JOIDES Resolution näyttää öljynporauslautan ja rahtilaivan oudolta hybridiltä. Se on itse asiassa tutkimusalus, jolla valtameritutkijat kaivavat merenpohjasta sedimenttiä. Vuonna 2003 JOIDES Resolution -aluksen tiedemiehet toivat Kaakkois-Atlantilla tekemällään matkalla esiin erityisen hämmästyttävän saaliin.
He olivat porautuneet merenpohjaan miljoonien vuosien aikana muodostuneeseen sedimenttiin. Vanhin porattu sedimentti oli valkoista. Se oli muodostunut yksisoluisten eliöiden kalsiumkarbonaattikuorista – samantyyppisestä materiaalista, josta Doverin valkoiset kalliot koostuvat. Mutta kun tutkijat tutkivat 55 miljoonaa vuotta sitten muodostunutta sedimenttiä, väri muuttui geologisessa silmänräpäyksessä.
”Tämän valkoisen sedimentin keskellä on iso punaisen saven tulppa”, sanoo Andy Ridgwell, Bristolin yliopiston geotieteilijä.
Muilla sanoilla, syvien valtamerien valtavat kuorellisten eliöiden pilvet olivat käytännössä kadonneet. Monet tutkijat ovat nyt yhtä mieltä siitä, että tämä muutos johtui valtamerten pH-tason jyrkästä laskusta. Merivedestä tuli niin syövyttävää, että se söi kuoret sekä muut lajit, joiden elimistössä oli kalsiumkarbonaattia. Kesti satoja tuhansia vuosia, ennen kuin valtameret toipuivat tästä kriisistä ja merenpohja muuttui punaisesta takaisin valkoiseksi.
JOIDES Resolution -aluksen miehistön esiin kaivama savi saattaa olla pahaenteinen varoitus siitä, mitä tulevaisuus tuo tullessaan. Räjäyttämällä hiilidioksidia ilmaan olemme nyt jälleen kerran tekemässä valtameristä happamampia.
Hiilidioksidin varastoimisella valtameriin on kova hinta: se muuttaa meriveden kemiaa.
Ridgwell ja Daniela Schmidt, niin ikään Bristolin yliopistosta, julkaisevat tänään Natural Geoscience -lehdessä tutkimuksen, jossa he vertailevat, mitä merissä tapahtui 55 miljoonaa vuotta sitten, siihen, mitä valtameret kokevat nyt. Heidän tutkimuksensa tukee sitä, mitä muut tutkijat ovat jo pitkään epäilleet: Meren happamoituminen on nykyään suurempaa ja nopeampaa kuin mitä geologit ovat löytäneet fossiileista viimeisten 65 miljoonan vuoden ajalta. Sen nopeus ja voimakkuus – Ridgwell arvioi, että valtamerten nykyinen happamoituminen on kymmenkertaista verrattuna 55 miljoonaa vuotta sitten tapahtunutta joukkokuolemista edeltäneeseen vauhtiin – voi koitua tuhoksi monille merilajeille, erityisesti syvänmeren lajeille.
”Tämä on lähes ennennäkemätön geologinen tapahtuma”, Ridgwell sanoo.
Kun me ihmiset poltamme fossiilisia polttoaineita, pumppaamme hiilidioksidia ilmakehään, jossa kaasu sitoo lämpöä. Suuri osa hiilidioksidista ei kuitenkaan pysy ilmassa. Sen sijaan se imeytyy valtameriin. Ilman valtameriä ilmaston tutkijat uskovat, että maapallo olisi paljon nykyistä lämpimämpi. Vaikka valtameret ovat ottaneet runsaasti hiilidioksidia, kulunut vuosikymmen oli silti lämpimin sitten nykyaikaisen ajanlaskennan alkamisen. Hiilidioksidin varastoimisella valtameriin voi kuitenkin olla kova hinta: se muuttaa meriveden kemiaa.
Meren pinnalla meriveden pH on tyypillisesti noin 8-8,3 pH-yksikköä. Vertailun vuoksi todettakoon, että puhtaan veden pH on 7 ja mahahapon noin 2. Nesteen pH-arvo määräytyy sen mukaan, kuinka monta positiivisesti varautunutta vetyatomia siinä kelluu. Mitä enemmän vetyioneja, sitä alhaisempi pH-arvo. Kun hiilidioksidia pääsee mereen, se laskee pH-arvoa reagoimalla veden kanssa.
Teollisen vallankumouksen jälkeen ilmakehään päästämämme hiilidioksidi on laskenut valtamerten pH-tasoa 0,1:llä. Se saattaa vaikuttaa pieneltä, mutta ei se ole sitä. pH-asteikko on logaritminen, mikä tarkoittaa, että nesteessä, jonka pH on 5, on 10 kertaa enemmän vetyioneja kuin nesteessä, jonka pH on 6, ja 100 kertaa enemmän kuin nesteessä, jonka pH on 7. Näin ollen vain 0,1 pH-yksikön lasku tarkoittaa, että vetyionien pitoisuus valtameressä on noussut noin 30 prosenttia kahden viime vuosisadan aikana.
