Jorden utvecklades från ett växthusklimat under kritaperioden (vänster) till ett ishusklimat under den följande kenozoiska eran (höger), vilket ledde till inlandsisar. Kredit:F. Guillén och M. Antón / Wikimedia commons
Under hundratals miljoner år har jordens klimat värmts och svalnat med naturliga fluktuationer i nivån av koldioxid (CO₂) i atmosfären. Under det senaste århundradet har människor skjutit upp CO₂-nivåerna till de högsta på 2 miljoner år – förbi naturliga utsläpp – främst genom att förbränna fossila bränslen, vilket orsakar en pågående global uppvärmning som kan göra delar av världen obeboeliga.
Vad kan göras? Som jordforskare tittar vi på hur naturliga processer har återvunnit kol från atmosfären till jorden och tillbaka i det förflutna för att hitta möjliga svar på denna fråga.
Vår nya forskning publicerad i Nature , visar hur tektoniska plattor, vulkaner, eroderande berg och havsbottensediment har kontrollerat jordens klimat i det geologiska förflutna. Att utnyttja dessa processer kan spela en roll för att upprätthålla "Goldilocks"-klimatet som vår planet har haft.
Från drivhus till istid
Klimat i drivhus och ishus har funnits i det geologiska förflutna. Krita-växthuset (som varade från ungefär 145 miljoner till 66 miljoner år sedan) hade atmosfäriska CO₂-nivåer över 1 000 ppm, jämfört med cirka 420 idag, och temperaturer upp till 10 ℃ högre än idag.
Men jordens klimat började svalna för cirka 50 miljoner år sedan under den kenozoiska eran, vilket kulminerade i ett ishusklimat där temperaturen sjönk till ungefär 7℃ svalare än idag.
Vad kickstartade denna dramatiska förändring i det globala klimatet?
Vår misstanke var att jordens tektoniska plattor var boven. För att bättre förstå hur tektoniska plattor lagrar, flyttar och avger kol byggde vi en datormodell av det tektoniska "koltransportbandet."
Jordens tektoniska koltransportband förflyttar enorma mängder kol mellan den djupa jorden och ytan, från åsar i mitten av havet till subduktionszoner, där oceaniska plattor som bär djuphavssediment återvinns tillbaka till jordens inre. De involverade processerna spelar en avgörande roll för jordens klimat och beboelighet. Författare tillhandahålls
Koltransportbandet
Tektoniska processer släpper ut kol i atmosfären vid åsar i mitten av havet – där två plattor rör sig bort från varandra – vilket gör att magma kan stiga upp till ytan och skapa ny havsskorpa.
Samtidigt, vid havsgravarna – där två plattor konvergerar – dras plattorna ner och återanvänds tillbaka till den djupa jorden. På väg ner transporterar de kol tillbaka in i jordens inre, men släpper också ut en del CO₂ via vulkanisk aktivitet.
Vår modell visar att växthusklimatet i Krita orsakades av mycket snabbrörliga tektoniska plattor, vilket dramatiskt ökade CO₂-utsläppen från åsar i mitten av oceanerna.
Under övergången till det kenozoiska ishusets klimat avtog den tektoniska plattrörelsen och vulkaniska CO₂-utsläpp började minska. Men till vår förvåning upptäckte vi en mer komplex mekanism gömd i transportbandssystemet som involverade bergsbyggnad, kontinental erosion och nedgrävning av resterna av miskroskopiska organismer på havsbotten.
Den dolda kyleffekten av att bromsa tektoniska plattor i kenozoikum
Tektoniska plattor saktar ner på grund av kollisioner, vilket i sin tur leder till bergsbyggande, som Himalaya och Alperna som bildats under de senaste 50 miljoner åren. Detta borde ha minskat vulkaniska CO₂-utsläpp men istället visade vår koltransportbandsmodell ökade utsläpp.
Vi spårade deras källa till kolrika djuphavssediment som pressades nedåt för att mata vulkaner, vilket ökade CO₂-utsläppen och eliminerade effekten av att bromsa plattorna.
So what exactly was the mechanism responsible for the drop in atmospheric CO₂?
The answer lies in the mountains that were responsible for slowing down the plates in the first place and in carbon storage in the deep sea.
As soon as mountains form, they start being eroded. Rainwater containing CO₂ reacts with a range of mountain rocks, breaking them down. Rivers carry the dissolved minerals into the sea. Marine organisms then use the dissolved products to build their shells, which ultimately become a part of carbon-rich marine sediments.
As new mountain chains formed, more rocks were eroded, speeding up this process. Massive amounts of CO₂ were stored away, and the planet cooled, even though some of these sediments were subducted with their carbon degassing via arc volcanoes.
The limestone of the White Cliffs of Dover is an example of carbon-rich marine sediment, composed of the remains of tiny calcium carbonate skeletons of marine plankton. Credit:I Giel / Wikimedia, CC BY
Rock weathering as a possible carbon dioxide removal technology
The Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) says large-scale deployment of carbon dioxide removal methods is "unavoidable" if the world is to reach net-zero greenhouse gas emissions.
The weathering of igneous rocks, especially rocks like basalt containing a mineral called olivine, is very efficient in reducing atmospheric CO₂. Spreading olivine on beaches could absorb up to a trillion tons of CO₂ from the atmosphere, according to some estimates.
The speed of current human-induced warming is such that reducing our carbon emissions very quickly is essential to avoid catastrophic global warming. But geological processes, with some human help, may also have their role in maintaining Earth's "Goldilocks" climate.
This study was carried out by researchers from the University of Sydney's EarthByte Group, The University of Western Australia, the University of Leeds and the Swiss Federal Institute of Technology, Zurich using GPlates open access modeling software. This was enabled by Australia's National Collaborative Research Infrastructure Strategy (NCRIS) via AuScope and The Office of the Chief Scientist and Engineer, NSW Department of Industry.
