Descubren cómo la Tierra regula su clima a través de un termostato natural

Un equipo de científicos de la Universidad de Syracuse ha identificado un mecanismo fundamental que explica cómo la Tierra ha mantenido su clima habitable durante más de 100 millones de años. Este descubrimiento se centra en un bucle de retroalimentación previamente desconocido que relaciona los niveles del mar con la disponibilidad de fosfatos en el océano, lo que a su vez afecta la vida marina y la cantidad de carbono que se entierra en el fondo marino.

Los investigadores analizaron cómo las fluctuaciones en la temperatura global, que afectan el tamaño de las capas de hielo polares, alteran los niveles del mar. Estos cambios impactan la cantidad de fosfato que llega al océano abierto y, en consecuencia, la cantidad de carbono que se entierra en los sedimentos marinos y la cantidad de dióxido de carbono que permanece en la atmósfera. Este conjunto de procesos ha sido determinante para que la Tierra se mantenga más cálida o más fría a lo largo de extensos períodos de tiempo.

El estudio, coautorado por Zunli Lu, profesor de ciencias de la Tierra y medio ambiente en la Universidad de Syracuse, se centra en cómo los niveles del mar y las condiciones de oxígeno en el océano han afectado la disponibilidad de fosfatos y el dióxido de carbono atmosférico en los últimos 60 millones de años. Los hallazgos fueron publicados en Proceedings of the National Academy of Sciences.

Según Ros Rickaby, autora principal y profesora de ciencias de la Tierra en la Universidad de Oxford, "sabemos que el dióxido de carbono atmosférico disminuyó considerablemente a medida que la Tierra se enfrió en los últimos 60 millones de años, pero hemos tenido una comprensión notablemente limitada de dónde terminó ese carbono". Rickaby añadió que "nuestros resultados sugieren que el aumento del entierro de carbono orgánico en los sedimentos marinos desempeñó un papel mucho más importante de lo que se había apreciado anteriormente".

El papel del fosfato como regulador climático

El estudio destaca el papel del fósforo, especialmente del fosfato, un nutriente esencial para el crecimiento de los organismos marinos. Los investigadores describieron el fosfato como una parte "invisible" del rompecabezas climático. Cuando los niveles del mar son altos, las plataformas continentales poco profundas cubren una mayor área, atrapando el fosfato en los sedimentos costeros y dejando menos disponible en el océano abierto.

Con menos fosfato en el agua, la productividad marina se ralentiza. Menos organismos crecen, menos carbono orgánico se hunde hacia el fondo marino y menos carbono se entierra en los sedimentos. Las aguas oceánicas también se vuelven más ricas en oxígeno, mientras que el dióxido de carbono se acumula en la atmósfera, lo que resulta en un planeta más cálido.

El descenso del nivel del mar activa un feedback de carbono

Cuando los niveles del mar caen, el proceso se invierte. A medida que las plataformas continentales se reducen, más fosfato entra en el agua, lo que apoya un aumento en la vida marina. Cuando los organismos mueren, sus restos se hunden y se descomponen, consumiendo oxígeno en el agua circundante.

Con el tiempo, se forman zonas de bajo oxígeno en el océano. Cuando estas zonas alcanzan sedimentos ricos en carbono en las plataformas continentales, activan un poderoso proceso de retroalimentación. El bajo oxígeno provoca que los sedimentos liberen aún más fosfato, lo que a su vez fomenta un mayor crecimiento marino y lleva a un mayor entierro de carbono orgánico en el fondo marino. A medida que se elimina más carbono del océano y de la atmósfera, el dióxido de carbono atmosférico disminuye.

Según Lu, "nuestro coautor, Christian Bjerrum, estudió la conexión entre el nivel del mar, el oxígeno oceánico y el fosfato con un modelo computacional hace dos décadas. Finalmente reunimos los registros geológicos necesarios para probar esta hipótesis".

