سطح دریا، اکسیژن اقیانوس و تنظیم پنهان اقلیم زمین

تصور کنید ترموستاتی سیاره‌ای در حاشیه‌های کم‌عمق اقیانوس‌ها پنهان شده است. تغییرات کوچک در سطح دریا آن را روشن و خاموش می‌کرد و به‌آرامی بر حیات دریایی، شیمی اقیانوس و در نهایت مقدار کربنی که برای گرم کردن جو باقی می‌ماند اثر می‌گذاشت. ساده است؟ نه. اما هوشمندانه و ظریف؟ بی‌تردید.

دانشمندان دانشگاه سیراکیوز، دانشگاه آکسفورد و همکارانشان زنجیره‌ای از علت و معلول را بازسازی کرده‌اند که سطح دریا، تأمین فسفات، اکسیژن اقیانوس و دفن کربن آلی را به هم پیوند می‌دهد؛ فرایندی که به نظر می‌رسد حدود ۶۰ میلیون سال به حفظ اقلیم زمین در محدوده‌ای مناسب برای حیات کمک کرده است. این پژوهش تازه که در مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم منتشر شده، ایده‌های قدیمی و شواهد ژئوشیمیایی جدید را کنار هم قرار می‌دهد تا بازخوردی را آشکار کند که بسیاری از پژوهشگران به آن مشکوک بودند، اما تاکنون نمی‌توانستند آن را ثابت کنند.

پس این تنظیم‌گر پنهان چگونه کار می‌کرد؟ نقطه شروع فسفات است؛ ماده مغذی‌ای که بهره‌وری زیستی دریاها را تغذیه می‌کند. وقتی سطح دریا بالا می‌آمد و فلات‌های قاره‌ای گسترده را زیر آب می‌برد، بخش زیادی از فسفات در رسوبات کم‌عمق به دام می‌افتاد و هرگز به اقیانوس باز نمی‌رسید. کاهش مواد مغذی به معنای افت بهره‌وری زیستی، ذرات فرو رونده کمتر و دفن کمتر مواد آلی در بستر دریا بود. در نتیجه، اقیانوس‌ها نسبتا غنی از اکسیژن باقی می‌ماندند و دی‌اکسید کربن بیشتری در جو می‌ماند.

وقتی سطح دریا پایین می‌آمد، فلات‌های قاره‌ای کوچک‌تر می‌شدند و فسفات بیشتری به آب‌های عمیق‌تر می‌رسید. پلانکتون‌ها شکوفا می‌شدند. مواد آلی بیشتری فرو می‌رفت. با تجزیه این مواد توسط میکروب‌ها، اکسیژن مصرف می‌شد و نواحی کم‌اکسیژن گسترش می‌یافتند. همین شرایط کم‌اکسیژن سپس فسفات بیشتری را از رسوبات فلات قاره آزاد می‌کرد، بهره‌وری زیستی را بیش از پیش تغذیه می‌کرد و دفن کربن آلی را افزایش می‌داد. این چرخه خودش را تقویت می‌کرد. در مقیاس زمان زمین‌شناسی، آن کربن دفن‌شده زیر رسوبات قفل می‌شد و دی‌اکسید کربن را از جو خارج می‌کرد.

یک بازه باریک از سطح دریا، حدود ۱۰ تا ۴۰ متر بالاتر از سطح کنونی، دفن کربن آلی را برای میلیون‌ها سال به بیشترین حد می‌رساند. وقتی سطح دریا در این محدوده مطلوب قرار داشت، نواحی حداقل اکسیژن با فلات‌های قاره‌ای سرشار از مواد آلی هم‌راستا می‌شدند و این بازخورد با حداکثر قدرت عمل می‌کرد. خروج از این بازه باعث تضعیف یا توقف سازوکار می‌شد.

این تیم پژوهشی ایده خود را با یک آرشیو طولانی و پیچیده آزمود: ایزوتوپ‌های کربن، سوابق تجمع فسفر در رسوبات اعماق دریا و یک شاخص نسبتا جدید برای اکسیژن که بر پایه نسبت ید به کلسیم در پوسته‌های ریز روزن‌داران است. آزمایشگاه زونلی لو در دانشگاه سیراکیوز، سیگنال ید به کلسیم را با استفاده از طیف‌سنجی جرمی و با حمایت مالی بنیاد ملی علوم اندازه‌گیری کرد و سرنخ‌های مستقیمی درباره سطح اکسیژن در آب‌های باستانی ارائه داد. رز ریکابی، نویسنده اصلی و استاد دانشگاه آکسفورد، همراه با همکارانش سپس این داده‌ها را در قالب روایتی ۶۰ میلیون ساله به هم پیوند دادند.

