Zandgrote fossielen onthullen mogelijke geheimen van de klimaatverandering geschiedenis

Tussen 18.000 en 11.000 jaar geleden steeg de hoeveelheid koolstofdioxide (CO₂) in de atmosfeer plotseling. Dit leidde tot een snelle opwarming van de aarde, de massale smelting van gletsjers en het einde van de laatste ijstijd.

Een groot deel van deze plotselinge toename van atmosferisch CO₂ kwam uit de Zuidelijke Oceaan rond Antarctica, wat de cruciale rol van dit waterlichaam in het reguleren van het wereldklimaat benadrukt. We hebben echter een beperkt begrip van hoe en waarom de CO₂-afgifte uit deze regio veranderde tijdens perioden zoals het einde van de laatste ijstijd. Onze nieuwe studie, gepubliceerd in Nature Communications, onthult hoeveel CO₂ er tijdens deze periode in de atmosfeer werd vrijgegeven vanuit de polaire Zuidelijke Oceaan en welke factoren daarvoor verantwoordelijk waren.

We hebben deze conclusies getrokken door de chemie van zandgrote fossielen, foraminifera, van de zeebodem ten zuiden van Tasmanië te bestuderen.

Kleine schelpen bewaard in modder
Foraminifera zijn kleine eencellige organismen die drijven op het oceaanoppervlak of op de zeebodem leven. De meeste van hen bouwen schelpen van calciumcarbonaat ter bescherming. Na hun dood worden deze foraminifera-schelpen bewaard in de modder op de zeebodem. Nieuwe generaties foraminifera-schelpen stapelen zich op oudere, zoals het toevoegen van nieuwe pagina’s aan een boek. In de loop van de tijd vormen deze schelpen een boek op de zeebodem dat tot miljoenen jaren terug kan worden gedateerd.

Wat nog fascinerender is, is dat sporen van elementen in het zeewater worden opgenomen in de calciumcarbonaat-schelpen van foraminifera. Bij sommige foraminifera-soorten is de hoeveelheid van deze elementen gevoelig voor de omgeving waarin ze leven. Bijvoorbeeld, de hoeveelheid boor in een soort genaamd Cibicidoides wuellerstorfi is gevoelig voor de concentraties van carbonaationen, terwijl de hoeveelheid cadmium in een andere soort (Hoeglundina elegans) gevoelig is voor fosfaatconcentraties.

Door sporen van elementen in deze foraminifera-schelpen, die gevonden zijn in de sequentie van modder op de zeebodem, kunnen we mysteries over de vroegere zeewatercondities ontrafelen.

Een gigantische metalen rietje
Hoe doen wetenschappers dit? Eerst gaan we de oceaan op om modder te verzamelen. In dit proces wordt een gigantisch metalen rietje naar de zeebodem gedropt en vervolgens weer omhoog gehaald naar onze onderzoeksschepen, volledig gevuld met modder. We nemen deze moddermonsters mee naar ons lab, waar we ze in stukken snijden en afzonderlijk onderzoeken. Dit stelt ons in staat om informatie uit elke pagina van het boek in chronologische volgorde te extraheren. Foraminifera-schelpen worden uit de modder gewassen, specifieke schelpen worden onder een microscoop geselecteerd, schoongemaakt en uiteindelijk geanalyseerd op hun chemische samenstelling.

Foraminifera hebben bijna overal in de oceaan geleefd voor miljoenen jaren. Op basis van hun chemische samenstelling hebben wetenschappers een continue registratie van de zeewatertemperatuur gedurende de afgelopen 66 miljoen jaar in detail gereconstrueerd. Een paar plaatsen in de oceaan waar je geen foraminifera kunt vinden is de polaire Zuidelijke Oceaan. Hoewel er enkele foraminifera daar leven, is het zeewater in deze regio vaak te corrosief voor hun schelpen om op de zeebodem te behouden. Het gebrek aan foraminifera in de polaire Zuidelijke Oceaan vormt een grote uitdaging voor wetenschappers die verlangen om vroegere veranderingen in CO₂-uitwisselingen tussen de oceaan en de atmosfeer te begrijpen.

Van Antarctica naar Tasmanië
We besloten het probleem aan te pakken met modder van de zeebodem op 3.300 meter diep, net ten zuiden van Tasmanië. Zeewater op die diepte nabij Tasmanië is ideaal voor het bestuderen van de chemie van de polaire Zuidelijke Oceaan. Dat komt omdat zeewater uit de polaire Zuidelijke Oceaan naar de bodem van de oceaan zakt, naar het noorden beweegt en uiteindelijk de zeebodem ten zuiden van Tasmanië bezet. De chemie van het zeewater – inclusief concentraties van koolstof, fosfaat en zuurstof – verandert echter onderweg aan de bodem van de oceaan.

Deze veranderingen zijn over het algemeen evenredig aan elkaar. Dus als al deze concentraties bekend zijn voor zeewater op diepte nabij Tasmanië, kunnen we hun concentraties in de polaire Zuidelijke Oceaan berekenen. Gelukkig waren er genoeg foraminifera-schelpen in de modder voor al deze reconstructies op de locatie die we nabij Tasmanië onderzochten.

Reconstructie van oude chemische concentraties
Met behulp van de chemie van foraminifera hebben we veranderingen in de concentraties van carbonaation (die grotendeels gerelateerd is aan koolstof), fosfaat en zuurstof aan de bodem van de oceaan nabij Tasmanië tijdens het einde van de laatste ijstijd, ongeveer 20.000-10.000 jaar geleden, gereconstrueerd. Deze periode staat bekend als de laatste deglaciatie.

Op basis van deze reconstructies hebben we de hoeveelheid CO₂ berekend die tijdens de laatste deglaciatie uit de polaire Zuidelijke Oceaan werd vrijgegeven. Een deel van deze CO₂ kwam voort uit biologische processen – veranderingen in de hoeveelheid koolstof die door microscopische organismen die nabij het oceaanoppervlak leven, werd gebruikt. De rest was afkomstig van fysieke processen – CO₂-moleculen die rechtstreeks uit zeewater in de lucht ontsnapten.

We ontdekten dat biologische processen belangrijker waren voor CO₂-uitstoot tijdens de vroegere fasen van de deglaciatie, terwijl de fysieke processen meer bijdroegen tijdens de latere fasen. Dus waarom is dit belangrijk? Wetenschappers gebruiken klimaatmodellen om toekomstige klimaatveranderingen te voorspellen en om vroegere veranderingen in atmosferisch CO₂ te reproduceren.

Onze resultaten bieden testdoelen voor klimaatmodellen om te reproduceren. Betere reproductie van vroegere veranderingen zal het ontwerp van klimaatmodellen verbeteren voor het voorspellen van toekomstige veranderingen. Dit zal ons helpen begrijpen hoe toekomstige veranderingen in de polaire Zuidelijke Oceaan de atmosferische CO₂ kunnen beïnvloeden, wat bijdraagt aan het opstellen van effectieve plannen om CO₂-uitstoot te verminderen.