Vi vet mycket om hur koldioxidnivåer (CO2) kan driva på klimatförändringar, men hur är det med hur klimatförändringar kan orsaka fluktuationer i CO2-nivåer? Ny forskning från ett internationellt team av forskare avslöjar en av de mekanismer genom vilka ett kallare klimat åtföljdes av utarmad atmosfärisk CO2 under tidigare istider.

Det övergripande målet med arbetet är att bättre förstå hur och varför jorden går igenom periodiska klimatförändringar, som skulle kunna belysa hur konstgjorda faktorer kan påverka det globala klimatet.

Jordens medeltemperatur har naturligt fluktuerat med cirka 4 till 5 grader Celsius under de senaste miljoner åren när planeten har cyklat in och ut ur glaciationsperioder. Under tiden, jordens atmosfäriska CO2-nivåer har fluktuerat mellan ungefär 180 och 280 miljondelar (ppm) var 100, 000 år eller så. (Under de senaste åren, Människoskapade koldioxidutsläpp har ökat den koncentrationen upp till över 400 ppm.)

För cirka 10 år sedan, forskare märkte en nära överensstämmelse mellan fluktuationerna i CO2-nivåer och i temperatur under de senaste miljoner åren. När jorden är som kallast, mängden CO2 i atmosfären är också som lägst. Under den senaste istiden, som slutade omkring 11, 000 år sedan, den globala temperaturen var 5 grader Celsius lägre än de är idag, och atmosfäriska CO2-koncentrationer var 180 ppm.

Använda ett bibliotek med fler än 10, 000 djuphavskoraller samlade av Caltechs Jess Adkins, ett internationellt team av forskare har visat att perioder av kallare klimat är förknippade med högre växtplanktoneffektivitet och en minskning av näringsämnen i ytan av södra oceanen (havet som omger Antarktis), vilket är relaterat till en ökning av kolbindningen i djuphavet. En artikel om deras forskning visas veckan den 13 mars i onlineupplagan av Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Det är avgörande att förstå varför atmosfärens CO2-koncentration var lägre under istiderna. Detta kommer att hjälpa oss att förstå hur havet kommer att reagera på pågående antropogena CO2-utsläpp, " säger Xingchen (Tony) Wang, huvudförfattare till studien. Wang var en doktorand vid Princeton när han utförde forskningen i Daniel Sigmans labb, Dusenbury professor i geologiska och geofysiska vetenskaper. Han är nu Simons Foundations postdoktor i livets ursprung vid Caltech.

Det finns 60 gånger mer kol i havet än i atmosfären – delvis för att havet är så stort. Massan av världshaven är ungefär 270 gånger större än atmosfärens. Som sådan, havet är den största regulatorn av kol i atmosfären, fungerar som både en sänka och en källa för atmosfärisk CO2.

Biologiska processer är den huvudsakliga drivkraften för CO2-absorption från atmosfären till havet. Precis som att fotosyntetisera träd och växter på land, Plankton vid havsytan förvandlar CO2 till sockerarter som så småningom konsumeras av andra varelser. När havsdjuren som konsumerar dessa sockerarter – och kolet de innehåller – dör, de sjunker till det djupa havet, där kolet är låst borta från atmosfären under lång tid. Denna process kallas den "biologiska pumpen".

En frisk population av växtplankton hjälper till att låsa bort kol från atmosfären. För att trivas, växtplankton behöver näringsämnen – särskilt, kväve, fosfor, och järn. I de flesta delar av det moderna havet, växtplankton utarmar alla tillgängliga näringsämnen i ythav, och den biologiska pumpen arbetar med maximal effektivitet.

Dock, i det moderna södra oceanen, det finns en begränsad mängd järn – vilket gör att det inte finns tillräckligt med växtplankton för att helt förbruka kvävet och fosforn i ytvattnet. När det finns mindre levande biomassa, det finns också mindre som kan dö och sjunka till botten – vilket resulterar i en minskning av kolbindningen. Den biologiska pumpen fungerar för närvarande inte så effektivt som den teoretiskt skulle kunna.

För att spåra effektiviteten hos den biologiska pumpen under de senaste 40, 000 år, Adkins och hans kollegor samlade in mer än 10, 000 fossiler av korallen Desmophyllum dianthus.

Varför koraller? Två skäl:för det första, när den växer, korallen samlar ett skelett runt sig, fäller ut kalciumkarbonat (CaCO3) och andra spårämnen (inklusive kväve) ur vattnet runt den. Den processen skapar ett stenigt register över havets kemi. Andra, koraller kan dateras exakt med en kombination av radiokol- och urandatering.

"Hitta några centimeter höga fossila koraller 2, 000 meter djupt i havet är ingen trivial uppgift, säger Adkins, Smits familjeprofessor i geokemi och global miljövetenskap vid Caltech.

Adkins och hans kollegor samlade koraller från den relativt smala (500 mil) klyftan som kallas Drake Passage mellan Sydamerika och Antarktis (bland annat). Eftersom södra oceanen flyter runt Antarktis, alla dess vatten rinner genom det gapet - vilket gör att proverna Adkins samlade in en robust registrering av vattnet i hela södra oceanen.

Wang analyserade förhållandena mellan två isotoper av kväveatomer i dessa koraller - kväve-14 (14N, den vanligaste varianten av atomen, med sju protoner och sju neutroner i kärnan) och kväve-15 (15N, som har en extra neutron). När växtplankton förbrukar kväve, de föredrar 14N till 15N. Som ett resultat, det finns en korrelation mellan förhållandet mellan kväveisotoper i sjunkande organiskt material (som korallerna sedan äter när det faller till havsbotten) och hur mycket kväve som förbrukas i ytan på havet – och, i förlängningen, den biologiska pumpens effektivitet.

En högre mängd 15N i fossilerna tyder på att den biologiska pumpen fungerade mer effektivt vid den tiden. En analogi skulle vara att övervaka vad en person äter i sitt hem. Om de äter mer av sin mindre omtyckta mat, då kan man anta att mängden mat i deras skafferi håller på att ta slut.

Verkligen, Wang fann att högre mängder av 15N fanns i fossiler motsvarande den senaste istiden, vilket indikerar att den biologiska pumpen fungerade mer effektivt under den tiden. Som sådan, bevisen tyder på att kallare klimat tillåter mer biomassa att växa i södra oceanen – troligen eftersom kallare klimat upplever starkare vindar, som kan blåsa ut mer järn i södra oceanen från kontinenterna. Att biomassa förbrukar kol, dör sedan och sjunker, låsa den borta från atmosfären.

Adkins och hans kollegor planerar att fortsätta undersöka korallbiblioteket för ytterligare information om cyklerna av havskemiska förändringar under de senaste flera hundra tusen åren.

Studien har titeln "Djuphavskorallbevis för lägre nitratkoncentrationer på södra oceanens yta under den senaste istiden."