Quase 100 milhões de anos atrás, a Terra experimentou uma perturbação ambiental extrema que sufocou o oxigênio dos oceanos e levou a níveis elevados de extinção marinha que afetaram todo o globo.
Agora, em um par de novos estudos complementares, duas equipes de geocientistas lideradas pela Northwestern University relatam novas descobertas sobre a cronologia e o caráter dos eventos que levaram a essa ocorrência, conhecida como Ocean Anoxic Event 2 (OAE2), que foi co-descoberta mais de 40 anos atrás pelo falecido professor da Northwestern Seymour Schlanger.
Ao estudar microfósseis planctônicos preservados e sedimentos a granel extraídos de três locais ao redor do mundo, a equipe coletou evidências diretas indicando que a acidificação do oceano ocorreu durante os primeiros estágios do evento, devido às emissões de dióxido de carbono (CO2) da erupção de complexos vulcânicos maciços no fundo do mar.
Em um dos novos estudos, os pesquisadores também propõem uma nova hipótese para explicar por que a acidificação dos oceanos levou a um estranho pico de temperaturas mais baixas (apelidado de “Evento Plenus Cold”), que interrompeu brevemente o período de estufa intensamente quente.
Ao analisar como um influxo de CO2 de vulcões afetou a química dos oceanos, a biomineralização e o clima, os pesquisadores esperam entender melhor como a Terra de hoje está respondendo a um aumento de CO2 devido a atividades humanas, o que potencialmente poderia levar a soluções para adaptação e mitigação antecipadas consequências.
Um artigo, com descobertas de núcleos do fundo do mar, incluindo um local recém-perfurado perto do sudoeste da Austrália, será publicado na quinta-feira (19 de janeiro) na revista Nature Geoscience. Um artigo complementar detalhando as descobertas de antigos microfósseis malformados foi publicado em 13 de dezembro na revista Nature Communications Earth & Environment.
“A acidificação e a anóxia dos oceanos resultaram da liberação maciça de CO2 dos vulcões”, disse Brad Sageman, da Northwestern, coautor sênior de ambos os estudos. “Esses grandes eventos de emissão de CO2 na história da Terra fornecem os melhores exemplos que temos de como o sistema terrestre responde a grandes entradas de CO2. Este trabalho tem aplicabilidade fundamental para nossa compreensão do sistema climático e nossa capacidade de prever o que acontecerá no futuro.”
“Com base em análises isotópicas do elemento cálcio, propomos uma possível explicação para o Plenus Cold Event, que é que uma desaceleração nas taxas de biocalcificação devido à acidificação do oceano permitiu que a alcalinidade se acumulasse na água do mar”, disse Andrew Jacobson, da Northwestern, co-autor do estudo. autor de ambos os estudos. “O aumento da alcalinidade levou a uma redução do CO2 da atmosfera. Pode muito bem ser o caso de tal resfriamento ser uma consequência previsível – mas transitória – do aquecimento. Nossos resultados para OAE2 fornecem um análogo geológico para o aumento da alcalinidade oceânica, que é uma estratégia líder para mitigar a crise climática antropogênica.”
Especialistas em clima durante o período Cretáceo e geoquímica de isótopos, Sageman e Jacobson são professores de ciências da Terra e planetárias no Weinberg College of Arts and Sciences da Northwestern. Os dois estudos foram liderados por seu ex-Ph.D. alunos, Gabriella Kitch e Matthew M. Jones, que iniciaram esta pesquisa na Northwestern.
Reconstruindo as condições do Cretáceo
Com base em mais de 40 anos de estudo, o OAE2 é uma das perturbações mais significativas do ciclo global do carbono que ocorreu no planeta Terra. Os pesquisadores levantaram a hipótese de que os níveis de oxigênio nos oceanos caíram tanto durante o OAE2 que as taxas de extinção marinha aumentaram significativamente. Para entender melhor esse evento e as condições que levaram a ele, os pesquisadores estudaram antigas camadas de rochas sedimentares ricas em carbono orgânico e fósseis em locais de afloramento amplamente distribuídos, bem como núcleos de águas profundas obtidos pelo Programa Internacional de Descoberta do Oceano ( IODP).
Os locais incluíam Gubbio, Itália (uma área famosa na Itália continental que costumava ser uma bacia oceânica profunda), o Mar Interior Ocidental (um antigo fundo do mar que se estendia do Golfo do México ao Oceano Ártico na América do Norte) e vários mares profundos. sítios marítimos, incluindo um novo no leste do Oceano Índico, no litoral do sudoeste da Austrália.
Os núcleos do fundo do mar fornecem um registro inestimável das condições em partes dos paleo-oceanos que eram completamente desconhecidas antes do desenvolvimento dos programas de perfuração oceânica. Em todos os três núcleos, os pesquisadores se concentraram em seções do período cretáceo médio, pouco antes do limite das eras turoniana e cenomaniana, a fim de reconstruir as condições que levaram ao OAE2.
“A parte desafiadora de estudar a acidificação dos oceanos no passado geológico é que não temos água do mar antiga”, disse Jones, que agora é um Peter Buck Postdoctoral Fellow no Smithsonian Institution. “É extremamente raro encontrar algo que se assemelhe à água do mar antiga presa em uma rocha ou mineral. Portanto, temos que procurar evidências indiretas, particularmente mudanças na química de conchas fósseis e sedimentos litificados.”
Fósseis mal formados
Para o estudo publicado na Communications Earth & Environment, Kitch e seus coautores se concentraram em foraminíferos fossilizados, organismos unicelulares oceânicos com uma casca externa feita de carbonato de cálcio, que foram coletados no local de Gubbio por um colaborador italiano, o professor Rodolfo Coccioni na Universidade de Urbino.
Kitch e seus colaboradores foram atraídos para os espécimes de Gubbio porque as observações ópticas de Coccioni e as medições de suas conchas mostraram anormalidades, incluindo um padrão consistente de “nanismo” ou uma diminuição no tamanho geral, coincidente com o início da OAE2.
“Estes são sinais ópticos de estresse”, disse Kitch, que agora é um Knauss Fellow na Administração Nacional Oceânica e Atmosférica. “Nós levantamos a hipótese de que o estresse poderia ter sido causado pela acidificação do oceano, que afetou a forma como os organismos construíram suas conchas”.
Para testar essa hipótese, Kitch analisou a composição de isótopos de cálcio dos fósseis. Depois de dissolver as conchas fossilizadas e analisar sua composição com um espectrômetro de massa de ionização térmica, a equipe da Northwestern observou que as proporções de isótopos de cálcio mudaram nos espécimes malformados de maneira consistente com o estresse da acidificação.
“Este é o primeiro artigo a casar evidências isotópicas de cálcio para acidificação com observações de indicadores biológicos de estresse”, disse Sageman. “São essas observações biológicas e geoquímicas independentes que confirmam que houve um impacto na biomineralização durante o início da OAE2”.
‘Relação de causa e efeito’
Para o segundo estudo, publicado na Nature Geoscience, Jones e seus coautores se concentraram em núcleos de sedimentos litificados do mar profundo da costa sudoeste da Austrália, que ele e seus colegas coletaram durante uma expedição IODP em 2017. Para esta peça do quebra-cabeça, os pesquisadores estavam menos interessados no que havia no sedimento e mais interessados no que o sedimento estava visivelmente faltando.
O núcleo contém pilhas de calcário, rico em minerais de carbonato de cálcio, mas é pontuado por uma súbita ausência de carbonato logo antes da OAE2.
“Para este intervalo de tempo, descobrimos que a calcita está ausente”, disse Jones. “Não há minerais de carbonato. Esta seção do núcleo é visivelmente mais escura; saltou direto para nós. O carbonato se dissolveu no fundo do mar ou menos organismos estavam produzindo conchas de carbonato de cálcio na superfície da água. É uma observação direta de um oceano evento de acidificação”.
Em suas análises geoquímicas conduzidas em colaboração com o professor Dave Selby na Universidade de Durham, Jones notou que o carbonato não era o único componente que mostrava mudanças significativas. Coincidindo com o início do OAE2, há também uma mudança acentuada nas proporções de isótopos de ósmio que sinalizam uma entrada maciça de ósmio derivado do manto, a impressão digital de um grande evento de vulcanismo submarino. Essa observação é consistente com o trabalho de muitos outros pesquisadores, que encontraram evidências da erupção de uma grande província ígnea (LIP) anterior à OAE2.
Esses eventos de atividade vulcânica maciça ocorrem ao longo da história da Terra e são cada vez mais reconhecidos como os principais agentes da mudança global. Muitos LIPs eram submarinos, injetando toneladas de CO2 diretamente nos oceanos. Quando o CO2 se dissolve na água do mar, forma um ácido fraco que pode inibir a formação de carbonato de cálcio e pode até mesmo dissolver conchas e sedimentos de carbonato preexistentes.
“Logo no início do OAE2, as proporções de isótopos de ósmio mudam para valores muito, muito baixos”, disse Jones. “A única maneira que pode acontecer é através de uma grande erupção de província ígnea. Isso nos ajuda a estabelecer uma relação de causa e efeito. Podemos ver a evidência de que os vulcões estavam realmente ativos porque os valores de ósmio caíram. Então, de repente, não há carbonato .”
Feedback biológico
Embora a acidificação do oceano após um LIP não seja necessariamente surpreendente, a equipe da Northwestern descobriu algo incomum. As condições ácidas durante o OAE2 duraram muito mais do que outros eventos de acidificação amplamente reconhecidos no mundo antigo. Jones postula que a falta de oxigênio nas águas oceânicas pode ter estendido o estado de acidificação.
“Os organismos que consumiram plâncton e matéria orgânica na coluna de água durante o OAE2 também estavam respirando CO2, o que contribuiu para a acidificação do oceano que foi inicialmente desencadeada pela emissão de CO2 da atividade vulcânica LIP”, disse Jones. “Portanto, a anóxia marinha pode ser um ‘feedback positivo’ sobre a acidificação dos oceanos. Isso é importante porque o oceano global hoje, além de ter seus níveis de pH diminuídos, também está perdendo conteúdo de oxigênio. Isso sugere que a diminuição do oxigênio pode prolongar a acidificação e destaca que os dois fenômenos estão intimamente relacionados.”
No estudo de Kitch, ela descobriu que a biologia desempenhou outro papel durante o evento. O aquecimento global e a acidificação dos oceanos não afetaram apenas passivamente os foraminíferos. Os organismos também responderam ativamente reduzindo as taxas de calcificação ao construir suas conchas. À medida que a calcificação desacelerou, os foraminíferos consumiram menos alcalinidade da água do mar, o que ajudou a amortecer a crescente acidez do oceano. Isso também aumentou a capacidade do oceano de absorver CO2, potencialmente desencadeando o Plenus Cold Event.
“Chamamos essa fase de ‘período de estufa’ porque as temperaturas estavam muito, muito quentes”, disse Kitch. “No entanto, há evidências de resfriamento relativo durante o intervalo OAE2. Ninguém foi capaz de explicar por que esse resfriamento aconteceu. Nosso estudo mostra que, ao diminuir a produção de carbonato no oceano, você na verdade aumenta a alcalinidade, o que dá ao oceano um tampão capacidade de absorver CO2. O oceano de repente tem a capacidade de reduzir o CO2 e equilibrar os fluxos de carbono.”
Estabilização ‘vem com um custo’
Mas apenas porque um breve resfriamento interrompeu esse período de estufa, os pesquisadores alertam que a capacidade natural dos oceanos de amortecer o CO2 não é a resposta para as atuais mudanças climáticas causadas pelo homem. Sageman explica o cenário comparando a mudança climática ao câncer.
“É como se um paciente tivesse câncer e o câncer desaparecesse por um mês”, disse Sageman. “Mas então ele voltou e matou o paciente. Não se iluda pensando que o oceano vai nos refrescar e tudo ficará bem. Foi legal por um pequeno período de tempo.”
“Embora a Terra tenha se recuperado e se curado, as extinções no reino marinho ajudaram a conseguir isso”, acrescentou Jacobson. “A Terra tem alguns feedbacks estabilizadores, mas eles têm um custo.”
Publicado em 22/01/2023 22h00
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