Koldioxid genom Fanerozoikum

Koldioxid är en viktig växthusgas, inget tvivel om den saken. Iskärnor visar att den globala temperaturen och atmosfärens koldioxid koncentration är starkt sammankopplade, där koldioxidökningen förstärker en pågående ökning av temperaturen, och vice versa. Men är detta samband mellan koldioxid och temperatur vanligt i Jordens förflutna innan Kvartär? Finns det indikationer i det förflutna på trösklar i koldioxidnivåer där kalla respektive varma perioder alltid infaller vid ett visst koldioxidintervall? Först, låt oss gå in på hur temperaturen har varierat under Jordens förflutna, mer specifikt under de senaste 542 Ma, den eon som kallas för Fanerozoikum.

Temperaturmätningar
Av naturliga skäl är den mest tillförlitliga uppskattningen av den globala temperaturen före Kvartär förekomsten av vidsträckta inlandsisar. Direkta bevis på omfattande nedisningar är tilliter (litifierad morän) och de olika slags märken ismassan lämnar efter sig på den underliggande berggrunden. Således vet vi idag att en kort nedisning inträffade i Ordovicium (ca. 446-444 Ma) och tre längre nedisningar i dels Devon-Karbon (ca. 361-349 Ma), Karbon-Perm (ca. 326-267 Ma) samt den nutida som inleddes för ca. 35 miljoner år sedan. Det finns även flera indirekta indikatorer på nedisningar som med viss försiktighet kan användas, exempelvis:

• snabba globala förändringar i havsytan som inte kan härledas till tektoniska orsaker
• enstaka större klaster i finkornigare sediment, så kallade dropp stenar eller ”ice-rafted debris”
• utbredning av olika temperaturkänsliga sedimentära bergarter som evaporiter och rev

Fig. 1. Från Royer m. fl., (2004). a) Temperaturavikelsen under Fanerozoikum jämfört med dagens temperatur.b) Den kosmiska strålningen under Fanerozoikum normaliserat mot dagens kosmiska strålning. c) Blå staplar motsvarar omfattande nedisningar och ljusblå kyligt klimat.

Under isfria perioder när den globala temperaturen varierar mellan kylig till varm kan man rekonstruera temperaturen via syreisotopvariationen över tid i marina karbonater (detta uttrycks som δ¹⁸O, kvoten i tusendelar mellan ¹⁸O/¹⁶O relativt till en standard). Syreisotoperna fraktioneras beroende på temperaturen, ju kallare det är, desto mer ¹⁶O evaporerar relativt till ¹⁸O och därmed kommer mer av den tyngre syre isotopen av vara tillgänglig för marina organismer (δ¹⁸O stiger).

Naturligtvis finns det flera faktorer att beakta för att uppskattningen av dåtida temperaturer via δ¹⁸O inte ska bli fel, exempelvis påverkar havens pH (surhet) karbonaternas δ¹⁸O. Tidigare rekonstruktionerna tog inte hänsyn till havsvattnets pH, vilket till stor del styrs av koldioxidmängden. Dessutom, om inte hänsyn tas till detta kommer relationen mellan koldioxid och temperaturen att bli felaktigt försvagad. Notera att den dåtida pH-korrigerade temperaturen är överlag högre, vilket stämmer bättre med paleoklimatologiska observationer under Fanerozoikum, särskilt under Mesozoikum, som karaktäriseras av en lång varm period med flera korta, kalla pulser (från indirekta bevis som fallande havsnivåer, droppstenar och även δ¹⁸O).

Notera att den kosmiska strålningen (Φ i fig. 1) och den okorrigerade temperaturrekonstruktionen förutspår långa och vidsträckta nedisningar, vilka passar illa med de direkta bevis som finns för de omfattande nedisningarna under Fanerozoikum. Däremot inträffar de mest omfattande nedisningar under Fanerozoikum samtidigt med de djupaste dalarna i den pH-korrigerade temperaturrekonstruktionen. Därmed tyder det på, åtminstone under tidsskalor av miljoner år, att kosmisk strålning har mindre påverkan på klimatet än vad som tidigare har föreslagits.

Koldioxid
Vad reglerar atmosfärens koncentration av koldioxid och hur kan vi överhuvudtaget veta något om hur atmosfären utvecklats under de senaste 600 Ma åren, i detta fall med avseende på koldioxid?

På geologiska tidsskalor kontrolleras atmosfärens innehåll av CO2 huvudsakligen av kemisk vittring¹ (hydrolys) av Ca-Mg silikater och den vulkaniska aktiviteten, vilket förenklat kan skrivas:

CO₂+(Ca,Mg)SiO₂ = (Ca,Mg)CO₃+SiO₂ (1)

Det vill säga, reaktionen från vänster till höger beskriver hydrolysen av Ca-Mg silikater i bergrunden på grund av att koldioxid i vatten bildar en svag syra. Allt eftersom reaktionen fortskrider till vänster dras koldioxid ur atmosfären och koldioxidnivåerna sjunker. Ca²⁺ och Mg²⁺ förs ut till haven där de sedimenterar som biogent och kemisk utfällda karbonater. När reaktionen går från höger till vänster beskriver den upphettningen av Ca-Mg karbonater, via vulkanism, metamorfism och diagenes, vilket frigör koldioxid till haven och atmosfären under bildandet av Ca och Mg silikater. Geokemiska modeller (GEOCARB III) av atmosfärens koldioxidinnehåll baserade på marina sediments ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr-kvot bygger på att denna kvot varierar i takt med vilket håll reaktion (1) går, då ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr-kvoten skiljer sig åt mellan kontinenterna och manteln. Stigande ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr-kvoter indikerar minskande koldioxidnivåer i atmosfären och tvärtom, det vill säga; snabbare vittring av kontinenter leder till ökat inflöde av kontinenternas Sr-isotopsignatur till haven vilket även minskar mängden koldioxid atmosfären och vice versa.

