Paleoklimatologia: CO2 - jeśli nie rdzenie lodowe, to co?

W poprzedniej części naszego cyklu o paleoklimatologii pisaliśmy o badaniach składu dawnej atmosfery na podstawie analizy powietrza uwięzionego w lądolodach Grenlandii lub Antarktydy. Nie jest to jednak jedyna metoda pozyskiwania danych na temat atmosferycznego stężenia CO2 w mniej lub bardziej odległej przeszłości Ziemi.

Zdjęcie przedstawia mikroskopowy obraz aparatu szparkowego, na ciemnym tle widać coś przypominająceog oko z powieką

Rysunek 1: Aparat szparkowy w powiększeniu. Źródło: Wikipedia, licencja CC BY-SA 3.0.

Aparaty szparkowe

W rozmowach o dwutlenku węgla często pojawia się temat roślin, które pochłaniają ten gaz z atmosfery, by wykorzystać węgiel do budowy swoich tkanek. Rzadziej zwraca się uwagę na to, że rośliny jednocześnie oddychają, czyli wprowadzają CO2 do atmosfery. Oba procesy wymagają wymiany gazowej z otoczeniem. Zachodzi ona za pośrednictwem tzw. aparatów szparkowych.

Większe zagęszczenie aparatów szparkowych na powierzchni liścia (w tym igieł u roślin iglastych) umożliwia wymianę większej ilości gazu, jednak przyspiesza też utratę wilgoci i stanowi wrota do inwazji patogenów, takich jak zarodniki grzybów. Rośliny „dostosowują” więc ilość aparatów szparkowych do warunków środowiska. Przy wzroście koncentracji dwutlenku węgla w atmosferze o 100ppm, gęstość aparatów szparkowych u roślin zmniejsza się na ogół o kilka procent (Franks i in. 2012). Pozwala to na określenie dawnego stężenia CO2 w atmosferze.

Zdjęcie rpzedstawia urozmaiconą ale dość regularną, grudkowatą strukturę aparatów szparkowych

Rysunek 2: Spodnia powierzchnia liścia Tradescantia zebrina, zielone struktury to aparaty szparkowe. Zdjęcie Zephyris, Wikipedia, licencja CC BY-SA 3.0.

Paleozole

Informacji o prehistorycznych koncentracjach CO2 dostarczają również paleozole. Są to gleby kopalne zachowane pod osadami (m. in. rzecznymi, eolicznymi (lessowymi) lub popiołami wulkanicznymi), które uległy skamienieniu. W ten sposób odcięły się one od późniejszych powierzchniowych procesów geologicznych, zachowując swoje cechy fizykochemiczne z okresu powstawania.

Zdjęcie przedstawia dużą skałe o prawie pionowej ścianie, przed nią stoi trzech mężczyzn przyglądających się jej szczegółom, świeci Słońce, wokół roślinność trawiaska

Rysunek 3: Paleozol wapienny, Madison Bluffs, południowo-zachodnia Montana. Zdjęcie: dr Debra Hanneman, Whitehall Geogroup, Inc.

Węgiel w paleozolach jest dwojakiego pochodzenia: atmosferycznego (charakteryzującego się wysokim δ13C) oraz z rozkładu szczątek roślinnych (o niskim δ13C) (patrz Paleoklimatologia: co nam powie skład izotopowy węgla). Przy wysokiej koncentracji dwutlenku węgla w powietrzu, w glebie rośnie udział izotopu węgla 13C. Znając relacje pomiędzy składem izotopowym węgla w atmosferze i roślinach możemy na podstawie badania powstającego w glebie węglanu wapnia określić stężenie CO2 w powietrzu. Izotopy innych pierwiastków niosą informacje o temperaturze i opadach.

Izotopy boru w skorupkach dawno żyjących organizmów

Kolejnym sposobem na poznanie dawnego stężenia CO2 jest określenie kwasowości wód oceanicznych. Ponieważ atmosfera i wody powierzchniowe oceanów pozostają w równowadze chemicznej, atmosferyczne stężenie CO2 bezpośrednio przekłada się na współczynnik pH wody. Wysokie stężenie CO2 zakwasza ją, powodując wzrost względnej częstości występowania B(OH)3 względem B(OH)4. W tym pierwszym związku znajdziemy względną nadwyżkę cięższego izotopu boru 11B względem lekkiego 10B. Analizując względną zawartość izotopów boru i wapnia w skorupkach dawno żyjących organizmów (podobnie jak robiliśmy to ze względną zawartością izotopów tlenu czy węgla), możemy określić pH wody, w której żyły, a tym samym stężenie atmosferycznego CO2 (Rea i in., 2011).

paleoklimatologia, różne metody paleoklimatologii,

Rysunek 4: Zestawienie wyników rekonstrukcji koncentracji CO2 (oś pionowa) w ostatnich 40 milionach lat na podstawie analizy izotopów boru, paleozoli, aparatów szparkowych i badania alkenonów w osadach morskich. Źródło: Zhang i in. 2013.

Alkenony w osadach morskich

Badając osady morskie można sprawdzić również skład izotopowy węgla w alkenonach, czyli mających postać długich łańcuchów molekułach, wytwarzanych w procesie fotosyntezy przez niektóre gatunki fitoplanktonu. Jak pisaliśmy już w tekście Paleoklimatologia: co nam powie skład izotopowy węgla, cząsteczki dwutlenku węgla zawierające lekki izotop 12C są łatwiej przetwarzane w procesie fotosyntezy, dlatego gdy w wodzie znajduje się pod dostatkiem CO2, zawartość 12C w alkenonach jest większa. Gdy CO2 jest w środowisku mniej, glon musi „zadowolić się” tym, co jest, czyli przyjąć więcej 13C. Upraszczając, duża różnica pomiędzy składem izotopowym węgla w alkenonach i wodzie oznacza wyższe stężenia dwutlenku węgla w oceanie, a mała – niższe. Potrzebny do obliczeń wskaźnik δ13C dla wody wyznaczyć można na przykład badając skorupki otwornic żyjących w tym samym miejscu i czasie. Ponieważ stężenia dwutlenku węgla w oceanie i atmosferze pozostają w równowadze, na podstawie pierwszego łatwo już wyznaczyć drugie (więcej na stronie paleo-CO2)

Jak pokazuje rysunek 4, wnioski płynące z analiz, w których wykorzystano różne wskaźniki paleoklimatyczne nie zawsze są ze sobą idealnie zgodne, bo wyniki zależą od wielu czynników, charakterystycznych dla poszczególnych metod. Dlatego też naukowcy dążą do zdobycia jak największej liczby próbek z różnych lokalizacji, tak by możliwe było wzajemne zweryfikowanie wyników i ustalenie najbardziej prawdopodobnych wartości średnich. Trwają również intensywne prace nad nowymi wskaźnikami paleoklimatycznymi oraz dopracowaniem klasycznych metod badawczych.

Marcin Popkiewicz i Aleksandra Kardaś,  konsultacja merytoryczna: dr hab. Jarosław Tyszka i inni

Pozostałe części cyklu:
Paleoklimatologia: o co w tym w ogóle chodzi?
Paleoklimatologia: co nam powie skład izotopowy węgla
Paleoklimatologia: izotopy tlenu a temperatura
Paleoklimatologia: aktywność słoneczna i radioaktywne izotopy
Paleoklimatologia: sekrety rdzeni lodowych

Opublikowano: 2018-09-10 11:34
Tagi

paleoklimatologia

Korzystanie z witryny bez zmiany ustawień przeglądarki oznacza akceptację polityki cookies.