Quando gli scienziati vogliono studiare il passato geologico molto antico della Terra, in genere maggiore di 100 milioni di anni fa, spesso si rivolgono a rocce chiamate carbonati.

carbonati di calcio, le forme più onnipresenti di carbonato, sono minerali che precipitano dall'acqua di mare e formano depositi sedimentari stratificati sul fondo del mare. Sono comunemente noti come calcare. Più di 3,5 miliardi di anni di storia della Terra sono raccontati nelle rocce carbonatiche. Molti scienziati li usano per ricostruire le storie dei cambiamenti climatici e del passato ciclo globale del carbonio, ovvero, il processo attraverso il quale il carbonio viaggia tra gli oceani, l'atmosfera, la biosfera e la roccia solida.

"Puoi imparare molto dai carbonati, " ha detto Emily Geyman, laureato in geoscienze a Princeton nel 2019 e autore principale di un articolo pubblicato l'8 novembre su Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze ( PNAS ). Il documento è stato il risultato della ricerca di tesi senior di Geyman in cui ha studiato la composizione chimica dei carbonati e il modo in cui questi carbonati registrano il ciclo del carbonio.

"La cosa che rende i carbonati particolarmente utili rispetto a qualcosa come un'arenaria, "Geyman ha detto, "è che il carbonato è precipitato direttamente dall'acqua di mare, quindi l'idea è che la chimica dei carbonati, che possiamo misurare, ci dirà qualcosa sull'antico oceano."

Ma non tutti i carbonati vengono conservati nella documentazione geologica. carbonati di acque profonde, Per esempio, in genere vengono subdotti, ecco perché gli scienziati si rivolgono spesso ai carbonati che si accumulano sulle piattaforme continentali poco profonde. Il problema, però, è che gli scienziati non sanno ancora abbastanza su come proprietà come la chimica dell'oceano, temperatura dell'oceano, l'energia delle onde e la profondità dell'acqua vengono tradotte nel record di carbonato superficiale.

Ora, però, i ricercatori di Princeton stanno lavorando per rispondere a questa domanda.

"Nessuno aveva effettivamente guardato l'equivalente di questi antichi calcari che si stanno formando oggi e ne aveva compreso la traduzione, " ha detto Adam Maloof, un professore di geoscienze che ha collaborato alla carta con Geyman. "È come cercare di tradurre vecchi testi senza una Stele di Rosetta. Avevamo bisogno della nostra Stele di Rosetta".

Non solo i ricercatori hanno trovato la loro Stele di Rosetta sotto forma di un'ipotesi innovativa, ma i loro risultati sfidano la logica convenzionale sull'uso dei carbonati per ricostruire i cicli globali del carbonio passati.

"Una delle misurazioni più comuni che facciamo dai carbonati antichi è la composizione dell'isotopo di carbonio, " ha detto Geyman. "E colleghiamo la composizione degli isotopi del carbonio alle perturbazioni globali nel ciclo del carbonio".

Lo studio degli isotopi antichi, forme diverse dello stesso elemento, è una chiave per comprendere quanto e perché il ciclo globale del carbonio della Terra è cambiato in passato. Questo è fondamentale perché il ciclo del carbonio funge da termostato per regolare la temperatura della Terra, disse Maloof. Capire come funziona questo termostato ci aiuterà a prevedere i futuri cambiamenti climatici.

La loro ricerca li ha portati ad Andros Island alle Bahamas, una grande isola quasi interamente disabitata situata sulla Great Bahama Bank.

Le Bahamas sono un ottimo posto per studiare l'antico passato geologico della Terra. "Durante gran parte della storia della Terra, "Geyman ha detto, "Oggi gran parte della superficie terrestre assomigliava alle Bahamas".

L'obiettivo era capire come la chimica dell'acqua controlla la chimica della roccia, fondamentalmente, come vengono registrati gli isotopi di carbonio negli ambienti contemporanei e cosa questo potrebbe dire sul ciclo del carbonio passato.

"Se vuoi capire com'era il livello del mare passato e la chimica dell'acqua di mare osservando i carbonati antichi, "Geyman ha detto, "devi andare all'analogico moderno e chiedere 'bene, come si formano i carbonati moderni in questo momento secondo l'attuale chimica oceanica e l'attuale livello del mare?""

Quello che hanno trovato, e ciò che studi precedenti hanno dimostrato, era che stava succedendo qualcosa di strano nel sedimento delle Bahamas. Il calcare che si formava lì aveva carbonio-13 che sembrava troppo alto rispetto al plancton unicellulare che galleggiava in tutto l'oceano aperto.

Un'ampia percentuale di carbonati antichi dimostra anche questo anomalo alto contenuto di carbonio-13. Se si assume che questo rifletta le condizioni oceaniche globali, Maloof ha sottolineato, "Sei bloccato a fare deduzioni drastiche su grandi cambiamenti nel ciclo del carbonio".

Anziché, Geyman e Maloof hanno escogitato un'ipotesi che chiamano il "motore a ciclo diurno del carbonio". Come il nome suggerisce, il processo prevede un ciclo di 24 ore. Quando il sole splende durante il giorno, le piante acquatiche assorbono il carbonio-12 dall'acqua attraverso il processo di fotosintesi e lo usano per produrre materiale vegetale. Poiché le piante assumono preferibilmente carbonio-12, il carbonio rimanente nell'acqua si arricchisce di carbonio-13.

La componente essenziale di questo processo è che il calcare si forma più velocemente durante il picco della giornata in cui avviene la fotosintesi perché la fotosintesi rende l'acqua più satura di carbonato di calcio. Di notte la fotosintesi lascia il posto alla respirazione aerobica e il carbonio sequestrato nei tessuti delle piante viene restituito all'acqua. Ma la formazione di calcare "non ha quasi traccia" della notte, Maloof ha detto, perché ci sono pochissime precipitazioni. Se le precipitazioni si sono verificate ugualmente durante la notte, il livello medio di carbonio-13 sarebbe normale perché il carbonio-12 verrebbe reintrodotto nel sistema.

Questo processo, affermano i ricercatori, can only happen when the water is sufficiently shallow and protected on continental shelves and platforms like the Bahamas. The same diurnal process occurs in the open ocean, but the movement of the waves constantly mixes and brings in new water so that carbon-13 is never elevated to such extremes.

The particular way Bahamian sediments absorb calcium carbonates from seawater complicates the picture of using ancient limestones to record a global carbon cycle. It can't be assumed that there was a single, uniform process of carbon cycling that characterized the past, Maloof said.

"We're using a modern analog to study the past, " Geyman added, "and the past is the key in many ways to understanding the future."

Geyman currently is pursuing a master's with a focus on glaciology at the University of Tromsø in Arctic Norway as part of a Sachs Global Fellowship from Princeton.

She conducted her Bahamas work as part of her junior and senior independent work at Princeton. An accomplished young scientist, she has already been the recipient of numerous awards and accolades. She received the Peter W. Stroh '51 Environmental Senior Thesis Prize, the Calvin Dodd MacCracken Award from Princeton's School of Engineering and Applied Science and the Edward Sampson 1914 Award for distinguished work in environmental geoscience.

Maloof has high praise for Geyman. "She can do anything, " he said. "Most of the time the really good observers do field work … they're not at the same time computer scientists who can make amazing analyses. And she is both."

La carta, "A diurnal carbon engine explains 13C-enriched carbonates without increasing the global production of oxygen, " by Emily Geyman and Adam Maloof, was published online Nov. 8 in the Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze