Astronomical calibration of the Jurassic–Cretaceous transition links cooling, calcification events, and Boreal–Tethyan carbon-cycle decoupling

Il tempo profondo è un paesaggio vasto e spesso sfocato. I geologi sanno da tempo che la storia della Terra è scritta negli strati di roccia, dove ogni strato rappresenta una fetta di tempo. Per leggere questa storia con precisiono, gli scienziati hanno bisogno di un calendario accurato, capace di dire loro esattamente quando uno specifico strato è stato depositato. Per gli ultimi milioni di anni, questo calendario si basa sul prevedibile oscillazione dell'asse terrestre e sulla sua orbita attorno al sole, che lasciano schemi ritmici nei sedimenti. Tuttavia, guardando più indietro nel tempo, nell'era dei dinosauri, questo calendario diventa difficile da leggere. La transizione tra i periodi Giurassico e Cretaceo, circa 145 milioni di anni fa, è stata uno dei capitoli più confusi della storia della Terra. È un tempo di grandi cambiamenti nel clima, nella chimità degli oceani e nella vita, ma senza una cronologia affidabile, gli scienziati hanno faticato a comprendere come questi eventi fossero collegati o quanto velocemente siano accaduti. Il raffreddamento del pianeta è stato un lento scivolamento o un calo improvviso? Gli oceani sono cambiati prima o dopo lo spostamento del clima? Senza una sequenza chiara, la storia rimane frammentata.

Per risolvere questo enigma, un team di ricercatori ha rivolto la propria attenzione a una specifica sezione di roccia nell'Arabia centrale. Hanno perforato un carotaggio profondo, estraendo un cilindro continuo di calcare antico che si era formato su un fondale marino poco profondo durante l'epoca dei dinosauri. Questo record roccioso, noto come Formazione di Sulaiy, è straordinariamente completo, preservando una sequenza lunga e ininterrotta di strati dal tardo Giurassico all'inizio del Cretaceo. Gli scienziati si sono resi conto che questa roccia conteneva un orologio nascosto. Proprio come gli anelli degli alberi registrano le stagioni, gli strati di questo antico fondale marino hanno registrato i impulsi ritmici dell'orbita terrestre. Contando questi cicli orbitali, potevano costruire una cronologia ad alta risoluzione che avrebbe finalmente permesso di datare le rocce con precisione e vedere l'ordine degli eventi che hanno plasmato il nostro pianeta.

I ricercatori hanno iniziato esaminando i fossili microscopici intrappolati nella roccia. Erano minuscoli organismi unicellulari chiamati nannofossili calcarei, che galleggiavano negli antichi oceani. Man mano che il clima e la chimica degli oceani cambiavano, cambiavano anche i tipi di questi fossili. Il team ha trovato una transizione netta: gli strati inferiori erano dominati da fossili più antichi, di tipo giurassico, mentre gli strati superiori erano riempiti di nuovi tipi del Cretaceo, pesantemente corazzati. Questo cambiamento ha segnato una grande riorganizzazione della vita oceanica microscopica. Ma per comprendere la tempistica di questo cambiamento, avevano bisogno di qualcosa di più dei soli fossili. Hanno misurato le impronte chimiche della roccia, specificamente i rapporti tra gli isotopi di carbonio e ossigeno. Questi rapporti agiscono come un termometro e un indicatore del ciclo globale del carbonio, rivelando quando gli oceani si stavano raffreddando e come stava cambiando l'equilibrio del carbonio nell'atmosfera. Hanno anche esaminato gli isotopi dello stronzio, che raccontano la storia di quanta roccia venisse degradata sui continenti e trasportata in mare.

Con questi indizi chimici e biologici in mano, il team si è rivolto al ritmo della roccia stessa. Hanno analizzato il segnale gamma del carotaggio, una misurazione che rileva la radioattività naturale dei sedimenti. Questo segnale ha rivelato un modello ripetitivo di strati spessi e sottili, come una partitura musicale. I ricercatori hanno identificato un ritmo dominante che si ripeteva ogni pochi metri di roccia. Confrontando questo ritmo con i cicli noti dell'orbita terrestre, si sono resi conto di aver trovato il ciclo di 405.000 anni dell'eccentricità orbitale. Questa è un'oscillazione a lungo termine nella forma dell'orbita terrestre, un metronomo stabile che ha ticchettato per centinaia di milioni di anni. Contando questi cicli di 405.000 anni dalla base del carotaggio verso la cima, il team è stato in grado di costruire una cronologia precisa. Hanno scoperto che la sequenza rocciosa copriva circa 12 milioni di anni, abbracciando la fine del Giurassico e l'inizio del Cretaceo.

