Veel minder CO2 in de atmosfeer van het Devoon, 400 miljoen jaar geleden dan gedacht.
Dit zet klimaatmodellen op zijn kop.Scientias, 24-12-2022, door Jeanette Kras
De atmosfeer in de tijd van de allereerste bossen bevatte veel minder CO2 dan gedacht. Dit heeft grote gevolgen voor hoe het klimaat eruitzag in de tijd ver vóór reptielen en dinosaurussen de dienst uitmaakten op onze planeet.
Ons begrip van het klimaat van 400 miljoen jaar geleden, de hoeveelheid CO2 in de atmosfeer en het effect van de eerste bossen op aarde, wordt volledig op z'n kop gezet door een nieuwe, Deens-Britse studie.
Landplanten blijken een veel grotere invloed op het klimaat te hebben gehad dan eerder werd aangenomen. Tot nu toe gingen wetenschappers ervan uit dat er erg veel CO2 in de atmosfeer zat in het vroege Devoon - circa 400 miljoen jaar geleden - en dat met de opkomst van de eerste bomen en bossen het CO2-niveau enorm afnam. Tegelijkertijd zou het klimaat op aarde flink zijn afgekoeld. Maar dat blijkt allemaal niet te kloppen.
Nieuw paleoklimaatmodel
"In de studie hebben we beschreven hoe we tot nauwkeurige schattingen van de CO2-niveaus zijn gekomen en hoe we deze data hebben gebruikt om een paleoklimaatmodel te ontwikkelen. De uitkomsten maken duidelijk dat de gemiddelde temperatuur en de temperatuurverdeling van het vroege en midden-Devoon (410 tot 380 miljoen jaar geleden) vergelijkbaar zijn met die van tegenwoordig," zegt professor Barry Lomax van de University of Nottingham tegen Scientias.nl.
Uit onderzoek van fossielen van landplanten en soortgelijke moderne planten blijkt dat de klimatologische omstandigheden en CO2-concentraties vroeger heel anders waren dan gedacht. Het maakt dat we anders moeten kijken naar de invloed van landplanten en bomen op het klimaat.
De tijd voor bomen en tetrapoden
Lomax legt uit: "In het tijdvak waar wij ons op richten, liepen er nog geen tetrapoden (viervoeters), zoals reptielachtigen of dinosaurussen rond op aarde. Er waren alleen geleedpotigen, die verwant zijn aan de moderne miljoenpoten, duizendpoten en spinachtigen. Voor ons onderzoek zijn planten dus van veel meer belang. Wij hebben onze conclusies kunnen halen uit 1. koolstofdatering van fossielen en 2. de analyse van stomata (huidmondjes) aan het bladoppervlak van landplanten."
Ongeveer 385 miljoen jaar geleden begon het land op aarde vol te groeien met hoge bomen en bossen. Voor die tijd waren er alleen groene, struikachtige planten met ondiepe wortels, zonder bloemen. De aarde was bezaaid met deze landplanten. We hebben altijd geleerd dat de atmosfeer in die tijd veel meer CO2 bevatte dan nu en dat er een veel warmer en vochtiger klimaat heerste door het intense broeikaseffect. Pas na de opkomst van bomen zou het CO2-niveau omlaag zijn gegaan, met een koeler klimaat en ijzige polen tot gevolg. Deze hypothese blijkt niet te kloppen:
"De onderzoeksresultaten waren een grote verrassing voor ons. Ik denk niet dat iemand van het team had gedacht dat de CO2-concentratie in het Devoon zo laag zou zijn."
Huidmondjes vertellen het verhaal
"Om schattingen te kunnen doen van de hoeveelheid CO2 in de atmosfeer in de periode 410 tot 380 miljoen jaar geleden, hebben we een nieuwe technologie gebruikt. De nieuwe methode maakt nauwkeuriger schattingen van het paleo-CO2-gehalte mogelijk, op basis van de stabiele isotopensamenstelling van een plant. Hieruit kunnen we informatie halen over de functie, grootte en aantallen stomata (huidmondjes) op landplanten," legt Lomax uit.
