Det dybe sydlige ocean er nøglen til mere intense istider

I løbet af de sidste millioner år, istider er intensiveret og forlænget. Ifølge en undersøgelse ledet af universitetet i Bern, denne tidligere uforklarede klimaomstilling falder sammen med en formindskelse af blandingen mellem dybt og overfladevand i det sydlige ocean. Undersøgelsen bekræfter, at den antarktiske region spiller en afgørende rolle i perioder med klimaændringer.

En analyse af marine sedimenter indsamlet i en dybde på mere end 2 km har netop givet svar på en af ​​gåderne i jordens klimahistorie:overgangen midt i Pleistocæn, som begyndte for omkring en million år siden. Derefter, istider forlænget og intensiveret, og frekvensen af ​​deres cyklusser steg fra 40, 000 år til 100, 000 år. Studiet, som stod i journalen Videnskab , viser, at en af ​​nøglerne til dette fænomen ligger i det dybe vand i det sydlige ocean, der omgiver Antarktis.

Havvand indeholder 60 gange mere kulstof end atmosfæren. Følgelig, små variationer i kuldioxiden (CO ₂ ) koncentration af vandene spiller en stor rolle i klimaovergange. Anført af Samuel Jaccard, SNSF professor ved universitetet i Bern, den nye undersøgelse sporede udviklingen af ​​blanding mellem dybt og overfladevand i det sydlige ocean. Blanding er en vigtig faktor i det globale klimasystem, fordi det bringer oceanisk CO ₂ til overfladen, hvor det slipper ud i atmosfæren.

Resultaterne viser, at blandingen blev signifikant reduceret i slutningen af ​​den midt-pleistocæne overgang, omkring 600, 000 år siden. I øvrigt, de forklarer, hvordan den reducerede blanding mindskede mængden af ​​CO ₂ frigivet af havet, hvilket igen reducerede drivhuseffekten og forstærkede istider. Undersøgelsen kaster således lys over feedbackmekanismer, der er i stand til markant at bremse eller accelerere igangværende klimaændringer.

"Dynamikken i det globale klimasystem er meget kompleks", siger Samuel Jaccard. "Koncentrationer af atmosfæriske drivhusgasser, især CO ₂ , spiller en vigtig rolle. De er åbenlyst forbundet med emissioner på grund af menneskelige aktiviteter, men også til naturfænomener og især til afgasning af kuldioxid indeholdt i havene. Blanding spiller en meget vigtig rolle i dette tilfælde, fordi det bringer den opløste CO ₂ fra det dybe vand til overfladen, hvorfra det overføres til atmosfæren og bidrager til drivhuseffekten. En bedre forståelse af disse fænomener er afgørende, fordi de også er en faktor i nutidens globale opvarmning."

Konsekvenser for global opvarmning

Forskerne bestemte forskellen i saltholdighed og temperatur mellem overfladen og dybt vand, fordi disse to faktorer bestemmer intensiteten af ​​blandingen, blandt andet. Resultaterne viser, at to modsatrettede processer er blevet intensiveret under klimaomstillingen til længere istider:overfladevandet blev samtidigt koldere og mindre salt.

Som resultat, blandingen af ​​lag aftog betydeligt under istider. Ved at reducere mængden af ​​CO ₂ frigivet af havene til atmosfæren, dette fænomen var med til at mindske drivhuseffekten og forlænge et koldt klima, således indvarslede en periode med "global afkøling", siger Jaccard. "Dette er et typisk eksempel på en feedback-loop:blanding aftager, og nedbør og gletsjersmeltning akkumuleres ved havets overflade og bliver der i længere tid; som igen reducerer saltholdigheden og tætheden ved vandoverfladen, forstærker dæmpningen af ​​blandingsprocessen."

Disse resultater er relevante for den aktuelle situation, siger Jaccard:"I de seneste årtier har vi observeret mere intense vestenvinde, mens klimaet opvarmes, som fremmer blanding og dermed frigivelse af oceanisk CO ₂ ind i atmosfæren. Men denne tendens kan kompenseres af andre effekter:f.eks. et varmere klima kan øge nedbøren og gletscherens afsmeltning, derved tilføres ferskvand til overfladen. Vi kan endnu ikke forudsige, hvad der vil ske; vi har brug for klimasimuleringer for bedre at forstå, hvordan cirkulationsdynamikken i det sydlige ocean vil udvikle sig i fremtiden."

At komme ned til det nitty-gritty

Den historiske rekonstruktion af havblandingen blev udført ved hjælp af en sedimentkerne på 169 meter lang, taget fra under havbunden i en dybde på 2800 meter, omkring 2500 km ud for Sydafrikas kyst. Kernen blev udvundet i løbet af 1990'erne som en del af International Ocean Drilling Project (IODP) og opbevaret siden da i Tyskland. Holdet havde adgang til kernen gennem Schweiz' aktive deltagelse i IODP, som er blevet støttet af Swiss National Science Foundation.

Under sin ph.d. på ETH Zürich, Adam Hasenfratz skar kernen i tusindvis af centimeter tykke skiver, hver svarende til omkring et århundredes indskud. Fra hver skive, han isolerede og analyserede skaller fra foraminiferer, protozoer med et calcitskelet. Den kemiske sammensætning af skallerne afhænger af de marine forhold under skallernes dannelse, især saltholdighed og vandtemperatur.

"Først alle eksperter fortalte os, at vores projekt var dødsdømt, fordi antallet af foraminiferer ville være for lille til at udføre de nødvendige kemisk-fysiske analyser", siger Samuel Jaccard. "Men Adam lykkedes med at udvikle nye teknikker, som gjorde det muligt for ham at analysere meget små mængder materiale. Dette gjorde det muligt for os at spore udviklingen af ​​saltholdigheden og vandtemperaturen." Hasenfratz identificerede to arter, der lever enten på havbunden (Melonis pompilioides) eller ved havoverfladen (Neogloboquadrina pachyderma). Det gjorde det muligt for ham at få oplysninger om temperatur og saltholdighed i både dybt vand og overfladevand over en periode på mere end en million år.

Som det sker, forholdet mellem magnesium og calcium, der er til stede i en foraminiferskal, afhænger af temperaturen af ​​vandet, mens skallen bliver dannet. Den bit af data gør det muligt at udlede vandets saltholdighed baseret på forholdet mellem to isotoper af oxygen (O16 og O18), der er til stede i calcitet (CaCO) ₃ ) skal, som afspejler både temperatur og saltholdighed i vandet. Fordi havvand, der indeholder den lette isotop O16, fordamper lettere, forholdet mellem iltisotoperne giver en indikation af fordampningshastigheden og dermed vandets saltholdighed og temperatur.

Analysen viser, at overfladevandet er afkølet i løbet af de sidste millioner år, især under istider. Dette reducerede temperaturforskellen mellem overfladen og kulden, dybt vand, som i princippet skulle have intensiveret blandingen. Men denne tendens blev vendt af det markante fald i saltholdigheden i overfladevandet, som blev mindre tæt og dermed mindre modtagelige for opblanding med de dybe lag. Undersøgelsen viser, at sammenblandingen af ​​vandet faldt markant, hvilket gjorde det muligt for det dybe vand at binde mere opløst CO ₂ , med vigtige konsekvenser for klimaudviklingen.