Quasi 100 milioni di anni fa, la Terra ha subito un’estrema perturbazione ambientale che ha impoverito l’ossigeno degli oceani e ha portato a livelli elevati di estinzione marina che hanno colpito l’intero globo.
Ora, in un paio di nuovi studi complementari, due team di geoscienziati guidati dalla Northwestern University hanno riportato nuove scoperte sulla cronologia e sul carattere degli eventi che hanno portato a questo evento, noto come Ocean Anoxic Event 2 (OAE2), che è stato scoperto più di 40 anni fa dal defunto professore della Northwestern Seymour Schlanger.
Studiando i microfossili planctonici conservati e i sedimenti sfusi estratti da tre siti in tutto il mondo, il team ha raccolto prove dirette che indicano che l’acidificazione degli oceani si è verificata durante le prime fasi dell’evento, a causa delle emissioni di anidride carbonica (CO2) dall’eruzione di massicci complessi vulcanici sul fondo del mare.
In uno dei nuovi studi, i ricercatori hanno proposto anche una nuova ipotesi per spiegare perché l’acidificazione degli oceani ha portato a uno strano picco di temperature più fredde (soprannominato “Plenus Cold Event”), che ha interrotto brevemente il periodo di serra altrimenti intensamente caldo.
Analizzando come un afflusso di CO2 dai vulcani ha influenzato la chimica degli oceani, la biomineralizzazione e il clima, i ricercatori sperano di capire meglio come la Terra di oggi sta rispondendo a un aumento di CO2 dovuto alle attività umane, che potenzialmente potrebbe portare a soluzioni per l’adattamento e mitigare le conseguenze previste.
“L’acidificazione e l’anossia degli oceani derivano dal massiccio rilascio di CO2 dai vulcani”, ha affermato Brad Sageman della Northwestern, coautore senior di entrambi gli studi. “Questi importanti eventi di emissione di CO2 nella storia della Terra forniscono i migliori esempi che abbiamo di come il sistema Terra risponda a immissioni molto grandi di CO2 . Questo lavoro ha un’applicabilità fondamentale alla nostra comprensione del sistema climatico e alla nostra capacità di prevedere cosa accadrà in futuro”.
“Sulla base delle analisi isotopiche dell’elemento calcio, proponiamo una possibile spiegazione per il Plenus Cold Event, ovvero che un rallentamento dei tassi di biocalcificazione dovuto all’acidificazione degli oceani ha permesso all’alcalinità di accumularsi nell’acqua di mare”, ha affermato Andrew Jacobson della Northwestern, un senior co-autore di entrambi gli studi. “L’aumento dell’alcalinità ha portato a un prelievo di CO2 dall’atmosfera. Potrebbe benissimo essere il caso che tale raffreddamento sia una conseguenza prevedibile, ma transitoria, del riscaldamento. I nostri risultati per OAE2 forniscono un analogo geologico per il miglioramento dell’alcalinità degli oceani, che è una strategia leader per mitigare la crisi climatica antropogenica”.
Esperti di clima durante il periodo Cretaceo e di geochimica degli isotopi, Sageman e Jacobson sono entrambi professori di scienze della Terra e planetarie al Weinberg College of Arts and Sciences della Northwestern. I due studi sono stati condotti dal loro ex dottorato di ricerca, gli studenti, Gabriella Kitch e Matthew M. Jones, che hanno avviato questa ricerca mentre erano alla Northwestern.
Ricostruzione delle condizioni del Cretaceo
Sulla base di oltre 40 anni di studio, OAE2 è una delle perturbazioni più significative del ciclo globale del carbonio che si siano verificate sul pianeta Terra. I ricercatori hanno ipotizzato che i livelli di ossigeno negli oceani siano scesi così in basso durante l’OAE2 che i tassi di estinzione marina sono aumentati in modo significativo. Per comprendere meglio questo evento e le condizioni che lo hanno preceduto, i ricercatori hanno studiato antichi strati di roccia sedimentaria ricchi di carbonio organico e fossili in siti di affioramento ampiamente distribuiti, nonché carote di acque profonde ottenute dall’International Ocean Discovery Program (IODP) finanziato dalla National Science Foundation e dai suoi partner internazionali.
