آیا اقیانوسها می‌ توانند در اوج یک عصر یخبندان، آن هم زمانی که اکسیژن جو از میزان امروزی آن بیشتر است، دچار بی‌اکسیژنی شوند؟

سالها تصور می‌شد پاسخ این پرسش منفی باشد. بر اساس دیدگاه رایج، گسترش آبهای بی‌اکسیژن (Oceanic Anoxia) ویژگی دوره‌های گلخانه‌ای (Greenhouse) است؛ دوره‌هایی که افزایش دما، هم حلالیت اکسیژن در آب دریا را کاهش می‌ دهد و هم گردش آبهای عمیق اقیانوسها (Thermohaline Circulation) را تضعیف می‌ کند. اما پژوهشی تازه که در نشریه Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) منتشر شده، این تصور دیرینه را به چالش کشیده است. نتایج این مطالعه نشان می‌ دهد که در اوج عصر یخبندان کربونیفر–پرمین نیز، با وجود غلظت اکسیژن جوی حدود ۱٫۷ برابر امروز، اقیانوسها بارها دچار گسترش گسترده نواحی کم‌اکسیژن و بی‌اکسیژن شده‌ اند.

اقیانوس‌ هایی که در مجموع رو به بهبود بودند

این پژوهش یکی از سردترین دوره‌ های تاریخ فانروزوییک، یعنی حدود ۳۱۰ تا ۲۹۰ میلیون سال پیش را بررسی می‌کند؛ زمانی که دی‌اکسید کربن جو به حدود ۱۸۰ تا ۳۰۰ پی‌پی‌ام کاهش یافته بود، اما اکسیژن به بالاترین مقدار خود در سراسر فانروزوییک رسیده بود. پژوهشگران به سرپرستی جیتائو چن (Jitao Chen) از آکادمی علوم چین، با اندازه‌ گیری نسبت ایزوتوپهای اورانیوم (δ²³⁸U) در ۱۰۸ نمونه از سنگ‌های کربناته برش "ناکینگ" در جنوب چین، دریافتند که اقیانوسها در مجموع طی حدود ۲۰ میلیون سال روندی تدریجی به سوی اکسیژن‌دارتر شدن داشته‌اند. این روند با افزایش تنوع جانوران دریایی در رویداد Carboniferous–Permian Biodiversification Event (CPBE) نیز همزمان بوده است.

پنج بحران پنهان در دل یک روند مثبت

اما این روند کلی، بدون وقفه نبوده است. منحنی δ²³⁸U پنج افت ناگهانی را نشان می‌دهد که پژوهشگران آنها را بعنوان پنج رویداد مستقل گسترش آبهای بی‌اکسیژن (AE1 تا AE5) تفسیر کرده‌اند. این افت‌ ها با کاهش همزمان ایزوتوپ کربن (δ¹³C) و افزایش ناگهانی دی‌اکسید کربن جو همراه هستند؛ به‌ گونه‌ای که در برخی از این رویدادها، غلظت CO₂ تا دو یا سه برابر افزایش یافته است. این همزمانی نشان می‌ دهد که هر بار ورود حجم بزرگی از کربن احتمالاً در اثر فعالیتهای آتشفشانی یا آزاد شدن متان موجب گرمایش سریع زمین شده و زنجیره‌ای از فرایندها را آغاز کرده که در نهایت به گسترش مناطق کم‌اکسیژن در کف اقیانوسها انجامیده است.

چگونه افزایش CO₂ به بی‌اکسیژنی اقیانوس‌ها منجر شد؟

برای پاسخ به این پرسش، پژوهشگران از یک مدل زیست‌زمین‌شیمیایی کربن–فسفر–اورانیوم (C–P–U) همراه با روش وارونگی بیزی (Bayesian Inversion) استفاده کردند. نتایج نشان داد که افزایش ناگهانی CO₂، هوازدگی شیمیایی سنگهای آتشفشانی را در کمربند استوایی پانگه‌آ تشدید کرده است. این فرایند مقدار زیادی فسفر را که در بسیاری از اقیانوسها عنصر محدود کننده تولید اولیه زیستی به شمار می‌رود وارد آب دریا کرده است. در نتیجه، شکوفایی گسترده جلبکها و افزایش تولید اولیه (Primary Productivity) رخ داده و تجزیه همین توده‌ های زیستی، اکسیژن محلول را به‌شدت مصرف کرده است. بر اساس مدل، حدود ۴ تا ۱۲ درصد از بستر اقیانوسهای جهان در این دوره‌ ها به محیطهای کم‌اکسیژن (Hypoxia) یا بی‌اکسیژن (Anoxia) تبدیل شده‌اند.

پاسخی برای یک معمای قدیمی

یکی از پرسشهای دیرینه زمین‌ شناسی این بود که چرا همزمان با کاهش گسترده جنگلهای زغال‌سنگی (Coal forests؛ جنگلهای باتلاقیِ مرطوبی که بخش بزرگی از ذخایر زغالسنگ امروزی از بقایای گیاهی آنها شکل گرفته است)، میزان اکسیژن جو همچنان رو به افزایش بود. نتایج این پژوهش نشان می‌ دهد که در این دوره، نقش اصلی از دفن کربن آلی در خشکی به دفن کربن آلی در رسوبات دریایی منتقل شده است. ورود گسترده فسفر ناشی از هوازدگی سنگهای مافیک، بهره‌وری زیستی اقیانوس‌ها را افزایش داد و دفن مواد آلی در بستر دریا توانست کاهش نقش جنگلهای خشکی را جبران کند.

ایزوتوپ‌ های اورانیوم چگونه از گذشته خبر می‌دهند؟

شاید این پرسش پیش بیاید که چگونه می‌توان تنها با بررسی یک لایه سنگ، وضعیت اقیانوسهای ۳۰۰ میلیون سال پیش را بازسازی کرد. پاسخ در رفتار ایزوتوپی اورانیوم نهفته است. در محیطهای کم‌ اکسیژن، رسوبات دریایی تمایل بیشتری به جذب ایزوتوپ سبکتر اورانیوم دارند و در نتیجه ترکیب ایزوتوپی آب دریا تغییر می‌کند. بنابراین کاهش مقادیر δ²³⁸U در سنگهای کربناته، نشانه‌ ای از گسترش جهانی محیطهای کم‌اکسیژن در زمان تشکیل آنهاست. برش "ناکینگ" نیز به دلیل آنکه در شیب قاره‌ای عمیق و دور از تأثیر مستقیم آبهای کم‌ عمق و ورودی‌ های قاره‌ای نهشته شده، یکی از مناسبترین مکانها برای ثبت این تغییرات جهانی به شمار می‌رود.

ادامه در👇