La Terra possiede un termostato naturale e gli scienziati finalmente ne hanno compreso il funzionamento.

La Terra sembra possedere un sistema naturale di regolazione climatica che ha contribuito a mantenere il pianeta abitabile per oltre 100 milioni di anni. Gli scienziati sanno da tempo dell’esistenza di questo sistema, ma i meccanismi che lo regolano sono rimasti difficili da spiegare.

Una nuova ricerca evidenzia una connessione finora trascurata tra il livello del mare e la disponibilità di fosfati nell’oceano. Le variazioni della temperatura globale hanno influenzato le dimensioni delle calotte glaciali polari, modificando di conseguenza il livello del mare. Tali variazioni hanno poi inciso sulla quantità di fosfati che raggiungeva l’oceano aperto, sulla quantità di carbonio che si depositava nei sedimenti marini e sulla quantità di anidride carbonica che rimaneva nell’atmosfera.

Nel loro insieme, questi processi hanno contribuito a determinare se la Terra si è riscaldata o raffreddata nel corso di lunghi periodi di tempo.

Livello del mare e ciclo del carbonio terrestre

Il nuovo studio è stato realizzato in collaborazione con Zunli Lu, professore di scienze della Terra e ambientali presso il College of Arts and Sciences della Syracuse University. Esamina come le variazioni del livello del mare e delle condizioni di ossigeno oceanico abbiano influenzato la disponibilità di fosfati e l’anidride carbonica atmosferica negli ultimi 60 milioni di anni.

I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Proceedings of the National Academy of Sciences .

“Sappiamo che l’anidride carbonica atmosferica è diminuita in modo sostanziale con il raffreddamento della Terra negli ultimi 60 milioni di anni, ma finora avevamo una conoscenza molto limitata di dove fosse finito quel carbonio”, afferma l’autrice principale Ros Rickaby, professoressa di scienze della Terra all’Università di Oxford, in un articolo del dipartimento. “I nostri risultati suggeriscono che un maggiore seppellimento di carbonio organico nei sedimenti marini abbia giocato un ruolo molto più importante di quanto si pensasse in precedenza.”

Il fosfato come regolatore climatico nascosto

Al centro dello studio c’è il fosforo, in particolare il fosfato, un nutriente essenziale per la crescita degli organismi marini. I ricercatori descrivono il fosfato come un elemento finora “invisibile” del complesso quadro climatico.

Quando il livello del mare era alto, le piattaforme continentali poco profonde coprivano un’area più vasta. Queste piattaforme intrappolavano il fosfato nei sedimenti costieri, riducendo la quantità di questo nutriente disponibile nell’oceano aperto.

Con una minore concentrazione di fosfati nell’acqua, la produttività marina rallentò. Crescevano meno organismi, meno carbonio organico si depositava sul fondale marino e meno carbonio veniva seppellito nei sedimenti. Le acque oceaniche, inoltre, si arricchirono di ossigeno, mentre l’anidride carbonica si accumulò nell’atmosfera.

Il risultato è stato un pianeta più caldo.

Il crollo dei mari ha innescato un feedback del carbonio

Quando il livello del mare si è abbassato, il processo si è invertito.

Con il restringersi delle piattaforme continentali, una maggiore quantità di fosfati è entrata nell’acqua. Questo eccesso di nutrienti ha favorito una proliferazione della vita marina. Quando gli organismi morivano, i loro resti affondavano e si decomponevano, consumando l’ossigeno presente nell’acqua circostante.

Nel corso del tempo, nell’oceano si sono formate zone a basso contenuto di ossigeno. Quando queste zone hanno raggiunto i sedimenti ricchi di carbonio sulle piattaforme continentali, hanno attivato un potente processo di retroazione.

La scarsità di ossigeno ha causato il rilascio di una quantità ancora maggiore di fosfato dai sedimenti. Questo ulteriore apporto di fosfato ha favorito una maggiore crescita della flora marina, che a sua volta ha portato a un maggiore seppellimento di carbonio organico sul fondale marino. Con la rimozione di una maggiore quantità di carbonio dall’oceano e dall’atmosfera, la concentrazione di CO2 atmosferica è diminuita.

