy napływ materiału wulkanicznego do wód oceanicznych. Czas tych wydarzeń odpowiada erupcji kompleksu Ontong Java Nui, ogromnej prowincji magmowej wielkości Alaski, położonej w południowo-zachodniej części Oceanu Spokojnego.
Teraz, gdy badacze wiedzą, że oceanom zajęło 1,1 miliona lat regeneracja po gwałtownym wzroście CO2, mają lepszy wgląd w to, jak długo mogą utrzymywać się skutki ocieplenia spowodowanego CO2 i jakie mogą być powiązane skutki, takie jak anoksja oceaniczna .
„Już widzimy strefy o niskim poziomie tlenu w Zatoce Meksykańskiej” – powiedział Sageman. „Główna różnica polega na tym, że przeszłe wydarzenia trwały od dziesiątek tysięcy do milionów lat. Osiągamy mniej więcej podobny poziom ocieplenia (lub więcej), ale dzieje się to w czasie krótszym niż 200 lat”.