Un punto óptimo en el nivel del mar para el entierro de carbono

Los investigadores encontraron que este feedback alcanza su mayor fuerza cuando el nivel del mar se sitúa aproximadamente entre 10 y 40 metros por encima de su nivel actual. En este "punto óptimo" de nivel del mar, las aguas de bajo oxígeno se superponen con los sedimentos ricos en materia orgánica de las plataformas continentales, lo que permite que cantidades inusualmente grandes de carbono se entierren durante millones de años.

El equipo comparó este patrón con 60 millones de años de evidencia geológica, que incluyó registros de isótopos de carbono, mediciones de acumulación de fósforo en sedimentos de aguas profundas y un nuevo método de relación yodo-calcio para reconstruir los niveles de oxígeno antiguos en el océano.

Lectura de oxígeno antiguo en el océano

El laboratorio de Lu realizó las mediciones de yodo-calcio. Este método examina la química de foraminíferos antiguos, organismos microscópicos marinos cuyos restos se preservan en sedimentos del fondo marino. Su composición química permite a los científicos estimar cuánto oxígeno estaba presente en el agua cuando vivieron.

Las muestras fueron analizadas con un espectrómetro de masas en la Universidad de Syracuse, un instrumento financiado por la National Science Foundation.

Por qué el Eoceno se mantuvo cálido

El período Eoceno, que duró aproximadamente de 56 a 34 millones de años atrás, proporciona un claro ejemplo de lo que ocurrió cuando el feedback de entierro de carbono estuvo inactivo. Durante ese período, los niveles del mar eran extremadamente altos y las amplias plataformas continentales estaban inundadas. El fosfato quedó atrapado en sedimentos poco profundos, dejando al océano abierto relativamente pobre en nutrientes.

La productividad marina se mantuvo baja, el océano se volvió altamente oxigenado y menos carbono orgánico se enterró. Con el mecanismo de retroalimentación efectivamente apagado, el dióxido de carbono se acumuló en la atmósfera y la Tierra permaneció cálida.

Un sistema climático que se volvió más estable

Los investigadores propusieron que las zonas donde ocurre el entierro de carbono se han ido estrechando gradualmente a lo largo del tiempo geológico a medida que las aguas de bajo oxígeno se han movido más profundo. Este cambio a largo plazo puede haber ayudado a estabilizar tanto el oxígeno atmosférico como el dióxido de carbono, haciendo que las oscilaciones entre el entierro de carbono y la acumulación de carbono en la atmósfera sean menos extremas, lo que hace que el sistema climático de la Tierra sea más resistente a las perturbaciones.

Conclusiones clave del estudio

El fosfato, un nutriente esencial para la vida marina, actuó como un regulador oculto del ciclo del carbono de la Tierra durante los últimos 60 millones de años, aunque su papel exacto no había sido completamente entendido. El nivel del mar influyó en cuánta cantidad de fosfato llegaba al océano abierto. Esto controló la productividad marina, la cantidad de carbono enterrado en los sedimentos del fondo marino y la cantidad de dióxido de carbono que quedó en la atmósfera. Un "punto óptimo" en el nivel del mar, aproximadamente entre 10 y 40 metros por encima de los niveles actuales, produjo el entierro de carbono más fuerte. Este proceso actuó como un freno natural al calentamiento durante millones de años y ayudó a mover a la Tierra hacia su clima más frío actual.

La investigación incluyó colaboradores de la Universidad de Oxford (Rickaby y Thomas Wood) y la Universidad de Copenhague (Christian J. Bjerrum). Fue respaldada por dos subvenciones de la National Science Foundation. Los hallazgos se suman a un cuerpo más amplio de trabajo del laboratorio de Lu que utiliza el método de yodo-calcio para reconstruir las condiciones de oxígeno en los océanos antiguos. Un estudio anterior, publicado en enero en Nature Geoscience, utilizó la misma técnica para mostrar que los océanos tropicales durante el Eón Proterozoico eran ricos en oxígeno. Ese patrón fue exactamente el reverso de lo que existe hoy. Los investigadores también encontraron que un punto de inflexión planetario hace cientos de millones de años provocó que la distribución global del oxígeno se invirtiera.