Katsoakseen, miten valtamerten happamoituminen vaikuttaa meren elämään, tutkijat ovat tehneet laboratoriokokeita, joissa he kasvattavat eliöitä eri pH-tasoilla. Tulokset ovat olleet huolestuttavia – erityisesti kalsiumkarbonaatista luurankoa rakentavien lajien, kuten korallien ja foraminiferoiksi kutsuttujen ameebamaisten eliöiden osalta. Matalan pH:n meriveden ylimääräinen vety reagoi kalsiumkarbonaatin kanssa, jolloin se muuttuu muiksi yhdisteiksi, joita eläimet eivät voi käyttää kuorensa rakentamiseen.
Tulokset ovat huolestuttavia paitsi tutkijoiden tutkimien lajien myös niiden ekosysteemien kannalta, joissa ne elävät. Jotkut näistä haavoittuvista lajeista ovat elintärkeitä kokonaisille merten ekosysteemeille. Pienet kuorta rakentavat eliöt ovat ravintoa selkärangattomille, kuten nilviäisille ja pienille kaloille, jotka puolestaan ovat ravintoa suuremmille saalistajille. Koralliriutat muodostavat vedenalaisen sademetsän, jossa elää neljännes valtameren biologisesta monimuotoisuudesta.
Mutta yksinään muutaman päivän tai viikon kestävät laboratoriokokeet eivät välttämättä kerro tutkijoille, miten valtamerten happamoituminen vaikuttaa koko planeettaan. ”Ei ole selvää, mitä nämä merkitsevät todellisessa maailmassa”, Ridgwell sanoo.
Yksi keino saada lisää tietoa on tarkastella itse valtamerten historiaa, mitä Ridgwell ja Schmidt ovat tehneet uudessa tutkimuksessaan. Ensi silmäyksellä tuo historia saattaisi antaa ymmärtää, ettei meillä ole mitään syytä huoleen. Sata miljoonaa vuotta sitten ilmakehässä oli yli viisi kertaa enemmän hiilidioksidia ja meren pH oli 0,8 pH-yksikköä alhaisempi. Silti kalsiumkarbonaattia oli runsaasti foraminiferoille ja muille lajeille. Juuri tuona aikana kuoria rakentavat meren eliöt tuottivat kalkkikivimuodostelmia, joista lopulta tuli Doverin valkoiset kalliot.
Mutta sadan miljoonan vuoden takaisen ja nykyisen maapallon välillä on ratkaiseva ero. Silloin hiilidioksidipitoisuudet muuttuivat hyvin hitaasti miljoonien vuosien aikana. Nämä hitaat muutokset käynnistivät muita hitaita muutoksia maapallon kemiassa. Esimerkiksi kun maapallo lämpeni hiilidioksidin lisääntyessä, lisääntyneet sateet kuljettivat vuoristosta enemmän mineraaleja mereen, jossa ne saattoivat muuttaa meriveden kemiaa. Jopa alhaisen pH:n vallitessa meressä on riittävästi liuennutta kalsiumkarbonaattia, jotta korallit ja muut lajit voivat selviytyä.
Tänään kuitenkin ilmakehään tulvii hiilidioksidia vauhdilla, jollaista on harvoin nähty planeettamme historiassa. Planeetan sääpalautteet eivät pysty kompensoimaan pH:n äkillistä laskua satoihin tuhansiin vuosiin.
Tutkijat ovat tutkineet fossiilisia arkistoja etsien historian jaksoja, jotka voisivat antaa viitteitä siitä, miten planeetta reagoi nykyiseen hiilijännitykseen. He ovat havainneet, että 55 miljoonaa vuotta sitten maapallo kävi läpi samanlaisen muutoksen. Lee Kump Penn Staten yliopistosta ja hänen kollegansa ovat arvioineet, että noin 6,8 biljoonaa tonnia hiiltä pääsi maapallon ilmakehään noin 10 000 vuoden aikana.
Kukaan ei voi sanoa varmasti, mikä kaiken tuon hiilen vapautti, mutta sillä näytti olleen raju vaikutus ilmastoon. Lämpötilat nousivat 5-9 celsiusasteen (9-16 Fahrenheitin) välillä. Monet syvänmeren lajit kuolivat sukupuuttoon, mahdollisesti siksi, että syvänmeren pH-arvo laski liian alhaiseksi niiden selviytymiselle.
Mutta tämä muinainen katastrofi (joka tunnetaan nimellä paleoseeni-eoseenin terminen maksimi eli PETM) ei ollut täydellinen esiaste sille, mitä maapallolla tapahtuu nykyään. Lämpötila oli lämpimämpi ennen hiilipommin räjähtämistä, ja valtamerten pH oli alhaisempi. Myös maanosien sijoittelu oli erilainen. Tämän seurauksena tuulet puhalsivat eri tavoin ja ajoivat valtameriä eri suuntiin.