De studie bouwt voort op het baanbrekende werk van professor Ian Woodward van de Sheffield University die ontdekte, dat er een omgekeerde relatie bestaat tussen het aantal huidmondjes op een bladoppervlak en de concentratie van CO2 in de atmosfeer. "Dit stelt ons in staat om plantenfossielen te gebruiken als 'geheugenopslag' van klimatologische omstandigheden in lang vervlogen tijden en maakt het mogelijk om te achterhalen wat de CO2-concentraties honderden miljoenen jaren geleden op aarde zijn geweest," vertelt Lomax.
Fluctuaties in CO2-niveau
Klimaatwetenschappers zijn het erover eens dat CO2 een cruciale rol speelt bij de ontwikkeling van het klimaat op aarde, zowel nu als in het verleden. Daarom is het een grote uitdaging voor aardwetenschappers om te doorgronden welke variabelen zorgen voor fluctuaties in CO2-niveaus in de atmosfeer door de jaren heen. Nieuwe technologie maakt steeds nauwkeuriger onderzoek mogelijk, met steeds minder schade aan de fossiele bodemschatten. "De monsters waaraan we hebben gewerkt zijn schaars en kostbaar. Het proces van isotopenanalyse is destructief, je kunt een monster maar één keer gebruiken. De technologische vooruitgang stelde ons nu in staat om zeer kleine hoeveelheden plantaardig materiaal te gebruiken om onze metingen te doen", besluit Lomax.
Bronmateriaal:
"Low atmospheric CO2 levels before the rise of forested ecosystems" - Nature Communications
Interview met Professor Barry Lomax van de University of Nottingham
Tais W. Dahl, Magnus A. R. Harding, Julia Brugger, Georg Feulner, Kion Norrman, Barry H. Lomax & Christopher K. Junium
Nature Communications, volume 13, Article number: 7616 (20 December 2022)
Abstract
The emergence of forests on Earth (385 million years ago, Ma)1 has been linked to an order-of-magnitude decline in atmospheric CO2 levels and global climatic cooling by altering continental weathering processes, but observational constraints on atmospheric CO2 before the rise of forests carry large, often unbound, uncertainties. Here, we calibrate a mechanistic model for gas exchange in modern lycophytes and constrain atmospheric CO2 levels 410-380 Ma from related fossilized plants with bound uncertainties of approximately ±100 ppm (1 sd).
We find that the atmosphere contained 525-715 ppm CO2 before continents were afforested, and that Earth was partially glaciated according to a palaeoclimate model. A process-driven biogeochemical model (COPSE) shows the appearance of trees with deep roots did not dramatically enhance atmospheric CO2 removal. Rather, shallow-rooted vascular ecosystems could have simultaneously caused abrupt atmospheric oxygenation and climatic cooling long before the rise of forests, although earlier CO2 levels are still unknown.
Samenvatting van het oorspronkelijke artikel
"De opkomst van bossen op aarde (± 385 miljoen jaar geleden) werd in verband gebracht met een orde van grootte daling van de atmosferische CO2-niveaus en wereldwijde klimaatafkoeling door veranderende continentale verweringsprocessen, maar observatiebeperkingen op atmosferische CO2 vóór het toenemen van de bossen, brengen grote onzekerheden met zich mee. Hier kalibreren we een mechanistisch model voor gasuitwisseling in moderne lycofyten en beperken we atmosferische CO2-niveaus 410-380 Ma van verwante gefossiliseerde planten met gebonden onzekerheden van ongeveer ± 100 ppm (1 sd). We vinden dat de atmosfeer ~ 525-715 ppm CO2 bevatte voordat continenten werden bebost, en dat de aarde gedeeltelijk vergletsjerd was volgens een paleoklimaatmodel. Een procesgestuurd biogeochemisch model (COPSE) laat zien dat het verschijnen van bomen met diepe wortels de CO2-verwijdering in de atmosfeer niet drastisch heeft verbeterd. Integendeel, oppervlakkige vasculaire ecosystemen zouden gelijktijdig een abrupte atmosferische oxygenatie en klimatologische afkoeling kunnen hebben veroorzaakt lang voordat de bossen ontstonden, hoewel eerdere CO2-niveaus nog onbekend zijn."
