Bumi tampaknya memiliki sistem pengatur iklim alami yang membantunya tetap layak huni selama lebih dari 100 juta tahun. Para ilmuwan telah lama mengetahui keberadaan sistem ini, namun mekanisme yang mendasarinya masih sulit dijelaskan.
Penelitian baru menyoroti hubungan yang sebelumnya terabaikan antara permukaan laut dan ketersediaan fosfat di lautan. Perubahan suhu global mempengaruhi ukuran lapisan es di kutub, sehingga mengubah permukaan laut. Perubahan ini kemudian mempengaruhi jumlah fosfat yang mencapai laut lepas, jumlah karbon yang terkubur dalam sedimen laut, dan jumlah karbon dioksida yang tersisa di atmosfer.
Bersama-sama, proses-proses ini membantu menentukan apakah bumi menjadi lebih hangat atau lebih dingin dalam jangka waktu yang lama.
Permukaan laut dan siklus karbon di Bumi
Studi baru ini ditulis bersama oleh Zunli Lu, profesor ilmu bumi dan lingkungan di Fakultas Seni dan Sains Universitas Syracuse. Laporan ini mengkaji bagaimana perubahan permukaan laut dan kondisi oksigen di lautan telah mempengaruhi ketersediaan fosfat dan karbon dioksida di atmosfer selama 60 juta tahun terakhir.
Hasilnya dipublikasikan di Prosiding Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional.
“Kita tahu bahwa karbon dioksida di atmosfer telah menurun secara signifikan seiring dengan pendinginan bumi selama 60 juta tahun terakhir, namun kita hanya memiliki sedikit pemahaman tentang di mana karbon ini berakhir,” kata penulis utama Ros Rickaby, profesor ilmu bumi di Universitas Oxford, dalam sebuah artikel berita departemen. “Hasil kami menunjukkan bahwa peningkatan penguburan karbon organik dalam sedimen laut memainkan peran yang jauh lebih besar daripada yang diperkirakan sebelumnya.”
Fosfat sebagai pengatur iklim yang tersembunyi
Inti dari penelitian ini adalah fosfor, khususnya fosfat, nutrisi yang dibutuhkan organisme laut untuk berkembang. Para peneliti menggambarkan fosfat sebagai bagian yang sebelumnya “tidak terlihat” dalam teka-teki iklim.
Ketika permukaan air laut tinggi, landas kontinen yang dangkal menutupi wilayah yang lebih luas. Rak-rak ini memerangkap fosfat dalam sedimen pesisir, menyebabkan lebih sedikit nutrisi yang tersedia di laut terbuka.
Dengan berkurangnya fosfat di perairan, produktivitas laut pun melambat. Lebih sedikit organisme yang berkembang, lebih sedikit karbon organik yang tenggelam ke dasar laut, dan lebih sedikit karbon yang terkubur dalam sedimen. Perairan laut juga menjadi lebih kaya oksigen, sementara karbon dioksida menumpuk di atmosfer.
Hasilnya adalah planet menjadi lebih hangat.
Jatuhnya air laut memicu umpan balik karbon
Ketika permukaan air laut turun, proses tersebut bergerak ke arah sebaliknya.
Ketika landas kontinen menyusut, lebih banyak fosfat masuk ke dalam air. Nutrisi tambahan ini mendorong peningkatan kehidupan laut. Ketika organisme mati, sisa-sisa organisme tersebut tenggelam dan membusuk, mengonsumsi oksigen dari air di sekitarnya.
Seiring waktu, zona kekurangan oksigen terbentuk di lautan. Ketika kawasan ini mencapai sedimen kaya karbon di landas kontinen, mereka mengaktifkan proses umpan balik yang kuat.
Oksigen rendah menyebabkan sedimen melepaskan lebih banyak fosfat. Ekstra fosfat ini mendorong lebih banyak pertumbuhan laut, yang menyebabkan lebih banyak karbon organik terkubur di dasar laut. Semakin banyak karbon yang hilang dari laut dan atmosfer, maka CO2 di atmosfer pun menurun.
“Rekan penulis kami, Christian Bjerrum, mempelajari hubungan antara permukaan laut, oksigen laut, dan fosfat dengan model komputer dua puluh tahun lalu,” kata Lu. “Kami akhirnya mengumpulkan catatan geologi yang diperlukan untuk menguji hipotesis ini.”
