Fossila löv från Afrika har löst ett förhistoriskt klimatpussel – och bekräftar också kopplingen mellan koldioxid i atmosfären och global uppvärmning.

Forskning fram till nu har gett en mängd olika resultat och motstridiga data som har gett tvivel om sambandet mellan höga koldioxidnivåer och klimatförändringar för ett tidsintervall för cirka 22 miljoner år sedan.

Men en ny studie har funnit att länken verkligen existerar för den förhistoriska tidsperioden, säger forskare vid Southern Methodist University, Dallas.

Fyndet kommer att hjälpa forskare att förstå hur den senaste och framtida ökningen av koncentrationen av koldioxid i atmosfären kan påverka vår planets framtid, säger SMU-forskarna.

Upptäckten kommer från nya biokemiska analyser av fossila löv från växter som växte på jorden för 27 miljoner år sedan och för 22 miljoner år sedan.

De nya analyserna bekräftar forskning om modernt klimat – att globala temperaturer stiger och sjunker med ökningar och minskningar av koldioxid i vår atmosfär – men i det här fallet även under förhistorisk tid, enligt det SMU-ledda internationella forskarteamet.

Koldioxid är en gas som normalt finns i jordens atmosfär, till och med för miljoner år sedan. Det kallas en växthusgas eftersom högre koncentrationer gör att den totala temperaturen i jordens atmosfär stiger, som händer i ett växthus med mycket solljus.

Nyligen, Ökade växthusgaser har orsakat den globala uppvärmningen, som smälter glaciärer, orsaka extrema vädervariationer och få havsnivån att stiga.

Den nya SMU-upptäckten att koldioxid betedde sig på samma sätt för miljoner år sedan som den gör idag har betydande konsekvenser för framtiden. Fyndet tyder på att kombinationen av koldioxid och global uppvärmning som ses idag också gäller för framtiden om koldioxidnivåerna fortsätter att stiga som de har varit, sa geologen Tekie Tesfamichael, ledande forskare i forskningen.

"Ju mer vi förstår om förhållandet mellan atmosfäriska koldioxidkoncentrationer och global temperatur i det förflutna, ju mer vi kan planera för förändringar framåt, sade Tesfamichael, en SMU-postdoktor i geovetenskaper.

"Tidigare arbete rapporterade en mängd olika resultat och motstridiga data om koldioxidkoncentrationer vid de två tidsintervallen som vi studerade, ", sa han. "Men hårdare kontroll av åldern på våra fossil hjälpte oss att ta itu med huruvida atmosfärens koldioxidkoncentration motsvarade uppvärmningen eller inte - vilket i sig självt är väldokumenterat i geokemiska studier av marina fossiler i havssediment."

Forskarna rapporterade sina resultat i Geologi , den vetenskapliga tidskriften för Geological Society of America, i artikeln "Att lösa frågan om "frikoppling" mellan atmosfärisk koldioxid och global temperatur:[CO ₂ ]atm rekonstruktioner över den värmande paleogen-neogena klyftan."

Medförfattare från SMU:s Roy M. Huffington Department of Earth Sciences är professorerna Bonnie Jacobs, en expert på paleobotanik och paleoklimat, och Neil Tabor, en expert inom sedimentologi och sedimentär geokemi.

Andra medförfattare är Lauren Michel, Tennessee Technological University; Ellen Currano, University of Wyoming; Mulugeta Feseha, Addis Abeba universitet; Richard Barclay, Smithsonian Institution; John Kappelman, University of Texas; och Mark Schmitz, Boise State University.

Upptäckt av sällsynt, välbevarade fossila löv möjliggör fynd

Fynden var möjliga tack vare den sällsynta upptäckten av två platser med utomordentligt välbevarade fossila blad av blommande växter från de etiopiska högländerna i östra Afrika.

Sådana välbevarade fossila löv är en sällsynthet, sa Tesfamichael.

"Att hitta två platser med bra bevarande i samma geografiska region från två viktiga tidsintervall var mycket tur, eftersom detta gjorde det möjligt för oss att ta upp frågan vi hade om förhållandet mellan atmosfärens koldioxidkoncentration och globala temperaturer, " han sa.

Forskare vet att variationer i koncentrationen av atmosfärisk koldioxid påverkar kolfixeringen i bladen under fotosyntesen. Detta gör att bladen utvecklar anatomiska och fysiologiska förändringar som frekvensen och storleken av stomata - porerna på ytan av ett blad som kol passerar genom.

Forskare kan mäta dessa egenskaper, bland andra, i fossila löv, så att bladfossiler kan användas som proxies för jordens atmosfäriska koldioxidhistoria.

Platserna som producerade löven för SMU-studien upptäcktes separat under tidigare år, men stora fossilsamlingar producerades genom fältarbete koordinerat av SMU-forskargruppen och deras medförfattare, som har samarbetat i detta projekt i flera år.

Arbetet har fått finansiering från National Science Foundation, National Geographic Committee for Research and Exploration, SMU Ford Fellowship Program, SMU:s forskningsråd, Institutet för studier av jorden och människan, och Dallas Paleontological Society Frank Crane Scholarship.