Kaikki nämä tekijät vaikuttavat suuresti valtamerten happamoitumisen vaikutukseen. Esimerkiksi alhaisen pH:n vaikutus luurankoa rakentaviin eliöihin riippuu meren paineesta ja lämpötilasta. Tiettyä valtameren syvyyttä alempana vesi muuttuu niin kylmäksi ja paine niin korkeaksi, että kuorta rakentaville eliöille ei jää kalsiumkarbonaattia. Tätä rajaa kutsutaan kyllästymishorisontiksi.
Hiilipolttoaineella toimiva sivilisaatiomme vaikuttaa elämään kaikkialla maapallolla – jopa syvällä veden alla.
Jotta PETM:n ja nykypäivän välille saataisiin mielekäs vertailu, Ridgwell ja Schmidt rakensivat laajamittaisia simulaatioita valtameristä molempina ajankohtina. He loivat virtuaalisen version maapallosta 55 miljoonaa vuotta sitten ja antoivat simulaation käydä, kunnes se saavutti vakaan tilan. Heidän simuloimansa valtameren pH-taso sijoittui 55 miljoonaa vuotta sitten todellisen valtameren pH:ta koskevien arvioiden vaihteluvälille. Sitten he rakensivat version nykyisestä maapallosta, jossa oli nykyiset mantereiden järjestelyt, keskilämpötila ja muut muuttujat. He antoivat nykymaailman saavuttaa vakaan tilan ja tarkistivat sitten valtameren pH:n. Jälleen kerran se vastasi todellista pH:ta, joka esiintyy nykypäivän valtamerissä.
Ridgwell ja Schmidt ravistelivat sitten molempia simuloituja valtameriä massiivisilla hiilidioksidipistoksilla. He lisäsivät PETM-maailmaansa 6,8 biljoonaa tonnia hiiltä 10 000 vuoden aikana. Käyttämällä varovaisia ennusteita tulevista hiilidioksidipäästöistä he lisäsivät nykymaailmaan 2,1 biljoonaa tonnia hiiltä vain muutaman vuosisadan aikana. Ridgwell ja Schmidt käyttivät sitten mallia arvioidakseen, kuinka helposti karbonaatti liukenisi meren eri syvyyksissä.
Tulokset olivat hämmästyttävän erilaisia. Ridgwell ja Schmidt havaitsivat, että valtamerten happamoituminen tapahtuu nykyään noin kymmenen kertaa nopeammin kuin 55 miljoonaa vuotta sitten. Ja kun kyllästymishorisontti nousi 55 miljoonaa vuotta sitten 1 500 metriin, mallin mukaan se nousee vuoteen 2150 mennessä keskimäärin 550 metriin.
PETM oli niin voimakas, että se käynnisti laajamittaisen sukupuuttoon kuolemisen valtamerten syvyyksissä. Nykyiset nopeammat ja suuremmat muutokset merissä voivat hyvinkin aiheuttaa uuden sukupuuttoaallon. Paleontologit eivät ole löytäneet merkkejä korallien tai muiden karbonaattipohjaisten lajien laajoista sukupuuttoon kuolemisista pintavesissä PETM:n aikaan. Mutta koska valtamerten happamoituminen on nykyään niin paljon voimakkaampaa, se voi vaikuttaa myös matalassa vedessä eläviin eliöihin. ”Emme voi sanoa mitään varmaa ekosysteemeihin kohdistuvista vaikutuksista, mutta huolenaiheita on paljon”, Ridgwell sanoo.
Yalen yliopistossa työskentelevä paleoceanografi Ellen Thomas sanoo, että uusi artikkeli ”on erittäin merkittävä käsityksillemme valtamerten happamoitumisesta”. Hän kuitenkin huomauttaa, että elämää valtameressä horjutti muutakin kuin pH:n lasku. ”En ole vakuuttunut siitä, että se on koko vastaus”, hän sanoo. Meren lämpötila nousi ja happipitoisuus laski. Kaikki nämä muutokset yhdessä vaikuttivat monimutkaisesti meren biologiaan 55 miljoonaa vuotta sitten. Tutkijoiden on nyt selvitettävä, millainen niiden yhteisvaikutus meriin on tulevaisuudessa.
Ridgwellin kaltaisten tutkijoiden työn mukaan hiilipolttoaineita käyttävä sivilisaatiomme vaikuttaa elämään kaikkialla maapallolla – jopa tuhansien metrien syvyydessä elävään elämään. ”Toimintamme vaikutus voi olla todella maailmanlaajuinen”, Ridgwell sanoo. On täysin mahdollista, että seuraavien vuosisatojen aikana muodostuvat merisedimentit muuttuvat kalsiumkarbonaatin valkoisesta väristä takaisin punaiseksi saveksi, kun meren happamoituminen hävittää syvänmeren ekosysteemit.
”Se antaa ihmisille satojen miljoonien vuosien päästä jotain, mistä tunnistaa sivilisaatiomme”, Ridgwell sanoo.