Questa nuova cronologia ha permesso loro di fissare il momento esatto del confine tra i due periodi geologici. Hanno collocato il confine Giurassico-Cretaceo a circa 143,1 milioni di anni fa. Questa data aiuta a risolvere un lungo dibattito, poiché le stime precedenti erano variate significativamente. Ancora più importante, la cronologia ha rivelato la sequenza di eventi avvenuti durante questo intervallo critico. I dati hanno mostrato che un periodo di raffreddamento significativo, in cui le temperature globali sono scese e le calotte polari si sono probabilmente espanse, è avvenuto tra circa 146 e 140 milioni di anni fa. Questa fase di raffreddamento coincideva con un segnale strano e potente nella roccia: un'influenza accentuata dell'inclinazione assiale della Terra, o obliquità. Sebbene questa inclinazione abbia solitamente il suo effetto più forte sui climi alle alte latitudini, i ricercatori hanno trovato la sua firma chiaramente registrata nelle rocce tropicali dell'Arabia Saudita. Ciò suggerisce che il raffreddamento sia stato così intenso da amplificare l'influenza dell'inclinazione, inviando segnali climatici dai poli fino all'equatore.

Lo studio ha anche chiarito la tempistica di due grandi eventi nella storia della vita marina, noti come eventi di calcificazione dei nannofossili. Questi sono stati momenti in cui minuscoli organismi marini hanno iniziato improvvisamente a costruire gusci molto più spessi e pesanti, portando a un massiccio aumento della produzione di roccia carbonatica negli oceani. I ricercatori hanno scoperto che questi eventi non sono avvenuti tutti in una volta. Il primo evento, che coinvolgeva un gruppo specifico di organismi, è avvenuto durante un periodo di raffreddamento, seguito da un secondo evento in cui un diverso gruppo di fossili pesantemente corazzati ha preso il sopravvento. Fondamentalmente, la cronologia ha mostrato che queste esplosioni biologiche sono avvenute in sincronia con il clima di raffreddamento e con specifici cambiamenti nel ciclo del carbonio, piuttosto che essere incidenti casuali o isolati. I dati hanno anche rivelato che il ciclo del carbonio non si comportava allo stesso modo ovunque. Mentre gli oceani tropicali mostravano un declino costante e graduale dei livelli di carbonio, gli oceani più freddi del nord sperimentavano oscillazioni molto più selvagge. Questo "disaccoppiamento" suggerisce che gli oceani settentrionali e meridionali reagivano in modo diverso agli stessi cambiamenti globali, probabilmente a causa delle differenze nel modo in cui gli oceani erano connessi e in come il carbonio veniva sepolto nei sedimenti.

Integrando il record fossile, le firme chimiche e l'orologio orbitale, i ricercatori hanno creato un quadro robusto per comprendere questa epoca cruciale. Hanno dimostrato che la transizione dal Giurassico al Cretaceo non è stata un groviglio caotico di eventi, ma una sequenza strettamente coreografata guidata dall'orbita terrestre. Il clima che si raffredda, l'espansione del ghiaccio, i cambiamenti nella chimica degli oceani e l'evoluzione della vita marina sono tutti avvenuti entro una finestra temporale specifica e ben definita. Questa nuova cronologia non fornisce solo una data; fornisce una storia. Ci dice che il sistema climatico della Terra è sensibile alla forza orbitale, capace di amplificare piccoli cambiamenti in mutamenti globali che rimodellano gli oceani e la vita in essi contenuta. Il lavoro conferma che il ciclo di 405.000 anni è uno strumento affidabile per leggere il tempo profondo, offrendo un percorso chiaro per comprendere altri momenti critici della storia della Terra dove il passato è stato difficile da decifrare.