Fossilerna finns permanent i samlingarna på Etiopiens nationalmuseum i Addis Abeba. Institutionellt och statligt stöd kom från Etiopiens nationalmuseum, Myndigheten för forskning och bevarande av kulturarvet, och Addis Abeba University.

Tidigare studier har fastställt en temperaturskillnad

En av platserna dateras till den sena oligocentiden, och den andra till tidig miocen.

Tidigare studier som mätte havstemperaturer från hela världen för de två intervallen har fast etablerat en temperaturskillnad på jorden mellan de två tiderna, med den ena mycket varmare än den andra. Så SMU-studien försökte mäta halterna av koldioxid för de två tidsperioderna.

För SMU-analyserna, fossila löv av en enda art samlades in från den 27 miljoner år gamla sena oligocenplatsen. Bladen hade deponerats under förhistorisk tid i området Chilga i nordvästra Etiopien, troligen vid en flodbank. Jordens klimat under sen oligocen kan ha varit något varmare än idag, även om glaciärer bildades på Antarktis. SMU-studien fann koldioxidnivåer, i genomsnitt, cirka 390 delar per miljon, om vad det är på jorden idag.

Fossila löv av de 22 miljoner år gamla arterna från tidigt miocen samlades in från gamla sjöavlagringar, nu en sten som kallas skiffer, från den moderna Mush Valley i centrala Etiopien. Det tidiga miocenklimatet vid den tiden var varmare än den sena oligocenen och likaså fann SMU-studien högre koldioxidnivåer. Atmosfärisk koldioxid var cirka 870 ppm, dubbelt så mycket som det är på jorden idag.

SMU-studien bekräftade ett samband mellan koldioxid och temperatur under sen oligocen och tidig miocen.

Paleoklimatdata kan hjälpa till att förutsäga vår planets framtida klimat

Även om koldioxid inte är den enda faktorn som påverkar jordens klimat eller globala medeltemperatur, det anses allmänt av forskare vara bland de mest betydande. Mycket är känt om klimatförändringar och global uppvärmning, men frågor kvarstår.

"En av dessa är "Vad är känsligheten för jordens temperatur för koldioxidkoncentration? Är den väldigt känslig? Är den inte så känslig?" Att uppskatta temperatur och koldioxidkoncentrationer för tider i det förflutna kan hjälpa till att hitta svaret på den frågan, " sa Jacobs. "Det finns mycket arbete med paleoklimat i allmänhet, men inte lika mycket på förhållandet mellan koldioxid och temperatur."

Upptäckten är viktig.

"Mängden temperaturförändringar under detta intervall är ungefär inom intervallet för temperaturförändringen som uppskattas från klimatmodeller för vårt nästa århundrade givet en fördubbling av koldioxidkoncentrationen sedan den industriella revolutionen, sa Jacobs.

Med den nya modellen som bekräftar det förhistoriska förhållandet, forskare kan nu titta på relaterade frågor, sa klimatforskaren Lauren Michel, som arbetat med studien som postdoktor vid SMU.

"Besvara frågor om förändringstakten och vilka faktorer som förändrades först, till exempel, kommer i slutändan att ge en tydligare bild av jordens klimatförändringsmönster, " sa Michel. "Jag tror att det är värdefullt att förstå sambandet mellan växthusgaser och klimatfaktorer som representeras i bergrekordet så att vi kan få en bättre uppfattning om vad vi kan förvänta oss i framtiden och hur vi kan förbereda oss för det."

SMU-studie bekräftar samband som tidigare metoder förbisett

Tidigare studier fann liten eller ingen korrelation mellan temperatur och koldioxid för sen oligocen och tidig miocen. Det har förbryllat paleoklimatforskare i minst ett decennium.

"Vi har ett bra testfallsscenario med dessa välbevarade växter från båda tidssnitten, där vi vet en gång skiva, med högre halter av koldioxid, var ett varmare klimat globalt än det andra, " sa Tesfamichael.

"Det har varit ett pussel om varför de tidigare metoderna inte hittade något samband, eller en omvänd korrelation, ", sa han. "Vi tror att det beror på bristen på den väl daterade proxyn - som våra fossila blad från två exakta tider i samma region - som ger ett tillförlitligt svar. Eller, kanske behövde modellerna själva förbättras."

Tidigare studier använde metoder som skilde sig från SMU-studien, även om alla metoder (proxies) innehåller vissa aspekter av vad som är känt om levande organismer och hur de interagerar med atmosfärisk koldioxid.

Vissa studier förlitar sig på biokemisk modellering av förhållandet mellan encelliga marina fossiler och atmosfärisk koldioxid, och andra förlitar sig på förhållandet mellan stomata och atmosfärisk koldioxidkoncentration som observerats i de levande släktingarna till särskilda fossila växtarter.

"Varje metod har sina antaganden, ", sa Tesfamichael. "Vi kommer att se om våra resultat håller med ytterligare studier av detta tidsintervall med samma metod som vi använde."