Okazuje się, iż to poziom morza decydował, ile fosforu trafiało do oceanu i jak dużo węgla grzebano w osadach. Tak działał ukryty termostat Ziemi.
Ziemski termostat nie przypomina pokrętła, które utrzymuje jedną temperaturę. Tworzy go skomplikowana sieć skał, oceanów, organizmów i gazów, działająca w rytmie liczonym w milionach lat. Zespół naukowców z Uniwersytetu Oksfordzkiego oraz kilku innych ośrodków badawczych, analizując dane geochemiczne z ostatnich 60 mln lat, odkrył właśnie brakujący element tego systemu. Okazuje się, iż poziom morza odgrywał kluczową rolę: decydował, czy fosfor zostanie uwięziony przy brzegu, czy trafi do otwartego oceanu, gdzie napędzi rozwój planktonu i pomoże pogrzebać ogromne ilości węgla na miliony lat.
Ziemia się ochłodziła, ale brakowało odpowiedzi, gdzie zniknął węgiel
Jeszcze około 50 mln lat temu Ziemia była znacznie cieplejszym światem, niż jest obecnie. W eocenie nie istniały bowiem rozległe lądolody znane ze współczesnej Antarktydy i Grenlandii, poziom mórz był wysoki, a stężenie dwutlenku węgla w atmosferze wielokrotnie przekraczało późniejsze wartości.
W kolejnych dziesiątkach milionów lat klimat stopniowo się ochładzał. Powstały trwałe pokrywy lodowe, poziom oceanów spadł, a ilość CO2 w atmosferze wyraźnie zmalała. Problem polegał na tym, iż naukowcy nie potrafili w pełni wskazać, gdzie trafiła tak duża część węgla.
Znanym mechanizmem jest wietrzenie skał krzemianowych. Deszczówka zawierająca rozpuszczony CO2 reaguje ze skałami, a powstałe związki spływają rzekami do oceanów i ostatecznie zostają zamknięte w osadach. Jak pisaliśmy w tekście: Strefa życia to za mało. Wiadomo, czego jeszcze potrzebują planety, ten bardzo powolny obieg działa jak geologiczny regulator temperatury. Opublikowane niedawno badanie pokazuje, iż znaczną rolę odegrał również węgiel organiczny pochodzący z morskiego życia. Kluczem okazał się fosfor.
Morze uwolniło nawóz dla planktonu
Występujący w wodzie głównie w postaci fosforanów fosfor jest jednym z podstawowych składników potrzebnych organizmom do wzrostu. Bez niego choćby najbardziej nasłoneczniony ocean z dostatkiem CO2 nie stanie się z automatu wyjątkowo produktywny. Trafia do mórz wraz z materiałem wypłukiwanym ze skał. Jego dalszy los zależy jednak od ukształtowania wybrzeży. Gdy poziom morza jest bardzo wysoki, woda zalewa rozległe szelfy kontynentalne, czyli płytkie części kontynentów znajdujące się przy brzegu.
Na szelfach gwałtownie odkładają się osady. Działają one trochę jak pułapka, która zatrzymuje fosfor, zanim zdąży on popłynąć dalej od lądu. W efekcie otwarty ocean ma mniej składników odżywczych, planktonu jest mniej, a wraz z nim maleje ilość węgla opadającego na dno.
Kiedy morza zaczęły się cofać, to powierzchnia płytkich pułapek gwałtownie zmalała. Oznacza to, iż więcej fosforu mogło uciekać do otwartego oceanu. Naukowcy porównują ten proces do brudnego pierścienia pozostającego na wannie po spuszczeniu wody: strefa intensywnego osadzania przesuwa się w dół, ale zajmuje znacznie mniejszą powierzchnię.
Co ciekawe, dodatkowy fosfor działał trochę jak nawóz. Zwiększała się produkcja planktonu, a po jego śmierci więcej materii organicznej opadało w stronę dna. Część była rozkładana, ale część zostawała przykryta kolejnymi warstwami osadów. Węgiel wcześniej pobrany z CO2 znikał w ten sposób z aktywnego obiegu na miliony lat.
Brak tlenu jeszcze przyspieszał cały proces
Trzeba wiedzieć, iż rozkład opadającej materii organicznej zużywa tlen rozpuszczony w wodzie. Im większa produkcja planktonu, tym więcej szczątków opada i tym szybciej mogą rozszerzać się strefy minimalnej zawartości tlenu.