Introduction
Atmospheric CO2 is a greenhouse gas that has affected Earth's climate throughout geological history2,3. Its variation in the past informs us about the natural long-term sources and sinks. In the absence of anthropogenic fossil fuel combustion, the dominant atmospheric CO2 source is volcanic outgassing, and this source is balanced mainly by the removal that occurs when CO2-bearing fluids chemically react and weather silicate rocks followed by deposition of carbonate in the oceans4. The dissolution of silicate minerals in the weathering zone occurs via interactions between the terrestrial ecosystem and geological processes that make fresh rock available at the surface for reaction. Yet, the role of biology and the CO2-sensitivity of the feedbacks governing global CO2 removal is debated5,6,7,8,9. Enhanced continental weathering is suggested to have caused a decline in atmospheric CO2 pressure (pCO2) from a level ~10 times higher than today's concentration3,10,11 to near modern levels linked to the Devonian-Carboniferous transition from greenhouse to icehouse conditions in response to the afforestation of the continents. This process is accompanied by burial and preservation of organic matter that also influence atmospheric CO2 levels and, in turn, acts as the main long-term source of atmospheric O2. However, recent geochemical evidence and Earth system models12 suggests atmospheric oxygenation occurred well before trees evolved on the continents ~393-383 Ma1,3. Further, the temporal correlation between plant colonization and the Permo-Carboniferous glaciation has been disputed8. There is compelling evidence that Earth also transitioned into a glaciated state in the Ordovician-Silurian13. Yet, the link between glaciation and atmospheric CO2 is complicated, and palaeoclimate models shows that glaciations could persist even at 12-14 times pre-industrial atmospheric levels (PIAL, 280 ppmv)14. Therefore, a precise reconstruction of atmospheric pCO2 in relation to plant evolution is key to assess the impact of the terrestrial biota on Earth's climate. Here, we show that atmospheric pCO2 was markedly lower than previously thought when trees and forests appeared on our planet.
In the canonical view, atmospheric CO2 concentrations were one order of magnitude above pre-industrial levels in the early Palaeozoic3,10,15,16,17, although more recent studies suggest levels much closer to today18. Traditionally, palaeo-CO2 estimates from proxy data come with large and sometimes unbounded uncertainty19,20. For example, in the Late Ordovician (~445 Ma), there is evidence for high pCO2 levels of 17 ± 4 PIAL (1 sd, standard deviation) from CO2 hosted in pedogenic goethite from the Neda Formation in Wisconsin, USA19. This paleosol shows a coupling between CO2 content in goethite and its isotope composition interpreted to reflect variable mixing of atmospheric CO2 and soil respired carbon substituted into the goethite mineral lattice. The range above reflects all analytical errors propagated through the calculation (see details in the supplementary information, SI), and we note that the error could still be larger if the CO2 surface adsorption properties21 on natural goethite deviate from that of phosphated goethite grown in the laboratory22. This has never been verified in modern soils, and the proxy has also never been applied at any other time in Earth history.
Further, a systematic decline of atmospheric CO2 levels through the Devonian from 5 to 0.7 PIAL has been inferred from the carbon isotope compositions of pedogenic carbonate2,16,17. Although the declining trend may be real, the absolute atmospheric CO2 level reported from pedogenic carbonates from this time interval have been adjusted further down23 and are likely systematically overestimated because of lower productivity in early Palaeozoic soils relative to modern soils17. Propagating the uncertainty associated with assumed model parameters that cannot be independently constrained from the rock record, such as the proportion of soil-respired CO2 in the soil and its isotope signature, shows that the absolute palaeo-pCO2 estimate obtained this way carries one order of magnitude uncertainty (see supplementary Fig. 15 and the supplementary information for details).
