Sappiamo molto su come i livelli di anidride carbonica (CO2) possono guidare il cambiamento climatico, ma che ne dici del modo in cui il cambiamento climatico può causare fluttuazioni nei livelli di CO2? Una nuova ricerca di un team internazionale di scienziati rivela uno dei meccanismi con cui un clima più freddo è stato accompagnato dall'esaurimento della CO2 atmosferica durante le passate ere glaciali.

L'obiettivo generale del lavoro è comprendere meglio come e perché la terra subisce cambiamenti climatici periodici, che potrebbe far luce su come i fattori di origine antropica potrebbero influenzare il clima globale.

La temperatura media della Terra ha oscillato naturalmente di circa 4-5 gradi Celsius nel corso degli ultimi milioni di anni, poiché il pianeta è entrato e uscito dai periodi glaciali. Durante quel periodo, i livelli di CO2 atmosferica della terra hanno oscillato tra circa 180 e 280 parti per milione (ppm) ogni 100, 000 anni o giù di lì. (Negli ultimi anni, le emissioni di carbonio prodotte dall'uomo hanno aumentato tale concentrazione fino a oltre 400 ppm.)

Circa 10 anni fa, i ricercatori hanno notato una stretta corrispondenza tra le fluttuazioni dei livelli di CO2 e della temperatura negli ultimi milioni di anni. Quando la terra è più fredda, anche la quantità di CO2 nell'atmosfera è al minimo. Durante l'ultima era glaciale, che si è concluso verso le 11, 000 anni fa, le temperature globali erano di 5 gradi Celsius inferiori a quelle di oggi, e le concentrazioni di CO2 atmosferica erano a 180 ppm.

Utilizzando una libreria di più di 10, 000 coralli di acque profonde raccolti da Jess Adkins del Caltech, un team internazionale di scienziati ha dimostrato che i periodi di climi più freddi sono associati a una maggiore efficienza del fitoplancton e a una riduzione dei nutrienti nella superficie dell'Oceano Antartico (l'oceano che circonda l'Antartico), che è correlato ad un aumento del sequestro di carbonio nelle profondità dell'oceano. Un articolo sulla loro ricerca appare la settimana del 13 marzo nell'edizione online del Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

"È fondamentale capire perché la concentrazione di CO2 atmosferica era più bassa durante le ere glaciali. Questo ci aiuterà a capire come l'oceano risponderà alle emissioni di CO2 antropogeniche in corso, " dice Xingchen (Tony) Wang, autore principale dello studio. Wang era uno studente laureato a Princeton mentre conduceva la ricerca nel laboratorio di Daniel Sigman, Dusenbury Professore di Scienze Geologiche e Geofisiche. Ora è un borsista post-dottorato della Simons Foundation sulle origini della vita al Caltech.

C'è 60 volte più carbonio nell'oceano che nell'atmosfera, in parte perché l'oceano è così grande. La massa degli oceani del mondo è circa 270 volte maggiore di quella dell'atmosfera. Come tale, l'oceano è il più grande regolatore del carbonio nell'atmosfera, fungendo sia da pozzo che da fonte per la CO2 atmosferica.

I processi biologici sono il principale motore dell'assorbimento di CO2 dall'atmosfera all'oceano. Proprio come la fotosintesi di alberi e piante a terra, il plancton sulla superficie del mare trasforma la CO2 in zuccheri che alla fine vengono consumati da altre creature. Mentre le creature marine che consumano quegli zuccheri, e il carbonio che contengono, muoiono, affondano nell'oceano profondo, dove il carbonio è bloccato lontano dall'atmosfera per lungo tempo. Questo processo è chiamato "pompa biologica".

Una popolazione sana di fitoplancton aiuta a bloccare il carbonio dall'atmosfera. Per prosperare, il fitoplancton ha bisogno di nutrienti, in particolare, azoto, fosforo, e ferro. Nella maggior parte dell'oceano moderno, il fitoplancton esaurisce tutti i nutrienti disponibili nell'oceano di superficie, e la pompa biologica funziona alla massima efficienza.