Kiedy słabo natleniona woda docierała do osadów na szelfie, uruchamiała kolejny etap sprzężenia zwrotnego. W warunkach niedoboru tlenu związany wcześniej fosfor łatwiej wraca do wody. Ponownie nawozi ocean, wywołuje większą produkcję biologiczną i prowadzi do pogrzebania kolejnej porcji węgla. Mechanizm sam się więc wzmacniał. Spadający poziom morza uwalniał fosfor, fosfor napędzał rozwój organizmów, rozkład ich szczątków usuwał tlen, a niedobór tlenu uwalniał jeszcze więcej fosforu.
Najsilniej działało to jednak tylko przy odpowiednim poziomie oceanu. Badacze znaleźli geologiczny złoty środek, gdy lustro morza znajdowało się około 10-40 m wyżej niż obecnie. Strefy ubogie w tlen nachodziły wtedy na bogate w materię organiczną osady szelfowe, maksymalizując uwalnianie fosforu i grzebanie węgla.
Przy charakterystycznym dla ciepłego eocenu bardzo wysokim poziomie mórz fosfor pozostawał uwięziony na rozległych szelfach. Przy dalszym spadku wód strefy niedoboru tlenu przesuwały się zbyt głęboko i traciły kontakt z osadami przybrzeżnymi. Można więc powiedzieć, iż ten termostat miał własny bezpiecznik, który zapobiegał nieograniczonemu ochłodzeniu i zamianie planety w lodową kulę.
Odczytali 60 mln lat historii z chemii mikroskopijnych skamieniałości
Co bardzo istotne, wniosek nie powstał na podstawie tylko jednego rdzenia osadów ani pojedynczej symulacji. Autorzy połączyli kilka niezależnych zapisów geochemicznych obejmujących ostatnie 60 mln lat. Zmiany udziału węgla organicznego odtworzyli na podstawie izotopów węgla zapisanych w osadach i alkenonach, czyli odpornych związkach produkowanych przez morskie glony. Samo tempo gromadzenia fosforu sprawdzili natomiast w próbkach z głębokiego oceanu.
Najbardziej nietypowym narzędziem był tutaj stosunek jodu do wapnia w skorupkach otwornic. Te mikroskopijne organizmy budują wapienne pancerzyki, których chemia zależy od warunków panujących w wodzie. Ilość zachowanego jodu pozwala oszacować, jak dobrze natleniony był ocean w chwili ich życia.
Badacze zestawili te dane z rekonstrukcjami poziomu mórz. Okresy pośredniego poziomu wody pokrywały się z wielomilionowymi impulsami zwiększonego grzebania węgla organicznego oraz rozwojem stref ubogich w tlen. Z kolei podczas wyjątkowo ciepłego eocenu ocean był lepiej natleniony, fosforu w otwartej wodzie było mniej, a mechanizm wychwytywania węgla działał słabiej.
To nie jest oczywiście ostateczne wyjaśnienie całej historii klimatu. Na temperaturę wpływały także wulkany, ustawienie kontynentów, prądy oceaniczne, wietrzenie skał i wzrost pokryw lodowych. Nowe dane pokazują jednak, iż fosfor nie był jedynie dodatkiem do obiegu węgla, ale jednym z jego głównych regulatorów.
Ten termostat nie zatrzyma współczesnego ocieplenia
Planeta sama posprząta wypuszczany przez ludzi dwutlenek węgla? Nic bardziej mylnego. Opisany mechanizm działał przez setki tysięcy i miliony lat, ale współczesne emisje zmieniają atmosferę w ciągu dekad, a więc tysiące razy szybciej.
Rosnąca produkcja biologiczna i niedobór tlenu nie są też wyłącznie korzystne. Odcięcie tlenu może niszczyć morskie ekosystemy, prowadzić do powstawania martwych stref i uruchamiać szkodliwe reakcje chemiczne. Jak pisaliśmy w tekście: Największa katastrofa w dziejach Ziemi. „Wymarł świat podobny do naszego”, destabilizacja natlenienia oceanów odegrała istotną rolę również podczas największych kryzysów biologicznych.
Odkryty termostat nie jest więc kołem ratunkowym, ale kolejnym dowodem, jak cienka jest granica między stabilizacją a katastrofą. Ocean potrafił stopniowo usuwać węgiel i chłodzić planetę, ale potrzebował na to milionów lat. Traktowanie tego mechanizmu jako usprawiedliwienia dla dalszych emisji byłoby jak skakanie z dachu z przekonaniem, iż geologia kiedyś posprząta za nas chodnik.
*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI
