Under de senaste 540 miljoner åren, jorden har genomgått fem massutrotningshändelser, var och en involverade processer som upphävde den normala cirkulationen av kol genom atmosfären och haven. Dessa globalt dödliga störningar i kol utvecklades var och en under tusentals till miljoner år, och sammanfaller med den utbredda utrotningen av marina arter runt om i världen.

Frågan för många forskare är om kolcykeln nu upplever ett betydande ryck som kan tippa planeten mot en sjätte massutrotning. I modern tid, koldioxidutsläppen har ökat stadigt sedan 1800-talet, men det har varit utmanande att dechiffrera huruvida denna senaste ökning av kol kan leda till massutrotning. Det beror främst på att det är svårt att relatera gamla kolanomalier, inträffar under tusentals till miljoner år, till dagens störningar, som har ägt rum under bara lite mer än ett sekel.

Nu Daniel Rothman, professor i geofysik vid MIT Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences och meddirektör för MIT:s Lorenz Center, har analyserat betydande förändringar i kolets kretslopp under de senaste 540 miljoner åren, inklusive de fem massutrotningshändelserna. Han har identifierat "katastroftrösklar" i kolcykeln som, om det överskrids, skulle leda till en instabil miljö, och slutligen, massutrotning.

I en tidning publicerad i Vetenskapens framsteg , han föreslår att massutrotning inträffar om en av två trösklar passeras:För förändringar i kolcykeln som inträffar över långa tidsskalor, utrotningar kommer att följa om dessa förändringar sker i snabbare takt än globala ekosystem kan anpassa sig. För kolstörningar som äger rum över kortare tidsskalor, takten i förändringar i kolkretsloppet spelar ingen roll; istället, storleken eller storleken på förändringen avgör sannolikheten för en utrotningshändelse.

Om man tar detta resonemang framåt i tiden, Rothman förutspår att, med tanke på den senaste tidens ökning av koldioxidutsläppen under en relativt kort tidsskala, en sjätte utrotning kommer att bero på om en kritisk mängd kol tillförs haven. Det beloppet, han räknar ut, är cirka 310 gigaton, vilket han uppskattar vara ungefär lika med mängden kol som mänskliga aktiviteter kommer att ha tillfört världshaven år 2100.

Betyder detta att massutrotning snart kommer att följa vid sekelskiftet? Rothman säger att det skulle ta lite tid - cirka 10, 000 år – för att sådana ekologiska katastrofer ska utspela sig. Dock, han säger att år 2100 kan världen ha tippat in i "okänt territorium".

"Detta betyder inte att en katastrof inträffar nästa dag, " säger Rothman. "Det säger att, om det inte är markerat, kolets kretslopp skulle flytta in i ett rike som inte längre skulle vara stabilt, och skulle bete sig på ett sätt som skulle vara svårt att förutse. I det geologiska förflutna, denna typ av beteende är förknippat med massutrotning."

Historia följer teori

Rothman hade tidigare arbetat med utrotningen av slut-Perm, den allvarligaste utrotningen i jordens historia, där en massiv puls av kol genom jordens system var inblandad i att utplåna mer än 95 procent av marina arter världen över. Sedan dess, samtal med kollegor sporrade honom att överväga sannolikheten för en sjätte utrotning, ställer en viktig fråga:

"Hur kan du verkligen jämföra dessa stora händelser i det geologiska förflutna, som inträffar över så långa tidsskalor, till vad som händer idag, vilket är århundraden längst?" säger Rothman. "Så jag satte mig ner en sommardag och försökte fundera på hur man skulle kunna gå tillväga systematiskt."

Han härledde så småningom en enkel matematisk formel baserad på grundläggande fysikaliska principer som relaterar den kritiska hastigheten och storleken av förändringar i kolcykeln till tidsskalan som skiljer snabb från långsam förändring. Han antog att denna formel skulle förutsäga om massutrotning, eller någon annan sorts global katastrof, bör inträffa.

