Forskare har funnit att bildandet och upplösningen av superkontinenter under hundratals miljoner år styr vulkaniska koldioxidutsläpp. Resultaten, redovisas i tidskriften Vetenskap , kan leda till en nytolkning av hur kolcykeln har utvecklats under jordens historia, och hur detta har påverkat utvecklingen av jordens beboelighet.

Forskarna, från University of Cambridge, använde befintliga mätningar av kol och helium från mer än 80 vulkaner runt om i världen för att fastställa dess ursprung. Kol och helium som kommer ut från vulkaner kan antingen komma från djupet av jorden eller återvinnas nära ytan, och mätning av det kemiska fingeravtrycket för dessa element kan identifiera deras källa. När teamet analyserade data, de fann att det mesta av kolet som kommer ut från vulkaner återvinns nära ytan, i motsats till tidigare antaganden om att kolet kom från djupt in i jordens inre. "Detta är en viktig del av det geologiska kolcykelpusselet, sa Dr Marie Edmonds, studiens seniorförfattare.

Under miljontals år, kol cirkulerar fram och tillbaka mellan jordens djupa inre och dess yta. Kol tas bort från ytan från processer som bildning av kalksten och begravning och förfall av växter och djur, som tillåter atmosfäriskt syre att växa vid ytan. Vulkaner är ett sätt att återföra kol till ytan, även om mängden de producerar är mindre än en hundradel av mängden koldioxidutsläpp som orsakas av mänsklig aktivitet. I dag, majoriteten av kolet från vulkaner återvinns nära ytan, men det är osannolikt att så alltid varit fallet.

Vulkaner bildas längs stora öar eller kontinentala bågar där tektoniska plattor kolliderar och en platta glider under den andra, såsom Aleuterna mellan Alaska och Ryssland, Anderna i Sydamerika, vulkanerna i hela Italien, och Marianerna i västra Stilla havet. Dessa vulkaner har olika kemiska fingeravtryck:vulkanerna "öbågen" släpper ut mindre kol som kommer från djupet i manteln, medan vulkanerna "kontinentalbåge" släpper ut mycket mer kol som kommer från närmare ytan.

Under hundratals miljoner år, Jorden har cirkulerat mellan perioder av kontinenter som går samman och bryts isär. Under perioder då kontinenter möts, vulkanisk aktivitet dominerades av öbågsvulkaner; och när kontinenter splittras, kontinentala vulkanbågar dominerar. Detta fram och tillbaka förändrar det kemiska fingeravtrycket av kol som kommer till jordens yta systematiskt över geologisk tid, och kan mätas genom de olika isotoper av kol och helium.

Variationer i isotopförhållandet, eller kemiskt fingeravtryck, av kol mäts vanligtvis i kalksten. Forskare hade tidigare trott att det enda som kunde förändra kolfingeravtrycket i kalksten var produktionen av atmosfäriskt syre. Som sådan, kolisotopens fingeravtryck i kalksten användes för att tolka utvecklingen av beboeligheten på jordens yta. Resultaten från Cambridge-teamet tyder på att vulkaner spelade en större roll i kolets kretslopp än man tidigare förstått, och att tidigare antaganden måste omprövas.

"Detta får oss att i grunden omvärdera utvecklingen av kolcykeln, " sa Edmonds. "Våra resultat tyder på att kalkstensrekordet måste omtolkas helt om det vulkaniska kolet som kommer till ytan kan ändra dess kolisotopsammansättning."

Ett bra exempel på detta är under kritaperioden, För 144 till 65 miljoner år sedan. Under denna tidsperiod skedde en stor ökning av kolisotopförhållandet i kalksten, vilket har tolkats som en ökning av atmosfärens syrekoncentration. Denna ökning av atmosfäriskt syre var kausalt kopplad till spridningen av däggdjur i den sena kritatiden. Dock, resultaten från Cambridge-teamet tyder på att ökningen av kolisotopförhållandet i kalkstenarna nästan helt kan bero på förändringar i typerna av vulkaner vid ytan.

"Kopplingen mellan syrenivåer och nedgrävning av organiskt material tillät livet på jorden som vi känner det att utvecklas, men vår geologiska historia av denna länk måste omvärderas, " sa medförfattaren Dr Alexandra Turchyn, även från institutionen för geovetenskaper.