Però, nel moderno Oceano Meridionale, c'è una quantità limitata di ferro, il che significa che non c'è abbastanza fitoplancton per consumare completamente l'azoto e il fosforo nelle acque superficiali. Quando c'è meno biomassa vivente, c'è anche meno che può morire e affondare sul fondo, il che si traduce in una diminuzione del sequestro del carbonio. La pompa biologica non funziona attualmente in modo efficiente come potrebbe teoricamente.

Per monitorare l'efficienza della pompa biologica nell'arco degli ultimi 40, 000 anni, Adkins e i suoi colleghi hanno raccolto più di 10, 000 fossili del corallo Desmophyllum dianthus.

Perché il corallo? Due motivi:primo, man mano che cresce, il corallo accumula intorno a sé uno scheletro, precipitando carbonato di calcio (CaCO3) e altri oligoelementi (incluso l'azoto) dall'acqua circostante. Questo processo crea una registrazione rocciosa della chimica dell'oceano. Secondo, il corallo può essere datato con precisione utilizzando una combinazione di datazione al radiocarbonio e all'uranio.

"Trovare alcuni coralli fossili alti pochi centimetri 2, 000 metri di profondità nell'oceano non è un compito banale, "dice Adkins, Smits Family Professor di geochimica e scienze ambientali globali al Caltech.

Adkins e i suoi colleghi hanno raccolto corallo dal divario relativamente stretto (500 miglia) noto come il Passaggio di Drake tra il Sud America e l'Antartide (tra gli altri luoghi). Poiché l'Oceano Antartico scorre intorno all'Antartide, tutte le sue acque si incanalano attraverso quella fessura, rendendo i campioni che Adkins ha raccolto una solida registrazione dell'acqua in tutto l'Oceano Antartico.

Wang ha analizzato i rapporti di due isotopi di atomi di azoto in questi coralli:azoto-14 (14N, la varietà più comune dell'atomo, con sette protoni e sette neutroni nel suo nucleo) e azoto-15 (15N, che ha un neutrone in più). Quando il fitoplancton consuma azoto, preferiscono 14N a 15N. Di conseguenza, c'è una correlazione tra il rapporto tra gli isotopi di azoto nella materia organica che affonda (che i coralli poi mangiano mentre cade sul fondo del mare) e la quantità di azoto consumato nell'oceano di superficie e, per estensione, l'efficienza della pompa biologica.

Una maggiore quantità di 15N nei fossili indica che la pompa biologica funzionava in modo più efficiente in quel momento. Un'analogia sarebbe monitorare ciò che una persona mangia nella propria casa. Se stanno mangiando più dei loro cibi meno graditi, allora si potrebbe supporre che la quantità di cibo nella loro dispensa stia per esaurirsi.

Infatti, Wang ha scoperto che quantità maggiori di 15N erano presenti nei fossili corrispondenti all'ultima era glaciale, indicando che la pompa biologica funzionava in modo più efficiente durante quel periodo. Come tale, l'evidenza suggerisce che i climi più freddi consentono a più biomassa di crescere nella superficie dell'Oceano Meridionale, probabilmente perché i climi più freddi sperimentano venti più forti, che può soffiare più ferro nell'Oceano Meridionale dai continenti. Che la biomassa consuma carbonio, poi muore e affonda, chiudendolo lontano dall'atmosfera.

Adkins e i suoi colleghi hanno in programma di continuare a sondare la biblioteca di coralli per ulteriori dettagli sui cicli dei cambiamenti della chimica oceanica negli ultimi centinaia di migliaia di anni.

Lo studio è intitolato "Evidenze dei coralli di acque profonde per le concentrazioni di nitrati sulla superficie dell'Oceano Meridionale inferiori durante l'ultima era glaciale".