Rothman frågade sedan om historien följde hans hypotes. Genom att söka igenom hundratals publicerade geokemiartiklar, han identifierade 31 händelser under de senaste 542 miljoner åren där en betydande förändring inträffade i jordens kolcykel. För varje evenemang, inklusive de fem massutdöendena, Rothman noterade förändringen i kol, uttrycks i den geokemiska journalen som en förändring i den relativa förekomsten av två isotoper, kol-12 och kol-13. Han noterade också hur lång tid förändringarna inträffade.

Han utarbetade sedan en matematisk omvandling för att omvandla dessa kvantiteter till den totala massan av kol som tillfördes haven under varje händelse. Till sist, han ritade både massa och tidsskala för varje händelse.

"Det blev uppenbart att det fanns en karakteristisk förändringstakt som systemet i princip inte gillade att gå förbi, " säger Rothman.

Med andra ord, han observerade en gemensam tröskel som de flesta av de 31 händelserna verkade hålla sig under. Även om dessa händelser involverade betydande förändringar i kol, de var relativt godartade – inte tillräckligt för att destabilisera systemet mot katastrof. I kontrast, fyra av de fem massutdöende händelserna låg över tröskeln, med den allvarligaste slut-Permian utrotningen som är längst bort över linjen.

"Då blev det en fråga om att ta reda på vad det betydde, " säger Rothman.

En dold läcka

Vid ytterligare analys, Rothman fann att den kritiska hastigheten för katastrof är relaterad till en dold process inom jordens naturliga kolcykel. Cykeln är i huvudsak en slinga mellan fotosyntes och andning. I vanliga fall, det finns en "läcka" i cykeln, där en liten mängd organiskt kol sjunker till havsbotten och, över tid, begravs som sediment och sekvestreras från resten av kolets kretslopp.

Rothman fann att den kritiska hastigheten motsvarade graden av överskottsproduktion av koldioxid som skulle bli resultatet av att täppa till läckan. Eventuell ytterligare koldioxid som injiceras i cykeln kunde inte beskrivas av själva slingan. En eller flera andra processer skulle istället ha tagit kolets kretslopp in på instabilt territorium.

Han fastställde sedan att den kritiska hastigheten endast gäller bortom den tidsskala då den marina kolcykeln kan återupprätta sin jämvikt efter att den har störts. I dag, denna tidsskala är cirka 10, 000 år. För mycket kortare evenemang, den kritiska tröskeln är inte längre kopplad till den hastighet med vilken kol tillförs haven utan istället till kolets totala massa. Båda scenarierna skulle lämna ett överskott av kol att cirkulera genom haven och atmosfären, sannolikt resulterar i global uppvärmning och havsförsurning.

Århundradet är gränsen

Från den kritiska takten och jämviktstidskalan, Rothman beräknade den kritiska massan av kol för modern tid till cirka 310 gigaton.

Han jämförde sedan sin förutsägelse med den totala mängden kol som tillförts jordens hav till år 2100, som framgår av den senaste rapporten från den mellanstatliga panelen för klimatförändringar. IPCC:s prognoser överväger fyra möjliga vägar för koldioxidutsläpp, allt från en förknippad med stränga policyer för att begränsa koldioxidutsläpp, till en annan relaterad till det stora utbudet av scenarier utan begränsningar.

Det bästa scenariot beräknar att människor kommer att lägga till 300 gigaton kol till haven år 2100, medan mer än 500 gigaton kommer att läggas till under det värsta scenariot, långt över den kritiska tröskeln. I alla scenarier, Rothman visar att år 2100, kolets kretslopp kommer antingen att vara nära eller långt över tröskeln för katastrof.

"Det borde finnas sätt att dra tillbaka [utsläpp av koldioxid], " säger Rothman. "Men det här arbetet pekar ut skäl till varför vi måste vara försiktiga, och det ger fler skäl att studera det förflutna för att informera nuet."