“Il nostro coautore, Christian Bjerrum, ha studiato la correlazione tra livello del mare, ossigeno oceanico e fosfati con un modello computerizzato vent’anni fa”, afferma Lu. “Finalmente siamo riusciti a ricostruire i dati geologici necessari per verificare questa ipotesi.”

Un punto ottimale al livello del mare per lo stoccaggio del carbonio.

I ricercatori hanno scoperto che questo meccanismo di feedback raggiungeva la sua massima intensità quando il livello del mare si trovava approssimativamente tra i 10 e i 40 metri al di sopra del livello attuale.

In questo punto ottimale del livello del mare, le acque a basso contenuto di ossigeno si sovrapponevano ai sedimenti della piattaforma continentale ricchi di materia organica. Questa combinazione ha permesso che quantità insolitamente elevate di carbonio rimanessero sepolte per milioni di anni.

Il team ha confrontato questo modello con 60 milioni di anni di dati geologici. I dati includevano registrazioni degli isotopi del carbonio, misurazioni dell’accumulo di fosforo nei sedimenti degli abissi marini e un nuovo metodo di conversione iodio-calcio per ricostruire gli antichi livelli di ossigeno oceanico.

Leggere l’ossigeno oceanico antico

Il laboratorio di Lu ha effettuato le misurazioni del rapporto iodio-calcio.

Il metodo analizza la composizione chimica degli antichi foraminiferi, organismi marini microscopici i cui resti si conservano nei sedimenti del fondale marino. La loro composizione chimica permette agli scienziati di stimare la quantità di ossigeno presente nell’acqua quando vivevano.

I campioni sono stati analizzati con uno spettrometro di massa presso l’Università di Syracuse. Lo strumento è stato finanziato dalla National Science Foundation.

Perché l’Eocene è rimasto caldo

L’epoca dell’Eocene, che durò all’incirca da 56 a 34 milioni di anni fa, fornisce un chiaro esempio di ciò che accadde quando il meccanismo di retroazione della sepoltura del carbonio era in gran parte inattivo.

Durante quel periodo, il livello del mare era estremamente alto e ampie piattaforme continentali furono sommerse. Il fosfato rimase intrappolato nei sedimenti superficiali, lasciando l’oceano aperto relativamente povero di nutrienti.

La produttività marina rimase bassa, l’oceano divenne altamente ossigenato e una minore quantità di carbonio organico venne seppellita. Con il meccanismo di feedback effettivamente disattivato, l’anidride carbonica si accumulò nell’atmosfera e la Terra rimase calda.

Un sistema climatico che è diventato più stabile

I ricercatori ipotizzano che le zone in cui avviene la sedimentazione del carbonio si siano gradualmente ristrette nel corso del tempo geologico, man mano che le acque a basso contenuto di ossigeno si sono spostate a profondità maggiori.

Questo cambiamento a lungo termine potrebbe aver contribuito a stabilizzare sia l’ossigeno che l’anidride carbonica atmosferica. Le oscillazioni tra l’assorbimento e l’accumulo di carbonio nell’atmosfera sono diventate meno estreme, rendendo il sistema climatico terrestre più resistente alle perturbazioni.

Punti chiave emersi dallo studio

Il fosfato, un nutriente essenziale per la vita marina, ha agito come regolatore occulto del ciclo del carbonio terrestre negli ultimi 60 milioni di anni, sebbene il suo ruolo esatto non fosse stato pienamente compreso.

Il livello del mare influenzava la quantità di fosfato che raggiungeva l’oceano aperto. Questo, a sua volta, controllava la produttività marina, la quantità di carbonio sepolta nei sedimenti del fondale marino e la quantità di anidride carbonica rimasta nell’atmosfera.

Un punto ottimale del livello del mare, situato tra i 10 e i 40 metri sopra il livello attuale, ha prodotto il più grande sequestro di carbonio. Questo processo ha agito come un freno naturale al riscaldamento per milioni di anni e ha contribuito a far sì che la Terra raggiungesse il suo clima attuale, più freddo.

La ricerca ha coinvolto collaboratori dell’Università di Oxford (Rickaby e Thomas Wood) e dell’Università di Copenaghen (Christian J. Bjerrum). È stata finanziata da due sovvenzioni della National Science Foundation.