I siti includevano Gubbio, in Italia (una famosa area dell’Italia continentale che un tempo era un profondo bacino oceanico), il Mare interno occidentale (un antico fondale marino che si estendeva dal Golfo del Messico all’Oceano Artico nel Nord America) e diversi fondali marini, compreso uno nuovo dall’Oceano Indiano orientale, al largo del sud-ovest dell’Australia.
“La parte impegnativa dello studio dell’acidificazione degli oceani nel passato geologico è che non abbiamo acqua di mare antica. Quindi, dobbiamo cercare prove indirette, in particolare i cambiamenti nella chimica dei gusci fossili e dei sedimenti litificati”, ha dichiarato Matthew Jones.
Le carote di acque profonde forniscono una documentazione inestimabile delle condizioni in parti dei paleo-oceani che erano completamente sconosciute prima dello sviluppo dei programmi di trivellazione oceanica. In tutti e tre i nuclei, i ricercatori si sono concentrati su sezioni del Cretaceo medio, poco prima del confine tra l’età Turoniana e Cenomaniana, al fine di ricostruire le condizioni che hanno portato all’OAE2.
Fossili malformati
Per lo studio Kitch e i suoi colleghi si sono concentrati sui foraminiferi fossilizzati, organismi unicellulari che vivono nell’oceano con un guscio esterno fatto di carbonato di calcio, che sono stati raccolti nel sito di Gubbio da un collaboratore italiano, il professor Rodolfo Coccioni presso l’Università degli Studi di Urbino.
Kitch e i suoi collaboratori sono stati attratti dagli esemplari di Gubbio perché le osservazioni ottiche e le misurazioni dei loro gusci di Coccioni hanno mostrato anomalie, incluso un modello coerente di “nanismo” o una diminuzione delle dimensioni complessive, coincidente con l’inizio dell’OAE2.
“Questi sono segni ottici di stress”, ha detto Kitch, che ora è Knauss Fellow presso la National Oceanic and Atmospheric Administration. “Abbiamo ipotizzato che lo stress potesse essere stato causato dall’acidificazione degli oceani, che ha poi influenzato il modo in cui gli organismi hanno costruito i loro gusci”.
Per verificare questa ipotesi, Kitch ha analizzato la composizione degli isotopi di calcio dei fossili. Dopo aver dissolto i gusci fossilizzati e analizzato la loro composizione con uno spettrometro di massa a ionizzazione termica, il team della Northwestern ha osservato che i rapporti isotopici del calcio si sono spostati nei campioni malformati in modo coerente con lo stress dovuto all’acidificazione.
“Questo è il primo documento che unisce le prove isotopiche del calcio per l’acidificazione con le osservazioni degli indicatori biologici di stress”, ha affermato Sageman, che è condirettore dell’Istituto per la sostenibilità e l’energia della Northwestern. “Sono queste osservazioni biologiche e geochimiche indipendenti che confermano che c’è stato un impatto sulla biomineralizzazione durante l’insorgenza di OAE2”.
Rapporto di causa ed effetto
Per il secondo studio Jones e i suoi collaboratori si sono concentrati sui nuclei di acque profonde di sedimenti litificati al largo dell’Australia sud-occidentale, che lui e colleghi hanno raccolto durante una spedizione IODP nel 2017. Per questo pezzo del puzzle, i ricercatori erano meno interessati a ciò che era nel sedimento e più interessati a ciò che mancava notevolmente al sedimento.
Il nucleo contiene pile di calcare, ricche di minerali di carbonato di calcio, ma è punteggiato da un’improvvisa assenza di carbonato subito prima l’OAE2.
“Per questo intervallo di tempo, abbiamo scoperto che la calcite è assente”, ha detto Jones. “Non ci sono minerali di carbonato. Questa sezione del nucleo è visibilmente più scura; ci è saltato addosso. Il carbonato si dissolveva sul fondo del mare o un numero inferiore di organismi produceva gusci di carbonato di calcio nell’acqua superficiale. È un’osservazione diretta di un evento di acidificazione degli oceani”.
Nelle sue analisi geochimiche condotte in collaborazione con il professor Dave Selby della Durham University, Jones ha notato che il carbonato non era l’unico componente che mostrava cambiamenti significativi. In coincidenza con l’inizio di OAE2, c’è anche un marcato cambiamento nei rapporti isotopici dell’osmio che segnalano un massiccio apporto di osmio derivato dal mantello, l’impronta digitale di un importante evento di vulcanismo sottomarino. Questa osservazione è coerente con il lavoro di molti altri ricercatori, che hanno trovato prove dell’eruzione di una grande provincia ignea (LIP) precedente a OAE2.
