Joides Resolution ser ut som en bisarr blandning av en oljerigg och ett lastfartyg. Det är i själva verket ett forskningsfartyg som havsforskare använder för att gräva upp sediment från havsbotten. Under en resa till sydöstra Atlanten 2003 tog forskare ombord på JOIDES Resolution upp en särskilt slående fångst.
De hade borrat ner i sediment som hade bildats på havsbotten under loppet av miljontals år. Det äldsta sedimentet i borret var vitt. Det hade bildats av kalciumkarbonatskal från encelliga organismer – samma typ av material som utgör de vita klipporna i Dover. Men när forskarna undersökte sedimentet som hade bildats för 55 miljoner år sedan ändrades färgen på ett geologiskt ögonblick.
”Mitt i det här vita sedimentet finns det en stor plugg av röd lera”, säger Andy Ridgwell, geovetare vid universitetet i Bristol.
Med andra ord hade de stora molnen av skallevande varelser i de djupa haven praktiskt taget försvunnit. Många forskare är nu överens om att denna förändring orsakades av en drastisk sänkning av havets pH-värde. Havsvattnet blev så frätande att det åt upp skalen, tillsammans med andra arter med kalciumkarbonat i kroppen. Det tog hundratusentals år för oceanerna att återhämta sig från denna kris och för havsbottnen att förvandlas från röd till vit igen.
Den lera som besättningen på JOIDES Resolution muddrade upp kan vara en olycksbådande varning för vad framtiden har i beredskap. Genom att spy ut koldioxid i luften gör vi nu återigen haven surare.
Lagring av koldioxid i haven har ett högt pris: Det förändrar havsvattnets kemi.
I dag publicerar Ridgwell och Daniela Schmidt, även de från universitetet i Bristol, en studie i tidskriften Natural Geoscience, där de jämför vad som hände i haven för 55 miljoner år sedan med vad som händer i haven i dag. Deras forskning stöder det som andra forskare länge har misstänkt: Försurningen av haven i dag är större och snabbare än vad geologer kan hitta i fossilregistret under de senaste 65 miljoner åren. Ridgwell uppskattar att den nuvarande försurningen av haven sker i tio gånger högre takt än den som föregick massutdöendet för 55 miljoner år sedan, vilket kan innebära en undergång för många marina arter, särskilt de som lever i de djupa haven.
”Detta är en geologisk händelse utan motstycke”, säger Ridgwell.
När vi människor förbränner fossila bränslen pumpar vi ut koldioxid i atmosfären, där gasen binder värme. Men en stor del av denna koldioxid stannar inte i luften. I stället sugs den in i haven. Om det inte vore för haven tror klimatforskarna att planeten skulle vara mycket varmare än vad den är idag. Även med oceanernas massiva upptag av koldioxid var det senaste decenniet fortfarande det varmaste sedan moderna registreringar inleddes. Men att lagra koldioxid i haven kan ha ett högt pris: det förändrar havsvattnets kemi.
Om havsytan har havsvattnet vanligtvis ett pH-värde på cirka 8-8,3 pH-enheter. Som jämförelse kan nämnas att pH-värdet för rent vatten är 7 och att magsyra ligger runt 2. En vätskas pH-värde bestäms av hur många positivt laddade väteatomer som flyter runt i vätskan. Ju fler vätejoner, desto lägre är pH-värdet. När koldioxid hamnar i havet sänker den pH-värdet genom att reagera med vatten.
Den koldioxid som vi har släppt ut i atmosfären sedan den industriella revolutionen har sänkt havets pH-värde med 0,1. Det kan verka litet, men det är det inte. pH-skalan är logaritmisk, vilket innebär att det finns 10 gånger fler vätejoner i en vätska med pH 5 än i en vätska med pH 6, och 100 gånger fler än i en vätska med pH 7. En sänkning på bara 0,1 pH-enheter innebär därför att koncentrationen av vätejoner i havet har ökat med cirka 30 procent under de senaste två århundradena.
För att se hur havsförsurningen kommer att påverka livet i havet har forskare genomfört laboratorieexperiment där de föder upp organismer vid olika pH-nivåer. Resultaten har varit oroande – särskilt för arter som bygger upp skelett av kalciumkarbonat, såsom koraller och amöba-liknande organismer som kallas foraminifera. Den extra vätgasen i havsvatten med lågt pH reagerar med kalciumkarbonat och omvandlar det till andra föreningar som djuren inte kan använda för att bygga sina skal.
Resultaten är oroväckande, inte bara för de specifika arter som forskarna studerar, utan även för de ekosystem där de lever. Vissa av dessa sårbara arter är avgörande för hela ekosystem i havet. Små skalbyggande organismer är föda för ryggradslösa djur, t.ex. blötdjur och småfiskar, som i sin tur är föda för större rovdjur. Korallreven skapar en undervattensregnskog som hyser en fjärdedel av havets biologiska mångfald.
Men laboratorieexperiment som varar i några dagar eller veckor kan i sig själva inte berätta för forskarna hur havsförsurningen kommer att påverka hela planeten. ”Det är inte uppenbart vad de betyder i verkligheten, säger Ridgwell.
Ett sätt att få mer information är att titta på själva oceanernas historia, vilket Ridgwell och Schmidt har gjort i sin nya studie. Vid en första anblick kan denna historia tyda på att vi inte har något att oroa oss för. För hundra miljoner år sedan fanns det mer än fem gånger mer koldioxid i atmosfären och havet hade 0,8 pH-enheter lägre. Ändå fanns det gott om kalciumkarbonat för foraminiferer och andra arter. Det var faktiskt under denna period som skalbyggande marina organismer producerade de kalkstensformationer som så småningom skulle bli White Cliffs of Dover.
