Masowe uwalnianie gazów cieplarnianych, prawdopodobnie wywołane przez aktywność wulkaniczną, spowodowało około 56 milionów lat temu okres ekstremalnego globalnego ocieplenia, znany jako paleoceńsko-eoceński maksimum termiczny (PETM). Nowe badanie potwierdza teraz, że PETM był poprzedzony mniejszym epizodem ocieplenia i zakwaszenia oceanów spowodowanych krótszym wzrostem emisji dwutlenku węgla.
Nowe odkrycia, opublikowane 16 marca w Science Advances, wskazują, że ilość węgla uwolniona do atmosfery podczas tego wydarzenia poprzedzającego była mniej więcej taka sama, jak obecna skumulowana emisja dwutlenku węgla ze spalania paliw kopalnych i innej działalności człowieka. W rezultacie krótkotrwałe wydarzenie prekursorowe pokazuje, co może się stać, jeśli obecne emisje można szybko zamknąć, podczas gdy znacznie bardziej ekstremalne globalne ocieplenie PETM pokazuje konsekwencje dalszego uwalniania węgla do atmosfery w obecnym tempie.
„Było to krótkotrwałe beknięcie równoważne temu, co już uwolniliśmy z emisji antropogenicznych” – powiedział współautor James Zachos, profesor nauk o Ziemi i planetologii oraz Ida Benson Lynn z Katedry Zdrowia Oceanów na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Cruz. „Gdybyśmy dzisiaj wyłączyli emisje, węgiel w końcu zmieszałby się w głębinach morskich i jego sygnał zniknąłby, ponieważ zbiornik głębinowy jest tak ogromny”.
Ten proces zajęłby setki lat – długi czas jak na ludzkie standardy, ale krótki w porównaniu z dziesiątkami tysięcy lat, jakie zajęło ziemskiemu systemowi klimatycznemu odzyskanie sił po bardziej ekstremalnym PETM.
Nowe odkrycia opierają się na analizie osadów morskich, które osadzały się w płytkich wodach wzdłuż wybrzeża Atlantyku w Stanach Zjednoczonych i które są obecnie częścią Atlantyckiej Równiny Przybrzeżnej. W czasie PETM poziom mórz był wyższy, a znaczna część Maryland, Delaware i New Jersey była pod wodą. US Geological Survey (USGS) wywiercił rdzenie osadów z tego regionu, które naukowcy wykorzystali do badań.
PETM jest zaznaczony w osadach morskich przez znaczną zmianę składu izotopów węgla i inne dowody dramatycznych zmian w chemii oceanów w wyniku pochłaniania przez ocean dużych ilości dwutlenku węgla z atmosfery. Osady morskie zawierają mikroskopijne muszle maleńkich stworzeń morskich zwanych otwornicami, które żyły w wodach powierzchniowych oceanu. Skład chemiczny tych muszli rejestruje warunki środowiskowe, w których się formowały, i ujawnia dowody na wyższą temperaturę wód powierzchniowych i zakwaszenie oceanów.
Pierwsza autorka, Tali Babila, rozpoczęła badania jako adiunkt pracujący z Zachosem na UC Santa Cruz, a obecnie pracuje na Uniwersytecie Southampton w Wielkiej Brytanii. Nowatorskie metody analityczne opracowane w Southampton umożliwiły naukowcom analizę składu izotopów boru poszczególnych otwornic w celu zrekonstruowania szczegółowego zapis zakwaszenia oceanów. Była to część zestawu analiz geochemicznych, których użyli do zrekonstruowania zmian środowiskowych podczas zdarzenia prekursora i głównego PETM.
„Wcześniej do pomiaru izotopu boru potrzebne były tysiące skamieniałych muszli otwornic. Teraz jesteśmy w stanie przeanalizować pojedynczą muszlę, która ma rozmiar tylko ziarnka piasku” – powiedział Babila.
Dowody na poprzedzające ocieplenie zostały wcześniej zidentyfikowane w osadach z sekcji kontynentalnej w basenie Big Horn w Wyoming i kilku innych miejscach. Nie było jednak jasne, czy był to sygnał globalny, ponieważ nie było go w rdzeniach osadów głębinowych. Zachos powiedział, że ma to sens, ponieważ tempo sedymentacji w głębokim oceanie jest powolne, a sygnał z krótkotrwałego zdarzenia zostałby utracony z powodu mieszania osadów przez żyjące na dnie organizmy morskie.
„Najlepszą nadzieją na zobaczenie sygnału byłyby płytkie baseny morskie, gdzie tempo sedymentacji jest wyższe” – powiedział. „Problem polega na tym, że osadzanie jest epizodyczne, a erozja jest bardziej prawdopodobna. Więc nie ma dużego prawdopodobieństwa jej uchwycenia”.
USGS i inni wiercili liczne rdzenie (lub sekcje) osadów wzdłuż Atlantyckiej Równiny Przybrzeżnej. Naukowcy odkryli, że PETM jest obecny we wszystkich tych sekcjach, a kilka z nich również rejestruje zdarzenie prekursorowe. Nowe badanie skupia się na dwóch odcinkach od Maryland (przy South Dover Bridge i Cambridge-Dover Airport).
„Tutaj mamy pełny sygnał, a kilka innych lokalizacji przechwytuje jego część. Wierzymy, że jest to to samo wydarzenie, które znaleźli w basenie Bighorn” – powiedział Zachos.
Na podstawie swoich analiz zespół doszedł do wniosku, że sygnał prekursora w sekcjach Maryland reprezentuje globalne wydarzenie, które prawdopodobnie trwało kilka stuleci, a być może najwyżej kilka tysiącleci.
Dwa impulsy węglowe – krótkotrwały prekursor i znacznie większe i bardziej długotrwałe emisje dwutlenku węgla, które napędzały PETM – doprowadziły do całkowicie odmiennych mechanizmów i skal czasowych dla odtworzenia cyklu węglowego i systemu klimatycznego Ziemi. Węgiel zaabsorbowany przez wody powierzchniowe podczas zdarzenia poprzedzającego zmieszał się z głębokim oceanem w ciągu mniej więcej tysiąca lat. Emisje węgla podczas PETM przekroczyły jednak zdolność buforową oceanu, a usuwanie nadmiaru węgla zależało od znacznie wolniejszych procesów, takich jak wietrzenie skał krzemianowych przez dziesiątki tysięcy lat.
Zachos zauważył, że istnieją istotne różnice między systemem klimatycznym Ziemi dzisiaj i podczas paleocenu – zwłaszcza obecność polarnych pokryw lodowych, które zwiększają wrażliwość klimatu na ocieplenie cieplarniane.
Oprócz Babili i Zachosa współautorami artykułu są Gavin Foster i Christopher Standish z University of Southampton; Donalda Penmana na Uniwersytecie Stanowym Utah; Monika Doubrawa, Robert Speijer i Peter Stassen z KU Leuven w Belgii; Timothy Bralower z Uniwersytetu Stanowego w Pensylwanii; oraz Marci Robinson i Jean Self-Trail w USGS. Praca ta została częściowo sfinansowana przez Narodową Fundację Nauki.