Questi risultati si aggiungono a un più ampio corpus di lavori del laboratorio di Lu, che utilizza il metodo iodio-calcio per ricostruire le condizioni di ossigeno negli antichi oceani.

Uno studio precedente, pubblicato a gennaio su Nature Geoscience , ha utilizzato la stessa tecnica per dimostrare che gli oceani tropicali durante l’eone Proterozoico erano ricchi di ossigeno. Tale distribuzione era l’esatto opposto di quella attuale. I ricercatori hanno anche scoperto che un punto di svolta planetario, centinaia di milioni di anni fa, ha causato un’inversione della distribuzione globale dell’ossigeno. 

I meccanismi irrisolti stabilizzano l’atmosfera del nostro pianeta. Le ricostruzioni cenozoiche dei tassi di sepoltura del carbonio organico e del fosforo e l’ossigenazione della colonna d’acqua rivelano il feedback del primo ordine tra il grado di inondazioni continentali della piattaforma e la produttività degli oceani. La disponibilità limitata di P acquosa ad alto livello del mare, a causa dell’efficiente sepoltura della piattaforma continentale, affamata il pozzo di carbonio sedimentario dell’oceano, ha ossigenato l’oceano e ha portato all’accumulo atmosferico di _CO 2. Il livello inferiore del mare ospitava l’aumento della P e le acque deossigenate emergenti. L’estensione dell’interazione tra le zone a basso contenuto di ossigeno dell’oceano e i sedimenti di scaffale definisce un “dolce punto” a livello del mare per la rapida sepoltura del carbonio organico che funge da raddrizzatore delle condizioni glaciali. L’approfondimento geologico delle zone minime di ossigeno (OMZ) ha sempre più stabilizzato la CO ₂ e l’O ₂ nell’atmosfera terrestre.

Abstract

I meccanismi termostatici della persistente abitabilità della Terra rimangono irrisolti. I record di isotopi Cenozoic C ad alta risoluzione, l’accumulo di P e la frattura grossa I/Ca consentono il ricalcolo e la valutazione dei controlli sulla proporzione globale di carbonio totale sepolto come carbonio organico (f _org), un regolatore di O ₂ atmosferico CO ₂ e O ₂2. f _org è stato soppresso durante la serra dell’Eocene, in coincidenza con una colonna d’acqua ossigenata e basso fosfato di carbonia. Con la diminuzione del livello del mare, l’area per una sepoltura sedimentaria organica efficiente del carbonio e del fosfato è diminuita, portando sempre più a una maggiore fosfato di colonna d’acqua, a una maggiore produttività primaria e alla deossigenazione di colonne d’acqua emergenti. L’influenza del livello del mare sull’estensione areale dell’alta sedimentazione nelle regioni a scaffale agisce come un controllo sulla disponibilità di fosfati per la nuova produzione, la domanda respiratoria e l’ossigenazione degli oceani, come proposto dai modelli ipsografici [C. J. Bjerrum, J. Bendtsen, J. J. F. Legarth, Geochem. Geofie. Geosi. 77, 1–24 (2006)]. Durante gli alti livelli del mare intermedi del Neogene, i legumi di sepoltura di carbonio organico potenziata hanno prevalso per milioni di anni, in risposta al riciclaggio redox del fosfato quando erano presenti zone minime di ossigeno con O ₂ < 90 μmol/kg. Proponiamo l’esistenza di un punto dolce a livello del mare intermedio autolimitante con sepoltura di picco C _org a causa del riciclaggio redox del fosfato, per cui le zone minime di ossigeno (OMZ) con O ₂ < 90 μmol/kg incidono sui sedimenti continentali più ricchi _{di org}. Un punto così dolce si è ristretto nella storia della Terra a causa dell’approfondimento delle OMZ, stabilizzando sia l’O ₂ atmosferico che il CO ₂2. I controlli dell’inondazione marina continentale sulla disponibilità di fosfati e il flusso di carbonio sedimentario forniscono un feedback positivo e un raddrizzatore alle perturbazioni durante l’inizio del mondo della ghiacciaia.

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