Quando os cientistas querem estudar o muito antigo passado geológico da Terra - normalmente maior do que 100 milhões de anos atrás - eles freqüentemente se voltam para rochas chamadas carbonatos.

Carbonatos de cálcio, as formas mais onipresentes de carbonato, são minerais que precipitam da água do mar e formam depósitos sedimentares em camadas no fundo do mar. Eles são comumente conhecidos como calcário. Mais de 3,5 bilhões de anos da história da Terra são narrados em rochas carbonáticas. Muitos cientistas os usam para reconstruir histórias de mudanças no clima e no ciclo global do carbono passado - isto é, o processo pelo qual o carbono viaja entre os oceanos, a atmosfera, a biosfera e rocha sólida.

"Você pode aprender muito com os carbonatos, "disse Emily Geyman, graduado em geociências de 2019 em Princeton e autor principal de um artigo publicado em 8 de novembro no Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ) O artigo foi o resultado da pesquisa de tese sênior de Geyman, na qual ela investigou a composição química dos carbonatos e como esses carbonatos registram o ciclo do carbono.

"O que torna os carbonatos especialmente úteis em oposição a algo como um arenito, "Geyman disse, "é que o carbonato é precipitado diretamente da água do mar, então a ideia é que a química dos carbonatos, que podemos medir, vai nos dizer algo sobre o antigo oceano. "

Mas nem todos os carbonatos são preservados no registro geológico. Carbonatos do fundo do mar, por exemplo, normalmente são subduzidos, é por isso que os cientistas frequentemente recorrem aos carbonatos que se acumulam nas plataformas continentais rasas. O problema, Contudo, é que os cientistas ainda não sabem o suficiente sobre como propriedades, como a química dos oceanos, temperatura do oceano, a energia das ondas e a profundidade da água são traduzidas no registro de carbonato raso.

Agora, Contudo, pesquisadores de Princeton estão trabalhando para resolver essa questão.

"Ninguém realmente olhou para o equivalente a esses calcários antigos que estão se formando hoje e entendeu a tradução, "disse Adam Maloof, um professor de geociências que colaborou no artigo com Geyman. "É como tentar traduzir textos antigos sem uma Pedra de Roseta. Precisávamos de nossa Pedra de Roseta."

Os pesquisadores não apenas encontraram sua Pedra de Roseta na forma de uma hipótese inovadora, mas suas descobertas desafiam a lógica convencional sobre o uso de carbonatos para reconstruir os ciclos globais do carbono anteriores.

"Uma das medições mais comuns que fazemos de carbonatos antigos é a composição dos isótopos de carbono, "disse Geyman." E nós ligamos a composição do isótopo do carbono às perturbações globais no ciclo do carbono. "

Estudar isótopos antigos - diferentes formas do mesmo elemento - é a chave para entender quanto e por que o ciclo global do carbono da Terra mudou no passado. Isso é crucial porque o ciclo do carbono atua como um termostato para regular a temperatura da Terra, Disse Maloof. Entender como esse termostato funciona nos ajudará a prever as mudanças climáticas futuras.

Sua pesquisa os levou para a Ilha de Andros, nas Bahamas, uma ilha grande e quase totalmente desabitada situada no Great Bahama Bank.

As Bahamas são um ótimo lugar para estudar o antigo passado geológico da Terra. "Durante grande parte da história da Terra, "Geyman disse, "grande parte da superfície da Terra se parecia com as Bahamas hoje."

O objetivo era entender como a química da água controla a química da rocha - basicamente, como os isótopos de carbono são registrados em ambientes contemporâneos e o que isso pode dizer sobre o ciclo do carbono passado.

"Se você quiser descobrir como era o nível do mar e a química da água do mar, olhando para carbonatos antigos, "Geyman disse, "você tem que ir para o analógico moderno e perguntar 'bem, como os carbonatos modernos se formam agora de acordo com a química do oceano atual e o nível do mar atual? ""

O que eles encontraram, e o que estudos anteriores demonstraram, foi que algo estranho estava acontecendo nos sedimentos das Bahamas. O calcário que se formava tinha carbono-13 que parecia muito alto em comparação com o plâncton unicelular que estava flutuando em todo o oceano aberto.

Uma grande porcentagem de carbonatos antigos também demonstra este carbono-13 anormalmente alto. Se você assumir que isso reflete as condições globais do oceano, Maloof apontou, "Você está preso fazendo inferências drásticas sobre grandes mudanças no ciclo do carbono."

Em vez de, Geyman e Maloof conceberam uma hipótese que chamam de "motor do ciclo diurno do carbono". Como o nome implica, o processo envolve um ciclo de 24 horas. Quando o sol brilha durante o dia, as plantas aquáticas retiram o carbono-12 da água por meio do processo de fotossíntese e o usam para fazer material vegetal. Porque as plantas preferencialmente recebem carbono-12, o carbono restante na água é enriquecido com carbono-13.

O componente essencial neste processo é que o calcário se forma mais rapidamente durante o pico do dia, quando a fotossíntese está acontecendo, porque a fotossíntese torna a água mais saturada com carbonato de cálcio. À noite, a fotossíntese dá lugar à respiração aeróbica e o carbono sequestrado no tecido das plantas é devolvido à água. Mas a formação de calcário "quase não tem registro" da noite, Maloof disse, porque há muito pouca precipitação. Se a precipitação ocorreu igualmente durante a noite, o nível médio de carbono-13 seria normal porque o carbono-12 seria introduzido de volta no sistema.

This process, the researchers assert, can only happen when the water is sufficiently shallow and protected on continental shelves and platforms like the Bahamas. The same diurnal process occurs in the open ocean, but the movement of the waves constantly mixes and brings in new water so that carbon-13 is never elevated to such extremes.

The particular way Bahamian sediments absorb calcium carbonates from seawater complicates the picture of using ancient limestones to record a global carbon cycle. It can't be assumed that there was a single, uniform process of carbon cycling that characterized the past, Maloof said.

"We're using a modern analog to study the past, " Geyman added, "and the past is the key in many ways to understanding the future."

Geyman currently is pursuing a master's with a focus on glaciology at the University of Tromsø in Arctic Norway as part of a Sachs Global Fellowship from Princeton.

She conducted her Bahamas work as part of her junior and senior independent work at Princeton. An accomplished young scientist, she has already been the recipient of numerous awards and accolades. She received the Peter W. Stroh '51 Environmental Senior Thesis Prize, the Calvin Dodd MacCracken Award from Princeton's School of Engineering and Applied Science and the Edward Sampson 1914 Award for distinguished work in environmental geoscience.

Maloof has high praise for Geyman. "She can do anything, " he said. "Most of the time the really good observers do field work … they're not at the same time computer scientists who can make amazing analyses. And she is both."

The paper, "A diurnal carbon engine explains 13C-enriched carbonates without increasing the global production of oxygen, " by Emily Geyman and Adam Maloof, was published online Nov. 8 in the Proceedings of the National Academy of Sciences