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. Na liście znajdują się też szczątki dawnych roślin, paleozole i osady oceaniczne.

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.

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.

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.

Osady oceaniczne: izotopy boru

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).

Osady oceaniczne: alkenony

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