Lokasi terbaik di permukaan laut untuk penguburan karbon
Para peneliti menemukan bahwa umpan balik ini mencapai kekuatan terbesarnya ketika permukaan laut berada sekitar 10 hingga 40 meter di atas permukaan laut saat ini.
Di “titik terbaik” permukaan laut ini, perairan yang miskin oksigen tumpang tindih dengan sedimen kaya bahan organik dari landas kontinen. Kombinasi ini memungkinkan sejumlah besar karbon terkubur selama jutaan tahun.
Tim membandingkan pola ini dengan bukti geologis berusia 60 juta tahun. Data tersebut mencakup catatan isotop karbon, pengukuran akumulasi fosfor di sedimen laut dalam, dan metode baru untuk mengubah yodium menjadi kalsium untuk merekonstruksi tingkat oksigen laut purba.
Membaca oksigen lautan purba
Laboratorium Lu melakukan pengukuran kalsium yodium.
Metode ini mengkaji kimia foraminifera purba, organisme laut mikroskopis yang sisa-sisanya terawetkan di sedimen dasar laut. Komposisi kimianya memungkinkan para ilmuwan memperkirakan jumlah oksigen yang ada di air saat mereka hidup.
Sampel dianalisis dengan spektrometer massa di Universitas Syracuse. Instrumen ini didanai oleh National Science Foundation.
Mengapa Eosen tetap hangat
Zaman Eosen, yang berlangsung sekitar 56 hingga 34 juta tahun lalu, memberikan contoh jelas tentang apa yang terjadi ketika umpan balik penguburan karbon sebagian besar tidak aktif.
Selama periode ini, permukaan air laut sangat tinggi dan landas kontinen yang luas terendam banjir. Fosfat tetap terperangkap di sedimen dangkal, menyebabkan lautan relatif miskin nutrisi.
Produktivitas kelautan tetap rendah, lautan menjadi sangat teroksigenasi, dan lebih sedikit karbon organik yang terkubur. Dengan dimatikannya mekanisme umpan balik secara efektif, karbon dioksida yang terakumulasi di atmosfer dan di Bumi tetap hangat.
Sistem iklim yang menjadi lebih stabil
Para peneliti mengusulkan bahwa area tempat terjadinya penimbunan karbon secara bertahap menyusut seiring waktu geologis seiring dengan semakin dalamnya perairan yang miskin oksigen.
Perubahan jangka panjang ini mungkin membantu menstabilkan oksigen di atmosfer dan karbon dioksida. Kesenjangan antara penimbunan karbon dan akumulasinya di atmosfer menjadi tidak terlalu ekstrim, sehingga sistem iklim bumi lebih tahan terhadap gangguan.
Poin-poin penting dari penelitian ini
Fosfat, yang merupakan nutrisi penting bagi kehidupan laut, telah bertindak sebagai pengatur tersembunyi siklus karbon terestrial selama 60 juta tahun terakhir, meskipun peran pastinya belum sepenuhnya dipahami.
Ketinggian air laut mempengaruhi jumlah fosfat yang mencapai laut lepas. Hal ini mengendalikan produktivitas laut, jumlah karbon yang terkubur di sedimen dasar laut, dan jumlah karbon dioksida yang tersisa di atmosfer.
Sebuah “sweet spot” di permukaan laut, yang terletak sekitar 10 hingga 40 meter di atas permukaan laut saat ini, menghasilkan penimbunan karbon terbesar. Proses ini bertindak sebagai penghambat alami pemanasan selama jutaan tahun dan membantu menggerakkan Bumi menuju iklim yang lebih sejuk saat ini.
Penelitian ini melibatkan kolaborator dari Universitas Oxford (Rickaby dan Thomas Wood) dan Universitas Kopenhagen (Christian J. Bjerrum). Hal ini didukung oleh dua hibah dari National Science Foundation.
Hasil ini menambah penelitian yang lebih besar dari laboratorium Lu yang menggunakan metode kalsium yodium untuk merekonstruksi kondisi oksigen di lautan purba.
Sebuah studi sebelumnya, diterbitkan pada bulan Januari di Geosains alammenggunakan teknik yang sama untuk menunjukkan bahwa lautan tropis pada masa Proterozoikum kaya akan oksigen. Pola ini sangat bertolak belakang dengan apa yang ada saat ini. Para peneliti juga menemukan bahwa titik kritis planet ratusan juta tahun lalu menyebabkan pembalikan distribusi oksigen global.