Men det finns en avgörande skillnad mellan jorden för 100 miljoner år sedan och i dag. Då förändrades koldioxidkoncentrationerna mycket långsamt under miljontals år. Dessa långsamma förändringar utlöste andra långsamma förändringar i jordens kemi. När planeten värmdes upp av mer koldioxid förde den ökade nederbörden till exempel fler mineraler från bergen ut i havet, där de kunde förändra havsvattnets kemi. Även vid låga pH-värden innehåller havet tillräckligt med löst kalciumkarbonat för att koraller och andra arter ska kunna överleva.
I dag översvämmar vi emellertid atmosfären med koldioxid i en takt som sällan skådats i vår planets historia. Planetens återkopplingar till väderlek kommer inte att kunna kompensera för den plötsliga pH-sänkningen på hundratusentals år.
Vetenskapsmännen har genomsökt fossilregistret för att hitta perioder i historien som kan ge ledtrådar till hur planeten kommer att reagera på den nuvarande kolstöten. De har funnit att jorden genomgick en liknande förändring för 55 miljoner år sedan. Lee Kump från Penn State och hans kollegor har uppskattat att ungefär 6,8 biljoner ton kol kom in i jordens atmosfär under cirka 10 000 år.
Ingen kan med säkerhet säga vad som släppte ut allt detta kol, men det verkar ha haft en drastisk effekt på klimatet. Temperaturen steg mellan 5 och 9 grader Celsius (9 till 16 Fahrenheit). Många djuphavsarter dog ut, möjligen eftersom pH-värdet i djuphavet blev för lågt för att de skulle kunna överleva.
Men denna uråldriga katastrof (känd som Paleocen-Eocen thermal maximum, eller PETM) var inte en perfekt föregångare till vad som händer på jorden i dag. Temperaturen var varmare innan kolbomben exploderade, och pH-värdet i haven var lägre. Kontinenternas arrangemang var också annorlunda. Vindarna blåste därför i olika mönster, vilket drev oceanerna i olika riktningar.
Alla dessa faktorer gör stor skillnad på effekten av havsförsurning. Den effekt som ett lågt pH har på skelettbyggande organismer beror till exempel på trycket och temperaturen i havet. Under ett visst djup i havet blir vattnet så kallt och trycket så högt att det inte finns något kalciumkarbonat kvar för skalbyggande organismer. Denna tröskel är känd som mättnadshorisonten.
Vår koleldade civilisation påverkar livet överallt på jorden – även djupt under vattnet.
För att göra en meningsfull jämförelse mellan PETM och idag byggde Ridgwell och Schmidt storskaliga simuleringar av havet vid båda tidpunkterna. De skapade en virtuell version av jorden för 55 miljoner år sedan och lät simuleringen köra tills den nådde ett stabilt tillstånd. pH-värdet i deras simulerade hav låg inom intervallet för uppskattningar av pH-värdet i det verkliga havet för 55 miljoner år sedan. Därefter byggde de en version av den moderna jorden, med dagens arrangemang av kontinenter, medeltemperatur och andra variabler. De lät den moderna världen nå ett stabilt tillstånd och kontrollerade sedan havets pH-värde. Återigen stämde det överens med det verkliga pH som finns i haven i dag.
Ridgwell och Schmidt skakade sedan om båda dessa simulerade hav med massiva injektioner av koldioxid. De tillförde 6,8 biljoner ton kol under 10 000 år till sin PETM-värld. Med försiktiga beräkningar av framtida koldioxidutsläpp lade de till 2,1 biljoner ton kol under bara några få århundraden till deras moderna värld. Ridgwell och Schmidt använde sedan modellen för att uppskatta hur lätt karbonat skulle lösas upp på olika djup i havet.
Resultaten var slående olika. Ridgwell och Schmidt fann att försurningen av haven sker ungefär tio gånger snabbare i dag än för 55 miljoner år sedan. Och medan mättnadshorisonten steg till 1 500 meter för 55 miljoner år sedan kommer den enligt modellen att lobba upp till 550 meter i genomsnitt fram till 2150.
PETM var tillräckligt kraftfull för att utlösa omfattande utdöenden i de djupa oceanerna. Dagens snabbare och större förändringar i havet kan mycket väl leda till en ny våg av utdöenden. Paleontologer har inte hittat några tecken på större utdöenden av koraller eller andra karbonatbaserade arter i ytvatten kring PETM. Men eftersom dagens havsförsurning är så mycket starkare kan den påverka livet i grunda vatten också. ”Vi kan inte säga något säkert om effekterna på ekosystemen, men det finns mycket anledning till oro”, säger Ridgwell.
Ellen Thomas, paleoceanograf vid Yale University, säger att den nya artikeln ”har stor betydelse för våra idéer om havsförsurning”. Men hon påpekar att livet i havet drabbades av mer än bara ett sjunkande pH-värde. ”Jag är inte övertygad om att det är hela svaret”, säger hon. Havets temperatur steg och syrehalten sjönk. Tillsammans hade alla dessa förändringar komplexa effekter på havets biologi för 55 miljoner år sedan. Forskarna måste nu fastställa vilken slags kombinerad effekt de kommer att ha på havet i framtiden.
Vår koleldade civilisation påverkar livet överallt på jorden, enligt det arbete som forskare som Ridgwell utför – till och med livet som bor tusentals meter under vattnet. ”Våra åtgärder kan verkligen ha en ganska global räckvidd”, säger Ridgwell. Det är fullt möjligt att de havssediment som bildas under de närmaste århundradena kommer att förändras från vit kalciumkarbonat tillbaka till röd lera, när havsförsurningen utplånar djuphavsekosystemen.
”Det kommer att ge människor hundratals miljoner år framöver något att identifiera vår civilisation med”, säger Ridgwell.