In addition, the first reported evidence for high Palaeozoic CO2 levels (~16 PIAL)20 comes from low stomatal density (mm−2) in some fossil plants (i.e. Aglaophyton, Sawdonia). These anatomical features were interpreted as evidence that these plants had adapted to minimize water loss in a high CO2 atmosphere, but it is essential to compare to plants with similar gas exchange anatomy and behavioural control over water loss rate and CO2 uptake. This becomes very problematic with this group of enigmatic early vascular plants that lack living descendants. In comparison fossils of lycophytes that co-occur with these extinct plant groups that do have modern relatives with similar physiology display similar stomatal density as their modern descendants (Supplementary table 5) suggesting that the high CO2 predictions inferred from Aglaophyton and Sawdonia specimens could be erroneous and that early Palaeozoic atmospheric CO2 was much closer to the modern level24.
Recently, atmospheric CO2 levels were found to be only modestly elevated in the late Ordovician (~400-700 ppm) and Mid-Devonian (~700-1400 ppm) based on carbon isotope data of marine phytoplankton recorded via a diagenetic product of chlorophyll, phytane18. No phytane-CO2 data is reported between ~432 Ma and 390 Ma (supplementary Figs. 19-21). The phytane proxy shows the expected response at elevated CO2 concentrations and predicts declining CO2 levels as a function of distance to a modern CO2 seep25 (albeit with larger errors than reported from Palaeozoic phytane). When applied to modern phytoplankton, the phytane proxy predicts a wide range of atmospheric CO2 levels even today (~300-1200 ppm)26. The accuracy of this proxy depends on variables that are not easily detectable from the geological record, including the ratio of atmospheric CO2 to dissolved CO2 of the seawater in which the phytoplankton grew, the nature of the phytoplankton species, other sources of phytane, the growth rate of phytoplankton and, thus, the isotopic response to ambient dissolved CO2 concentration of the phytoplankton from which phytane was derived26. Given the many uncertainties, the errors associated with the phytane CO2-proxy are likely large.
By the same fundamental principle plus an opportunity to constrain all involved parameters, carbon isotope fractionation in plant tissue from terrestrial plants (Δleaf) is sensitive to the internal CO2 concentration in the substomatal cavities that, in turn, depends on water availability and ambient pCO2 in the environment27. Recently, the combination of isotope data and stomatal parameters has led to the development of a mechanistic proxy for prediction of palaeo-pCO2 based around leaf-gas exchange27. Applying this approach to the fossil record shows that post-Devonian atmospheric CO2 levels were <1000 ppm most of the time, but CO2 estimates from the Lower and Middle Devonian using this model show considerable variation with estimates ranging from 530-2853 ppm with one outlier reaching 7320 ppm27.
Importantly, this mechanistic proxy has also allowed for both the accuracy and the precision of the prediction to be tested allowing for the development of realistic constraints around the predicted palaeo-pCO2 to be assessed. Thus, the framework that underpins the proxy allows for the re-evaluation of CO2 predictions from both long-term carbon cycle models which have large uncertainty bracketing their predictions11,12,15 and predictions from first generation palaeo-pCO2 proxies that generated estimates in pCO2, which were largely unconstrained.
The mechanistic model by Franks et al.27 uses both carbon isotope data and stomatal features (density and size) obtained from the fossils to predict palaeo-pCO2. Both characteristics are an expression of how the plant, when alive, was adapted to its local environment. Consequently, there is a strong relationship between these different "recorders" of plant climate interactions. For example, the carbon isotope signature of leaf tissue has been demonstrated to be strongly influenced by water availability28 and the utility of mechanistic proxies underpinned solely by isotope data29,30,31 to be questioned32,33,34,35,36. Due to the co-dependency of isotope and stomatal parameters it is recommended that these data are ideally extracted from the same sample whenever possible or from contemporaneous sedimentary deposits. In taking this approach, the accuracy of the prediction should be improved because it simultaneously accounts for variable CO2 assimilation rate and water conductance in response to changing water availability27. Here, we calibrate a leaf gas-exchange model for lycophytes and estimate atmospheric CO2 levels with uncertainties by applying it to some of the oldest representatives found in the fossil record.
terug naar de vragenlijst
terug naar het weblog
^