Forskare vid Syracuse University ser till det geologiska förflutna för att göra framtida prognoser om klimatförändringar.

Christopher K. Junium, biträdande professor i geovetenskap vid College of Arts and Sciences (A&S), är huvudförfattare till en studie som använder kväveisotopkompositionen av sediment för att förstå förändringar i marina förhållanden under Paleocene-Eocene Thermal Maximum (PETM)-en kort period av snabb global uppvärmning för cirka 56 miljoner år sedan.

Juniums team - som inkluderar Benjamin T. Uveges G'17, en doktorsexamen kandidat i A&S, och Alexander J. Dickson, en lektor i geokemi vid Royal Holloway vid University of London - har publicerat en artikel om ämnet i Naturkommunikation .

Deras forskning fokuserar på det gamla Tethys Ocean (platsen för nuvarande Medelhavet) och ger ett riktmärke för nuvarande och framtida klimat- och havsmodeller.

"Kväveisotoprekordet visar att syrefria [anoxiska] förhållanden initierades snabbt vid början av PETM, förändra hur viktiga näringsämnen, som kväve, återvanns, "säger Junium, en sedimentär och organisk geokemist. "Storleken på denna kväveisotopförskjutning liknar den som observerades under snabba uppvärmningsintervaller i den mesozoiska eran [252 miljoner till 66 miljoner år sedan], när stora delar av Tethys och Atlanten blev utarmade i syre, under ytan.

Sådan utarmning, känd som deoxygenering, utlöste Oceanic Anoxic Events (OAEs) i Eastern Tethys under den mesozoiska tiden. Forskare tror att OAE sammanföll med snabba förändringar i den gamla jordens klimat och havscirkulation - förändringar som präglas av en tillströmning av koldioxid från perioder av intensiv vulkanism.

"Även om den exakta orsaken till PETM är ett område för aktiv debatt, vi är säkra på att potenta växthusgaser, inklusive koldioxid och metan, bidragit till total uppvärmning, "Säger Junium.

Ödet för Tethys hav och områden som omger det under PETM har varit föremål för mycket spekulation av paleoklimatologer, särskilt Dickson, som har skrivit mycket om det. Han och Junium är övertygade om att ett stort antal faktorer - inklusive försurning av havet, intensiv nederbörd och vittring på land, och en tillströmning av näringsämnen (t.ex. kväve, fosfor och svavel) från flodutsläpp - sätta scenen för deoxygenering. Liknar det som händer idag.

"Kust marina system kan vara mer sårbara för OAE-liknande förhållanden än man tidigare trott, "Junium säger." Detta gäller särskilt i slutna bassänger, som Östersjön, eller nära stora flodsystem, inklusive Mississippi, som ser stora influenser från antropogen aktivitet. ... expansion av anoxiskt vatten, särskilt under sommarmånaderna, påverkar marina samhällen, liksom de som förlitar sig på kustområden för matkällor, kommersiellt fiske eller rekreation. "

Utifrån data från det gamla Kheu -flodsystemet i södra Ryssland, Junium och hans kollegor har bekräftat att kvävecykeln i Eastern Tethys genomgick en "stor omorganisation" under PETM. "Pertubationer till kvävecykeln kan få omfattande konsekvenser, "säger Junium, med hänvisning till processen där kväve förändras från en form till en annan, medan du cirkulerar genom atmosfären, mark- och marina ekosystem. "Kväve är avgörande för livet på jorden."

Gruppens forskning går ett steg längre. Variationer i kväveisotopdata från Kheu föreslår episoder där anoxiska förhållanden avslappnade, orsakar syre att blanda in i vattenpelaren.

"Övergången mellan syrefria och låga syreförhållanden i Tethyshavet under PETM kan ha skapat förhållanden som gynnar ökad produktion av lustgas, en potent växthusgas framställd av mikrober vid mycket låga syrekoncentrationer, "Junium säger." Genom att studera förhållanden som främjade produktion av lustgas [under PETM] kan vi kalibrera nuvarande och framtida jordsystemmodeller. Det finns mer med uppvärmning än bara ökade koncentrationer av koldioxid. "

Lustgas ger en intressant, om än spekulativ vridning till gruppens forskning eftersom gasen inte kan mätas direkt i gammalt berg. "Jag tror att vi kan göra ett argument för att ta reda på om förhållandena under PETM gynnade ökad produktion, eller inte. "Säger Junium.

Dickson håller med, tillägger att bara förslaget om lustgas som bidrar till den globala uppvärmningen under PETM är "fascinerande".

"Händelser som PETM är några av de bästa geologiska analogerna vi har för en varmare värld. Och ändå, i åratal, en tillfredsställande förklaring till hur klimatdrivrutinerna för dessa gamla händelser interagerade för att producera den observerade uppvärmningen har undvikit klimatmodellerare, "Dickson säger." Förslaget om kväveoxidåterkoppling om klimatuppvärmning lägger till ett nytt lager av intriger i denna diskussion och belyser den roll en förändrad kvävecykel kan ha på vår framtida jord. "

Junium tycker att hans lag är på rätt väg. När koldioxidhalterna farligt närmar sig 400 delar per miljon (nivåer som inte upplevts på tre miljoner år), de är medvetna om att uppvärmningen kommer att fortsätta öka. De ekologiska och samhälleliga konsekvenserna kan bli enorma.

Navigera i sådan terräng, Junium säger, kräver bättre modellbaserade prognoser för global uppvärmning.

"Verkligen, det finns luckor i vår förståelse mellan modellvärldarna och de fossila världarna. Det förflutna gör det möjligt för oss att testa och finslipa modeller som bygger på framtida prognoser. Det hjälper oss också att avgöra vilka processer som saknas i våra nuvarande jordsystemmodeller, "säger han." Dessa saker tillsammans hjälper oss att förstå och förbereda oss för vad som finns i horisonten.