När forskare vill studera jordens mycket gamla geologiska förflutna - vanligtvis för mer än 100 miljoner år sedan - vänder de sig ofta till stenar som kallas karbonater.

Kalciumkarbonater, de mest utbredda formerna av karbonat, är mineraler som fälls ut från havsvatten och bildar skiktade sedimentära avlagringar på havsbotten. De är allmänt kända som kalksten. Mer än 3,5 miljarder år av jordens historia är krönika i karbonatstenar. Många forskare använder dem för att rekonstruera historier om klimatförändringar och den senaste globala koldioxidcykeln - det vill säga processen genom vilken kol rör sig mellan haven, atmosfären, biosfären och fast sten.

"Du kan lära dig mycket av karbonater, "sade Emily Geyman, en Princeton -examen 2019 i geovetenskap och huvudförfattare till ett papper publicerat 8 november i Förfaranden från National Academy of Sciences ( PNAS ). Papperet var resultatet av Geymans forskningsprojekt där hon undersökte karbonaternas kemiska sammansättning och hur dessa karbonater registrerar kolcykeln.

"Det som gör karbonater särskilt användbart i motsats till något som en sandsten, "Sa Geyman, "är att karbonatet fälls ut direkt från havsvattnet, så tanken är att karbonaternas kemi, som vi kan mäta, kommer att berätta något om det gamla havet. "

Men inte alla karbonater bevaras i den geologiska posten. Djuphavskarbonater, till exempel, brukar bli subduktionerad, det är därför forskare ofta vänder sig till karbonater som ackumuleras på grunda kontinentalsocklar. Problemet, dock, är att forskare fortfarande inte vet tillräckligt om hur egenskaper som havskemi, havstemperatur, vågsenergi och vattendjup översätts till den grunda karbonatrekorden.

Nu, dock, forskare vid Princeton arbetar med att ta itu med denna fråga.

"Ingen hade faktiskt tittat på motsvarigheten till dessa gamla kalkstenar som bildas idag och förstod översättningen, sa Adam Maloof, en professor i geovetenskap som samarbetade i tidningen med Geyman. "Det är som att försöka översätta gamla texter utan en Rosetta Stone. Vi behövde vår Rosetta Stone."

Forskarna hittade inte bara sin Rosetta Stone i form av en innovativ hypotes, men deras resultat utmanar den konventionella logiken om att använda karbonater för att rekonstruera tidigare globala kolcykler.

"En av de vanligaste mätningarna vi gör på gamla karbonater är kolisotopkompositionen, "sa Geyman." Och vi kopplar kolisotopkompositionen till globala störningar i kolcykeln. "

Att studera gamla isotoper - olika former av samma element - är en nyckel för att förstå hur mycket och varför jordens globala koldioxidcykel har förändrats tidigare. Detta är avgörande eftersom kolcykeln fungerar som en termostat för att reglera jordens temperatur, Sa Maloof. Att förstå hur denna termostat fungerar hjälper oss att förutse framtida klimatförändringar.

Deras forskning tog dem till Andros Island på Bahamas, en stor och nästan helt obebodd ö belägen på Great Bahama Bank.

Bahamas är ett bra ställe att studera jordens gamla geologiska förflutna. "Under mycket av jordens historia, "Sa Geyman, "mycket av jordens yta såg ut som Bahamas idag."

Målet var att förstå hur vattnets kemi styr bergets kemi - i grunden hur koldisotoper registreras i samtida miljöer och vad detta kan säga om den senaste kolscykeln.

"Om du vill ta reda på hur tidigare havsnivå och havsvattenkemi var genom att titta på gamla karbonater, "Sa Geyman, "du måste gå till den moderna analogen och fråga" ja, hur bildas moderna karbonater just nu enligt nuvarande havskemi och nuvarande havsnivå? ""

Vad de hittade, och vad tidigare studier har visat, var att något konstigt pågick i Bahamas sediment. Kalkstenen som bildades där hade kol-13 som verkade alldeles för hög jämfört med encelliga plankton som flöt runt hela det öppna havet.

En stor andel av gamla karbonater visar också detta onormalt höga kol-13. Om du antar att detta speglar globala havsförhållanden, Maloof påpekade, "Du är fast och gör drastiska slutsatser om stora förändringar i koldioxidcykeln."

Istället, Geyman och Maloof utarbetade en hypotes som de kallar "den dagliga kolcykelmotorn". Som namnet antyder, processen innebär en 24-timmarscykel. När solen skiner under dagen, vattenväxter drar kol – 12 från vattnet genom fotosyntesprocessen och använder det för att tillverka växtmaterial. Eftersom växterna företrädesvis tar kol – 12, det återstående kolet i vattnet berikas med kol – 13.

Den väsentliga komponenten i denna process är att kalksten bildar sig snabbast under toppen av dagen när fotosyntesen sker eftersom fotosyntes gör vattnet mer mättat med kalciumkarbonat. På natten ger fotosyntesen plats för aerob andning och kolet som utsöndras i växternas vävnad återförs till vattnet. Men kalkformation "har nästan ingen rekord" av natten, Maloof sa, eftersom det är väldigt lite nederbörd. Om nederbörd inträffade lika mycket under natten, the average level of carbon-13 would be normal because carbon-12 would be introduced back to the system.

This process, the researchers assert, can only happen when the water is sufficiently shallow and protected on continental shelves and platforms like the Bahamas. The same diurnal process occurs in the open ocean, but the movement of the waves constantly mixes and brings in new water so that carbon-13 is never elevated to such extremes.

The particular way Bahamian sediments absorb calcium carbonates from seawater complicates the picture of using ancient limestones to record a global carbon cycle. It can't be assumed that there was a single, uniform process of carbon cycling that characterized the past, Maloof said.

"We're using a modern analog to study the past, " Geyman added, "and the past is the key in many ways to understanding the future."

Geyman currently is pursuing a master's with a focus on glaciology at the University of Tromsø in Arctic Norway as part of a Sachs Global Fellowship from Princeton.

She conducted her Bahamas work as part of her junior and senior independent work at Princeton. An accomplished young scientist, she has already been the recipient of numerous awards and accolades. She received the Peter W. Stroh '51 Environmental Senior Thesis Prize, the Calvin Dodd MacCracken Award from Princeton's School of Engineering and Applied Science and the Edward Sampson 1914 Award for distinguished work in environmental geoscience.

Maloof has high praise for Geyman. "She can do anything, " he said. "Most of the time the really good observers do field work … they're not at the same time computer scientists who can make amazing analyses. And she is both."

The paper, "A diurnal carbon engine explains 13C-enriched carbonates without increasing the global production of oxygen, " by Emily Geyman and Adam Maloof, was published online Nov. 8 in the Förfaranden från National Academy of Sciences