Flera proxy studier används vid rekonstruktionen av atmosfärens koldioxidnivå innan Kvartär, som : δ¹³C i pedogena karbonater (karbonater i "fossila" jordmåner, eng. paleosols), fytoplankton och levermossor (eng. liverworts), antalet stomata i växters ( C₃-växter) blad, samt δ¹¹B i planktoniska foraminiferer. Alla dessa metoder bygger på principen att de samvarierar med koldioxid i dag samt att de kan mätas tillförlitligt i ”Jordens arkiv”. Genom det vi vet om hur de olika proxierna relaterar till dagens förhållanden kan vi applicera denna kunskap på hur dessa har varierat i det förgångna.

Fig. 2. Radiative forcing från CO2 och solen genom Fanerozoikum. Viktigt att ha i åtanke är att Solen var svagare i Jorden förflutna, under nedisningen i senare delen av Ordovicium (ca. 440 Ma) var instrålningen ca. 4 % lägre än vad den är idag. Därmed var koldioxidtröskeln för nedisning betydligt högre än dagens. I grafen antas det att luminositeten ökat linjärt från 94.5 % av dagens ljusstyrka. Värdena är relaterade till de förindustriella nivåerna (CO2 = 280 ppm; solens luminositet = 342 W/m2). De mörka banden representerar perioder där direkta bevis för omfattande nedisning existerar. Efter Royer (2006)

Fig. 3. Koldioxid och temperatur variationen från slutet på Ordovicium till idag (460-0 Ma). Perioder med starka indikationer på utbredda inlandsisar markeras av mörkgråa staplar. Ljusgråa staplar markerar kyligt klimat. Horisontella prickade linjer representer möjliga trösklar för globalt kalla händelser respektive omfattande nedinsningar. Därmed kan 1000 ppm vara en tröskel till globalt sett kallt klimat och 500 ppm vara en tröskel till omfattande nedisningar. Efter Royer (2006).

Vad kan vi dra för slutsatts av att koldioxidnivåerna i atmosfären över lag samvarierar under Fanerozoikum (Fig. 2-3)? Ja, att koldioxid är den primära orsaken till klimatförändringar är inte säkert, men sett till vad Jordens förflutna säger oss så finns det mycket som indikerar på att koldioxid med stor sannolik är en av flera viktiga faktorer, som solens luminositet, kontinenternas konfiguration, Jordens albedo, orbitala parametrar, som styr det globala klimatet. Är man lagd åt det cyniska hållet kan man i alla fall glädja sig åt att om koldioxidnivåerna fortsätter att stiga kommer de utgöra en liten försäkring mot framtida istider.

Se även: AGU 2009: "Den största reglerratten"

¹Även fotosyntesen och mängden kol som begravs i marken inverkar på atmosfärens halt av CO2 men den är av mindre betydelse, och detta samband kan skrivas:

CO₂+H₂O = CH₂O+O₂ (2)

Denna reaktion är den som reglerar mängden syre i atmosfären, vilket produceras via fotosyntesen när reaktion (2) går till höger samtidigt som organiskt material begravs i sediment och för en tid stuvas undan kol-cykeln. När reaktion (2) går till vänster beskriver den oxidationen av organiskt material eller upphettning av sedimentära bergarter rika på organiskt material.

Refferenser i urval:
Berner, R. A. GEOCARBSULF: A combined model for Phanerozoic atmospheric O2 and CO2 . Geochim. Cosmochim. Acta 70, 5653–5664 (2006).
Berner, R.A., Kothavala, Z., 2001. GEOCARB III: A revised model of
atmospheric CO2 over Phanerozoic time. Am. J. Sci. 301, 182–204.
DeConto, R. M. & Pollard, D. Rapid Cenozoic glaciation of Antarctica induced by declining atmospheric CO2 . Nature 421, 245–249 (2003).
Fletcher B. J. et al., 2008. Atmospheric carbon dioxide linked with Mesozoic and early Cenozoic climate change. Nature Geoscience 1, 43-48.
Carne R.E., J.M. Eiler, J. Veizer et al., 2007. Coupling of surface temperatures and atmospheric CO2 concentrations during the Palaeozoic era. Nature 449, 198-202
Huber, B.T., Norris, R.D., MacLeod, K.G., 2002. Deep-sea paleotemperature record of extreme warmth during the Cretaceous. Geology 30, 123–126.
Kump, L. R. Reducing uncertainty about carbon dioxide as a climate driver. Nature 419, 188–190 (2002).
Montanez, I.P., Tabor, N.J., Niemeier, D., et al. 2007. CO2-forced climate and
vegetation instability during Late Paleozoic deglaciation. Science,315, 87-91.
Royer, D. L., Berner, R. A., Montanez, I., Tabor, N. J. & Beerling, D. J. CO2 as a primary driver of Phanerozoic climate change. GSA Today 14, 4–10 (2004).
Royer, D. L. CO2 -forced climate thresholds during the Phanerozoic. Geochim. Cosmochim. Acta 70, 5665–5675 (2006).
Shaviv, N.J., and Veizer, J., 2003, Celestial driver of Phanerozoic climate?: GSA Today, v. 13, no. 7, p. 4–10.
Siegenthaler, U. et al. Stable carbon cycle-climate relationship during the late Pleistocene. Science 310, 1313–1317 (2005).
Veizer, J., Godderis, Y., and François, L.M., 2000, Evidence for decoupling of atmospheric CO2 and global climate during the Phanerozoic eon: Nature, v. 404, p. 698–701.