Per centinaia di milioni di anni, il clima terrestre si è riscaldato e raffreddato con fluttuazioni naturali del livello di anidride carbonica (CO₂) nell'atmosfera. Nel secolo scorso, gli esseri umani hanno spinto i livelli di CO₂ al livello più alto in 2 milioni di anni, superando le emissioni naturali, principalmente bruciando combustibili fossili, causando il riscaldamento globale in corso che potrebbe rendere inabitabili parti del globo.

Cosa si può fare? Come scienziati della Terra, osserviamo come i processi naturali hanno riciclato il carbonio dall'atmosfera alla Terra e indietro nel passato per trovare possibili risposte a questa domanda.

La nostra nuova ricerca pubblicata su Natura , mostra come le placche tettoniche, i vulcani, l'erosione delle montagne e i sedimenti dei fondali marini abbiano controllato il clima terrestre nel passato geologico. Sfruttare questi processi può svolgere un ruolo nel mantenimento del clima "Goldilocks" di cui il nostro pianeta ha goduto.

Dalla serra all'era glaciale

I climi di serra e ghiacciaia sono esistiti nel passato geologico. La serra del Cretaceo (che durò da circa 145 milioni a 66 milioni di anni fa) aveva livelli di CO₂ nell'atmosfera superiori a 1.000 parti per milione, rispetto ai circa 420 attuali, e temperature fino a 10℃ superiori a quelle attuali.

Ma il clima della Terra iniziò a raffreddarsi circa 50 milioni di anni fa durante l'era cenozoica, culminando in un clima ghiacciato in cui le temperature scesero a circa 7℃ in meno rispetto a oggi.

Cosa ha dato il via a questo drammatico cambiamento nel clima globale?

Il nostro sospetto era che le placche tettoniche della Terra fossero le colpevoli. Per capire meglio come le placche tettoniche immagazzinano, spostano ed emettono carbonio, abbiamo costruito un modello al computer del "nastro trasportatore del carbonio" tettonico.

Il nastro trasportatore in carbonio

I processi tettonici rilasciano carbonio nell'atmosfera sulle dorsali oceaniche, dove due placche si stanno allontanando l'una dall'altra, consentendo al magma di salire in superficie e creare nuova crosta oceanica.

Allo stesso tempo, nelle fosse oceaniche, dove convergono due placche, le placche vengono abbattute e riciclate nelle profondità della Terra. Durante la loro discesa trasportano il carbonio all'interno della Terra, ma rilasciano anche un po' di CO₂ attraverso l'attività vulcanica.

Il nostro modello mostra che il clima serra del Cretaceo è stato causato da placche tettoniche in rapido movimento, che hanno aumentato notevolmente le emissioni di CO₂ dalle dorsali oceaniche.

Nella transizione verso la ghiacciaia cenozoica, il movimento delle placche tettoniche del clima è rallentato e le emissioni di CO₂ vulcaniche hanno iniziato a diminuire. Ma con nostra sorpresa, abbiamo scoperto un meccanismo più complesso nascosto nel sistema di nastri trasportatori che coinvolge la costruzione di montagne, l'erosione continentale e la sepoltura dei resti di organismi microscopici sul fondo del mare.

L'effetto di raffreddamento nascosto del rallentamento delle placche tettoniche nel Cenozoico

Le placche tettoniche rallentano a causa delle collisioni, che a loro volta portano alla costruzione di montagne, come l'Himalaya e le Alpi formate negli ultimi 50 milioni di anni. Ciò avrebbe dovuto ridurre le emissioni di CO₂ vulcanica, ma invece il nostro modello di nastro trasportatore in carbonio ha rivelato un aumento delle emissioni.

We tracked their source to carbon-rich deep-sea sediments being pushed downwards to feed volcanoes, increasing CO₂ emissions and canceling out the effect of slowing plates.

So what exactly was the mechanism responsible for the drop in atmospheric CO₂?

The answer lies in the mountains that were responsible for slowing down the plates in the first place and in carbon storage in the deep sea.

As soon as mountains form, they start being eroded. Rainwater containing CO₂ reacts with a range of mountain rocks, breaking them down. Rivers carry the dissolved minerals into the sea. Marine organisms then use the dissolved products to build their shells, which ultimately become a part of carbon-rich marine sediments.

As new mountain chains formed, more rocks were eroded, speeding up this process. Massive amounts of CO₂ were stored away, and the planet cooled, even though some of these sediments were subducted with their carbon degassing via arc volcanoes.

Rock weathering as a possible carbon dioxide removal technology

The Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) says large-scale deployment of carbon dioxide removal methods is "unavoidable" if the world is to reach net-zero greenhouse gas emissions.

The weathering of igneous rocks, especially rocks like basalt containing a mineral called olivine, is very efficient in reducing atmospheric CO₂. Spreading olivine on beaches could absorb up to a trillion tons of CO₂ from the atmosphere, according to some estimates.

The speed of current human-induced warming is such that reducing our carbon emissions very quickly is essential to avoid catastrophic global warming. But geological processes, with some human help, may also have their role in maintaining Earth's "Goldilocks" climate.

This study was carried out by researchers from the University of Sydney's EarthByte Group, The University of Western Australia, the University of Leeds and the Swiss Federal Institute of Technology, Zurich using GPlates open access modeling software. This was enabled by Australia's National Collaborative Research Infrastructure Strategy (NCRIS) via AuScope and The Office of the Chief Scientist and Engineer, NSW Department of Industry.