این ترکیب داده‌ها همچنین فرضیه‌ای قدیمی‌تر از کریستیان بی‌یروم را دوباره زنده می‌کند؛ او دو دهه پیش با استفاده از مدل‌ها پیشنهاد کرده بود که میان سطح دریا، اکسیژن و فسفات ارتباطی وجود دارد. چرخه‌ای که زمانی صرفا نظری بود، اکنون پشتوانه تجربی یافته است. شواهد نشان می‌دهد افزایش دفن کربن آلی در رسوبات دریایی در کاهش بلندمدت دی‌اکسید کربن نقشی بسیار بزرگ‌تر از آنچه بسیاری تصور می‌کردند داشته است.

در گذشته زمین نمونه‌های روشنی از این فرایند دیده می‌شود. در دوره ائوسن، حدود ۵۶ تا ۳۴ میلیون سال پیش، سطح دریا به طور غیرمعمولی بالا بود. فلات‌های قاره‌ای زیر آب رفته بودند و فسفات به جای تغذیه بهره‌وری زیستی اقیانوس باز، در رسوبات کم‌عمق باقی می‌ماند. در نتیجه، اقیانوس به‌خوبی اکسیژن‌دار ماند، دفن کربن آلی کاهش یافت و دی‌اکسید کربن جو افزایش پیدا کرد؛ ترکیبی که سیاره را گرم نگه داشت.

در ده‌ها میلیون سال اخیر، داستان بیشتر به تنگ‌تر شدن فرصت‌ها شباهت دارد. با مهاجرت نواحی حداقل اکسیژن به عمق‌های بیشتر، هم‌راستایی مطلوب میان آب کم‌اکسیژن و فلات‌های غنی از مواد آلی محدودتر شد. این محدود شدن احتمالا به پایداری اکسیژن و دی‌اکسید کربن جو کمک کرد، نوسان میان دفن اقیانوسی و انباشت جوی را هموار ساخت و تاب‌آوری سامانه اقلیمی را افزایش داد.

این مطالعه همچنین بر پژوهش‌های دیگر گروه لو استوار است که از شاخص ید به کلسیم استفاده کرده‌اند؛ شاخصی که پیش‌تر الگوهای شگفت‌انگیزی از اکسیژن‌گیری اقیانوس‌های باستانی را آشکار کرده بود، از جمله دوره‌هایی که آب‌های گرمسیری از امروز اکسیژن بیشتری داشتند. این ابزارهای ژئوشیمیایی در کنار هم تصویر ما را از چگونگی ترکیب شیمی اقیانوس و سطح دریا در شکل‌دهی به اقلیم بلندمدت دقیق‌تر می‌کنند.

این یافته‌ها برای امروز چه معنایی دارند؟ سازوکاری که پژوهشگران توصیف کرده‌اند طی میلیون‌ها سال رخ داده، اما نشان می‌دهد سطح دریا، چرخه مواد مغذی و اکسیژن تا چه اندازه در تنظیم کربن به هم وابسته‌اند. انسان‌ها این روابط را به سرعت تغییر می‌دهند؛ از طریق افزایش سطح دریا ناشی از گازهای گلخانه‌ای، توسعه ساحلی که جریان رسوب و مواد مغذی را دگرگون می‌کند و بازتوزیع گسترده فسفر از راه کشاورزی. گذشته شاید به‌سادگی بر حال منطبق نشود، اما درسی هشداردهنده دارد: توانایی اقیانوس برای دفن کربن به هم‌زمانی شکننده‌ای از شرایط وابسته است و تغییر یک بخش از سامانه می‌تواند در کل آن موج ایجاد کند.

برای دانشمندان، گام‌های بعدی روشن است: دقیق‌تر کردن شاخص‌ها، گسترش سوابق و مدل‌سازی اینکه آشفتگی‌های امروزی چگونه ممکن است این ترموستات باستانی را فعال کنند یا اتصال آن را قطع کنند. برای دیگران، پیام اصلی بیش از آنکه نسخه‌ای عملی باشد، دعوتی به تأمل است: اقلیم زمین با فرایندهای دریایی ظریف و طولانی‌مدت هدایت شده است و شناخت این اهرم‌های نامرئی می‌تواند برای فهم آنچه در آینده رخ می‌دهد ضروری باشد.