Questi eventi di massiccia attività vulcanica si verificano nel corso della storia della Terra e sono sempre più riconosciuti come i principali agenti del cambiamento globale. Molti LIP erano sottomarini, iniettando tonnellate di CO2 direttamente negli oceani. Quando la CO2 si dissolve nell’acqua di mare, forma un acido debole che può inibire la formazione di carbonato di calcio e può persino dissolvere gusci e sedimenti di carbonato preesistenti.
“Proprio all’inizio dell’OAE2, i rapporti isotopici dell’osmio passano a valori molto, molto bassi”, ha detto Jones. “L’unico modo in cui può accadere è attraverso un’eruzione di una grande provincia ignea. Questo ci aiuta a stabilire una relazione di causa ed effetto. Possiamo vedere le prove che i vulcani erano realmente attivi perché i valori dell’osmio crollano”.
Approfondimento sull’evento Plenus Cold
Sebbene l’acidificazione degli oceani a seguito di un LIP non sia necessariamente sorprendente, il team della Northwestern ha scoperto qualcosa di insolito. Le condizioni acide durante l’OAE2 sono durate molto più a lungo rispetto ad altri eventi di acidificazione ampiamente riconosciuti nel mondo antico. Jones ipotizza che la mancanza di ossigeno nelle acque oceaniche possa aver esteso lo stato di acidificazione.
“Gli organismi che hanno consumato il plancton affondante e la materia organica nella colonna d’acqua durante l’OAE2 respiravano anche CO2, che ha contribuito all’acidificazione degli oceani che è stata inizialmente innescata dall’emissione di CO2 dall’attività vulcanica LIP”, ha detto Jones. “Quindi, l’anossia marina può essere un ‘feedback positivo’ sull’acidificazione degli oceani. Questo è importante perché l’oceano globale oggi, oltre a diminuire i suoi livelli di pH, sta perdendo anche il contenuto di ossigeno. Ciò suggerisce che le diminuzioni di ossigeno possono prolungare l’acidificazione e sottolinea che i due fenomeni sono strettamente correlati”.
Nello studio Kitch, ha scoperto che la biologia ha svolto un altro ruolo durante l’evento. Il riscaldamento globale e l’acidificazione degli oceani non hanno influenzato solo passivamente i foraminiferi. Gli organismi hanno anche risposto attivamente riducendo i tassi di calcificazione durante la costruzione dei loro gusci. Con il rallentamento della calcificazione, i foraminiferi hanno consumato meno alcalinità dall’acqua di mare, il che ha contribuito a tamponare la crescente acidità dell’oceano. Ciò ha anche aumentato la capacità dell’oceano di assorbire CO2, innescando potenzialmente il Plenus Cold Event.
“Chiamiamo questa fase un ‘periodo di serra’ perché le temperature erano davvero, davvero calde”, ha detto Kitch. “Tuttavia, ci sono prove di un raffreddamento relativo durante l’intervallo OAE2. Nessuno è stato in grado di spiegare perché sia avvenuto questo raffreddamento. Il nostro studio mostra che diminuendo la produzione di carbonato nell’oceano, si aumenta effettivamente l’alcalinità, che conferisce all’oceano una capacità di assorbire CO2″,
La stabilizzazione “ha un costo”
Ma solo perché un breve raffreddamento ha interrotto questo periodo altrimenti di serra, i ricercatori avvertono che la capacità naturale degli oceani di tamponare la CO2 non è la risposta all’attuale cambiamento climatico causato dall’uomo. Sageman spiega lo scenario confrontando il cambiamento climatico con il cancro.
“È come se un paziente avesse il cancro e il cancro se ne andasse per un mese”, ha detto Sageman. “Ma poi è tornato e ha ucciso il paziente. Non lasciarti ingannare dal pensare che l’oceano ci raffredderà e tutto andrà bene. È stato bello per un piccolo frammento di tempo”.
“Sebbene la Terra sia rimbalzata e guarita da sola, le estinzioni nel regno marino hanno contribuito a raggiungere questo obiettivo”, ha aggiunto Jacobson. “La Terra ha alcuni feedback stabilizzanti, ma hanno un costo”.
Fonte: Nature
