Södra oceanen spelade en avgörande roll i den snabba atmosfäriska koldioxidökningen under den senaste deglaciationen som ägde rum 20, 000 till 10, 000 år sedan, enligt en ny rapport från Boston College geokemist Xingchen (Tony) Wang och ett internationellt team i onlineupplagan av Vetenskapens framsteg .

I denna nya studie, Wang och hans medförfattare analyserade djuphavskorallfossiler från 20, 000 till 10, 000 år sedan, när atmosfärens koldioxid var på uppgång.

Genom att undersöka de kemiska signaturerna av kväve och kol i korallfossilerna, forskarna avslöjade att havets kolbindning minskade när växtplankton misslyckades med att sluka makronäringsämnen som tillförs av uppströmmande strömmar i södra oceanen och fånga koldioxid i djuphavet.

När koldioxidnivåerna i atmosfären stiger på grund av mänskliga aktiviteter – dominerade av fossilbränsleförbrukning – väcker fynden frågor om havets förmåga att absorbera den antropogena koldioxiden och miljökonsekvenserna, inklusive global uppvärmning, stigande havsnivåer, och mer frekventa skogsbränder, enligt Wang.

Trots all koldioxid som släpps ut av mänsklig verksamhet sedan den industriella revolutionen, ungefär 50 procent stannade i atmosfären, med cirka en fjärdedel absorberad av havet och cirka 25 procent sekvestrerad av ekosystemet på land. För att bättre förutsäga ödet för antropogen koldioxid i framtiden, Wang och hans medarbetare har tittat på tidigare variationer i atmosfärisk koldioxid innan några betydande mänskliga aktiviteter, från 20, 000 till 10, 000 år sedan när jorden flyttade ut ur den senaste istiden.

"En tydligare förståelse av koldioxidvariationer i det förflutna ger viktiga insikter om ödet för antropogen koldioxid i framtiden, sa Wang, en biträdande professor vid institutionen för geo- och miljövetenskap.

Genom att studera luftbubblor fångade i forntida is från Antarktis, forskare lärde sig att den atmosfäriska koldioxidkoncentrationen under istiderna var cirka 30 procent lägre än den förindustriella nivån. Denna lägre koldioxidnivå uppmuntrade tillväxten av stora inlandsisar i Nordamerika och kylde istidens jorden. Dock, det har varit starka debatter om varför koldioxidhalten var lägre under istiderna. I en tidigare studie ledd av Wang, han fann starka bevis som tyder på att södra oceanen till stor del var ansvarig för de lägre koncentrationerna av koldioxid under istiderna.

Växtplanktontillväxt i havet, stöds av makronäringsämnen kväve och fosfor, tar upp koldioxid från atmosfären och omvandlar den till organiskt kol. När dessa organismer dör, deras biomassa sjunker ner i djuphavet och sönderfaller tillbaka till koldioxid. Denna process, kallad "biologiska pumpen", överför koldioxid från atmosfären och ythav till mörkret, djup ocean. I de flesta delar av det moderna havet, växtplankton konsumerar alla de näringsämnen som tillförs det solbelysta havet och den "biologiska pumpen" når sin maximala effektivitet. Dock, i södra oceanen, växtplanktontillväxt begränsas av tillgången på det viktigaste näringsämnet järn, samt solljus. Som ett resultat, stora mängder kväve och fosfor finns kvar i denna havsregion, representerar en bortkastad möjlighet för koldioxidbindning i atmosfären.

Genom att analysera den isotopiska sammansättningen av kväve i djuphavskorallfossiler, Wang fann att den biologiska pumpen i södra oceanen var mer effektiv under den senaste istiden, binda mer koldioxid från atmosfären och därmed minska koncentrationen av atmosfärisk koldioxid.

Kväve har två stabila isotoper, Kväve-14 och Kväve-15, med kväve-15 som representerar cirka 0,4 procent av de totala kväveatomerna i naturen. De små variationerna i förhållandet mellan kväve-15 och kväve-14 i naturliga prover innehåller användbar information om kvävets kretslopp i havet. Till exempel, när växtplankton assimilerar kväve för att bygga upp sin biomassa, de föredrar kväve-14 framför kväve-15, lämnar kvar kväve som är berikat med kväve-15.

Wang har tidigare utvecklat en mycket känslig och exakt metod för att mäta förhållandena mellan kväveisotoperna i korallens skelett med en masspektrometer. Denna förmåga har gjort det möjligt för honom att mäta den isotopiska sammansättningen av kväve i djuphavskorallfossiler från södra oceanen.

"Djuphavskoraller är ett underbart arkiv för att studera havets historia. Du kan hitta dem på många ställen i djuphavet. Och deras åldrar kan man veta mycket exakt med hjälp av radiometriska dateringsmetoder, " sa Nanjing Universitys Tao Li, första författaren till den nya studien, med titeln "Snabba förändringar i cirkulation och biogeokemi i södra oceanen under deglaciala kolcykelhändelser."

I denna nya studie, Wang och hans medförfattare fokuserade på väl daterade djuphavskorallfossiler från 20, 000 till 10, 000 år sedan, när den atmosfäriska koldioxiden ökade från istidsnivå till förindustriell nivå. De exakta åldrarna för djuphavskorallfossilen gjorde det möjligt att direkt jämföra förändringarna i södra oceanen med koldioxidrekordet från iskärnorna i Antarktis.

"Om du tittar noga på koldioxidrekordet under deglaciationen, du kommer att se att det finns några plötsliga hopp, ", sade Wang. "Var och en av dessa hopp är en koldioxidökning på 10-15 miljondelar under 100 till 200 år. Det är ganska snabbt men vi förstod inte riktigt varför dessa hopp hände."

De nya uppgifterna från djuphavskorallfossiler, inklusive kväveisotoper och radiokol, tyder på att södra oceanen också var den primära orsaken till dessa snabba koldioxidhopp 20, 000-10, 000 år sedan. När dessa snabba koldioxidförändringar inträffade, den biologiska pumpen i södra oceanen var mindre effektiv och ventilationen i södra oceanen var snabbare, studien fann.

"Dock, det bör noteras att den nuvarande antropogena koldioxidökningen är minst 10 gånger snabbare än dessa naturliga snabba koldioxidhopp under den senaste deglaciationen. Vi förändrar vår planet i en aldrig tidigare skådad takt, " sa Wang.

Wang sa att han planerar att fortsätta sin forskning om tidigare atmosfäriska koldioxidvariationer med djuphavskoraller.

"Det är väldigt spännande att samla djuphavskoraller med hjälp av fjärrstyrda fordon, ", sa Wang. "Vi planerar att gå Brasiliens marginal för nästa fas av vår forskning."