Dolda i även det klaraste vattnet i havet är ledtrådar till vad som händer med havet och klimatet i global skala. Spårmängder av olika kemiska element finns i haven och kan avslöja vad som händer med de biologiska reaktionerna och fysiska processerna som äger rum i dem.

Forskare har arbetat i åratal för att förstå exakt vad dessa spårämnen kan berätta om havet. Detta inkluderar hur mikroskopiska alger fångar kol från atmosfären via fotosyntes på ett sätt som producerar mat för mycket marint liv, och hur denna koldioxidbindning och biologiska produktion förändras som svar på klimatförändringarna.

Men nu har forskare föreslagit att de också kan lära sig hur dessa system påverkades av klimatförändringarna för länge sedan genom att gräva djupt i havsbotten för att hitta sedimentära rekord av tidigare spårämnen. Och att förstå det förflutna kan vara nyckeln till att räkna ut vad som kommer att hända i framtiden.

Spårelement kan lära oss otroligt mycket om haven. Till exempel, havszinkkoncentrationer liknar påfallande de fysiska egenskaperna hos djupt vatten som förflyttar stora mängder värme och näringsämnen runt planeten via "havstransportbandet". Denna anmärkningsvärda koppling mellan zink och havscirkulation börjar bara förstås genom högupplösta observationer och modelleringsstudier.

Några spårelement, som järn, är viktiga för livet, och andra, såsom barium och neodym, avslöja viktig information om algernas biologiska produktivitet. Olika isotoper av dessa element (varianter med olika atommassor) kan belysa de typer och hastigheter av kemiska och biologiska reaktioner som pågår.

Många av dessa element finns bara i försvinnande små mängder. Men under de senaste åren, ett ambitiöst internationellt projekt som heter GEOTRACES har använt avancerade tekniska och analytiska metoder för att prova och analysera spårelement och förstå det moderna havets kemi i oöverträffade detaljer. Detta ger oss den mest fullständiga bilden hittills av hur näringsämnen och kol rör sig runt haven och hur de påverkar biologisk produktion.

Kolfabriker

Biologisk produktion är en trassel av olika processer och cykler. Primärproduktion är mängden kol som omvandlas till organiskt material av alger. Nettoexportproduktion hänvisar till den lilla andel av detta kol som är bunden i organiskt material som inte slutar användas av mikroberna som mat och sjunker i djupet. En ännu mindre del av detta kol kommer så småningom att lagras i sediment på havsbotten.

Förutom kol, dessa alger fångar och lagrar en mängd olika spårämnen i deras organiska material. Så genom att använda all kemisk information som är tillgänglig för oss, vi kan få en fullständig bild av hur algerna växer, sjunka och begravas i haven. Och genom att titta på hur olika metaller och isotoper är integrerade i gamla lager av sedimentärt berg, vi kan rekonstruera dessa förändringar genom tiden.

Det betyder att vi kan använda dessa sedimentära arkiv som proxy -register över näringsanvändning och nettoprimärproduktion, eller exportproduktion, eller sjunkande priser. Detta bör göra det möjligt för oss att börja besvara några av mysterierna om hur oceaner påverkas av klimatförändringar, inte bara i relativt ny jordhistoria utan också på djupet.

Till exempel, samt att upplysa oss om aktiva processer inom det moderna havet, forskare har analyserat vad zinkisotoper är i havsbottenfossiler från tiotusentals år sedan, och även i gamla stenar från över en halv miljard år sedan. Förhoppningen är att de kan använda denna information för att rekonstruera en bild av hur marina näringsämnen har förändringar genom den geologiska historien.

Men detta arbete kommer med en försiktighet. Vi måste föra vår kunskap om modern biogeokemi tillsammans med vår förståelse för hur stenar bildas och geokemiska signaler bevaras. Detta gör det möjligt för oss att vara säkra på att vi kan göra robusta tolkningar av proxyhistorierna för de förhistoriska havsbottnarna.

Hur gör vi för att göra detta? I december 2018, forskare från GEOTRACES träffade medlemmar i ett annat forskningsprojekt, SIDOR, som är experter på att rekonstruera hur jorden har reagerat på tidigare klimatförändringar. Ett tillvägagångssätt vi utvecklat är att i huvudsak arbeta bakåt.

Först måste vi fråga:vilka arkiv (skal, sedimentkorn, organiskt material) bevaras i marina sediment? Sedan, vilken av de användbara metall- och isotopsignaturerna från havsvatten låses in i dessa arkiv? Kan vi kontrollera-med hjälp av material från ytan av djuphavssediment-om dessa arkiv ger nyttig och korrekt information om havsförhållanden?

Frågan kan också vändas, så att vi kan fråga om det finns nya isotopsystem som ännu inte har undersökts. Vi vill veta om GEOTRACES avslöjade intressanta mönster inom havskemi som kan vara början på nya fullmakter. Om så är fallet, vi kanske kan använda dessa havsarkiv för att belysa hur upptaget av kol i marint organiskt material reagerar på, och fungerar som en feedback på, klimatet i framtiden.

Till exempel, kommer en varmare värld med mer koldioxid att öka tillväxten av alger, som då skulle kunna absorbera mer av detta överskott av koldioxid och hjälpa till att fungera som en avbrott på människors koldioxidutsläpp? Eller kommer algproduktiviteten att minska, fånga mindre organiskt material och få ytterligare atmosfärisk uppvärmning in i framtiden? Hemligheterna kan alla ligga i havsbotten.

Denna artikel publiceras från The Conversation under en Creative Commons -licens. Läs originalartikeln.