Mikroskopiska fossiliserade skal hjälper geologer att rekonstruera jordens klimat under Paleocene-Eocen Thermal Maximum (PETM), en period av abrupt global uppvärmning och havsförsurning som inträffade för 56 miljoner år sedan. Ledtrådar från dessa uråldriga skal kan hjälpa forskare att bättre förutsäga framtida uppvärmning och havsförsurning som drivs av människor orsakade koldioxidutsläpp.

Leds av Northwestern University, forskarna analyserade skal från foraminifer, en havslevande encellig organism med ett yttre skal gjort av kalciumkarbonat. Efter att ha analyserat fossilernas kalciumisotopsammansättning, forskarna drog slutsatsen att massiv vulkanisk aktivitet injicerade stora mängder koldioxid i jordsystemet, orsakar global uppvärmning och havsförsurning.

De fann också att den globala uppvärmningen och havsförsurningen inte bara passivt påverkade foraminifer. Organismerna reagerade också aktivt genom att minska förkalkningshastigheten när de byggde sina skal. När förkalkningen avtog, foraminifererna förbrukade mindre alkalinitet från havsvatten, som hjälpte till att buffra ökande havssyrahalt.

"Bildandet och upplösningen av kalciumkarbonat hjälper till att reglera surheten och alkaliniteten i havsvattnet, " sa Northwesterns Andrew Jacobson, en senior författare av studien. "Våra kalciumisotopdata indikerar att minskad foraminiferal förkalkning fungerade för att dämpa havets försurning före och över PETM."

"Det här är ett ganska nytt koncept inom området, " tillade Gabriella Kitch, studiens första författare. "Tidigare, folk trodde att endast upplösningen av karbonater vid havsbotten kunde öka havets alkalinitet och buffra effekterna av havsförsurningen. Men vi lägger till befintliga studier som visar att minskad karbonatproduktion har samma bufferteffekt."

Forskningen publicerades online förra veckan (4 mars) i tidskriften Geologi . Detta är den första studien för att undersöka kalciumisotopsammansättningen av foraminifer för att rekonstruera förhållandena före och över PETM och den tredje nyligen genomförda Northwestern-studien för att finna att havets försurning – på grund av vulkaniska koldioxidutsläpp – föregick stora förhistoriska miljökatastrofer, som massutrotningar, oceaniska anoxiska händelser och perioder av intensiv global uppvärmning.

Jacobson är professor i jord- och planetvetenskap vid Northwesterns Weinberg College of Arts and Sciences. Kitch är en Ph.D. kandidat och National Science Foundation Graduate Research Fellow i Jacobsons laboratorium. Northwestern Earth Science professorerna Bradley Sageman och Matthew Hurtgen, samt medarbetare från University of California-Santa Cruz (UCSC) och University of Kansas, skrev tidningen tillsammans med Jacobson och Kitch.

Sortering av mikroskopiska skal

För att studera oceaniska förhållanden under PETM, forskarna undersökte kalciumisotopsammansättningen av foraminiferala fossiler som samlats in från två platser - en i sydöstra Atlanten och en i Stilla havet - av Ocean Drilling Program.

Eftersom varje fossiliserat skal är ungefär lika stort som ett enda sandkorn, UCSC-forskare samlade fysiskt de små exemplaren genom att först identifiera dem under ett mikroskop. Efter att ha sorterat skalen från bulksdiment, Northwestern-teamet löste upp proverna och analyserade deras kalciumisotopsammansättning med hjälp av en termisk joniseringsmasspektrometer.

"Arbetet är mycket utmanande, " sa Jacobson. "För att manipulera dessa små material, du måste hämta dem, en och en, med en våt penselspets under ett mikroskop."

Stress före PETM

När skalen bildades för mer än 56 miljoner år sedan, de reagerade på oceaniska förhållanden. Genom att undersöka dessa skal, Northwestern-teamet fann att kalciumisotopförhållandena ökade före starten av PETM.

"Vi tittar på en grupp organismer som byggde sina skal i en del av havet, registrerar havsvattenkemin som omger dem, " Sa Kitch. "Vi tror att kalciumisotopdata avslöjar potentiell stress före den välkända gränsen."

Andra arkiv indikerar att atmosfären-havsystemet upplevde ett massivt koldioxidutsläpp omedelbart före PETM. När atmosfärisk koldioxid löses i havsvatten, det bildar en svag syra som kan hämma kalciumkarbonatbildningen. Även om det fortfarande är obestämt, Jordforskare tror att kolutsläppet troligen kom från vulkanisk aktivitet eller kaskadeffekter, t.ex. utsläpp av metanhydrater från havsbotten till följd av havsuppvärmningen.

"Min misstanke är att det är båda dessa faktorer eller någon sorts kombination, Sageman sa. "De flesta stora händelser i jordens historia representerar ett sammanflöde av många skådespelare som samlas på samma gång."

Konsekventa mönster framträder

Detta är den tredje studien ledd av Jacobson för att finna att havsförsurning föregår stora miljökatastrofer som korrelerar med stora magmatiska provinsutbrott. Förra månaden, Jacobsons team publicerade resultat som fann att vulkanisk aktivitet utlöste en biokalcifikationskris före en anoxisk händelse i havet som inträffade för 120 miljoner år sedan. För drygt ett år sedan, Jacobsons team publicerade en annan studie som fann att havsförsurning föregick asteroidnedslaget som ledde till massutrotningen av Krita-Paleogen för 66 miljoner år sedan, som inkluderade dinosauriernas död.

I alla tre studierna, Jacobsons team använde sofistikerade verktyg i sitt laboratorium för att analysera kalciumisotopsammansättningen av kalciumkarbonatfossiler och sediment. Jacobson sa att ett tydligt mönster håller på att växa fram. Inflödet av koldioxid ledde till global uppvärmning och havsförsurning och, i sista hand, till massiva miljöförändringar.

"I alla våra studier, vi ser konsekvent en ökning av kalciumisotopkvoten innan stora händelser eller utrotningshorisonter börjar, ", sa Jacobson. "Detta verkar peka på liknande förare och vanliga svar."

"Kanske är kalciumisotopsystemet känsligt för de tidigaste faserna av dessa händelser, " tillade Sageman.

Prediktor för framtida havsstress

Många forskare studerar PETM eftersom det ger den bästa analogen för dagens, mänskligt orsakad global uppvärmning. Kolinflödet under PETM liknar mängden kol som frigjorts under de senaste två århundradena. Tidsplanerna, dock, skiljer sig markant. Temperaturerna under PETM ökade med 5 till 8 grader Celsius över 170, 000 år. Med mänskligt orsakade klimatförändringar, samma nivå av uppvärmning förväntas inträffa om mindre än 200 år, om koldioxidutsläppen förblir oförminskade.

Skrämmande, mark- och havsstress, inklusive en betydande minskning av foraminiferal förkalkning, följde med PETM.

"PETM är en modell för vad som händer under stora störningar i kolcykeln, "Sade Jacobson. "Många förutsägelser för jordens framtida klimat bygger på att förstå vad som hände under PETM."