Hvad forårsagede istiderne? Små oceanfossiler tilbyder nøglebevis

De sidste millioner år af Jordens historie har været præget af hyppige "glacial-mellemistider, "store udsving i klimaet, der er forbundet med vækst og krympning af massive, kontinentspændende iskapper. Disse cyklusser udløses af subtile svingninger i Jordens kredsløb og rotation, men kredsløbssvingningerne er for subtile til at forklare de store ændringer i klimaet.

"Årsagen til istiderne er et af de store uløste problemer i geovidenskaberne, " sagde Daniel Sigman, Dusenbury professor i geologiske og geofysiske videnskaber. "At forklare dette dominerende klimafænomen vil forbedre vores evne til at forudsige fremtidige klimaændringer."

I 1970'erne, forskere opdagede, at koncentrationen af ​​den atmosfæriske drivhusgas kuldioxid (CO ₂ ) var omkring 30 % lavere under istiderne. Det førte til teorier om, at faldet i atmosfærisk CO ₂ niveauer er en nøgleingrediens i istidens kredsløb, men årsagerne til CO ₂ ændring forblev ukendt. Nogle data tydede på, at under istider, CO ₂ var fanget i det dybe hav, men årsagen hertil blev diskuteret.

Nu, et internationalt samarbejde ledet af videnskabsmænd fra Princeton University og Max Planck Institute for Chemistry (MPIC) har fundet beviser, der indikerer, at under istider, ændringer i overfladevandet i det antarktiske hav arbejdede på at lagre mere CO ₂ i det dybe hav. Ved at bruge sedimentkerner fra det antarktiske hav, forskerne genererede detaljerede optegnelser over den kemiske sammensætning af organisk stof fanget i fossilerne af kiselalger - flydende alger, der voksede i overfladevandet, døde derefter og sank til havbunden. Deres målinger giver bevis for systematiske reduktioner i vinddrevet opstrømning i Antarktis under istiderne. Forskningen vises i det aktuelle nummer af tidsskriftet Videnskab .

I årtier, forskere har vidst, at væksten og synkningen af ​​marine algepumper CO ₂ dybt i havet, en proces, der ofte omtales som den "biologiske pumpe". Den biologiske pumpe drives mest af det tropiske, subtropiske og tempererede oceaner og er ineffektiv tættere på polerne, hvor CO ₂ ventileres tilbage til atmosfæren ved hurtig eksponering af dybt vand til overfladen. Den værste gerningsmand er det antarktiske hav:de stærke østlige vinde, der omkranser det antarktiske kontinent, trækker CO ₂ - rigt dybt vand op til overfladen, "lækker" CO ₂ til atmosfæren.

Potentialet for en reduktion i vinddrevet opstrømning for at holde mere CO ₂ i havet, og dermed forklare istidens atmosfæriske CO ₂ nedtrækning, har også været anerkendt i årtier. Indtil nu, imidlertid, videnskabsmænd har manglet en måde at utvetydigt teste for en sådan ændring.

Princeton-MPIC-samarbejdet har udviklet en sådan tilgang, ved hjælp af små kiselalger. Kiselalger er flydende alger, der vokser rigeligt i antarktisk overfladevand, og deres silicaskaller ophobes i dybhavssediment. Nitrogenisotoperne i kiselalgernes skaller varierer med mængden af ​​ubrugt kvælstof i overfladevandet. Princeton-MPIC-holdet målte nitrogenisotopforholdet af sporet af organisk stof fanget i mineralvæggene af disse fossiler, som afslørede udviklingen af ​​nitrogenkoncentrationer i antarktisk overfladevand i løbet af de sidste 150, 000 år, dækker to istider og to varme mellemistider.

"Analyse af nitrogenisotoperne fanget i fossiler som kiselalger afslører overfladens nitrogenkoncentration i fortiden, " sagde Ellen Ai, første forfatter til undersøgelsen og en Princeton kandidatstuderende, der arbejder med Sigman og med grupperne af Alfredo Martínez-García og Gerald Haug på MPIC. "Dybt vand har høje koncentrationer af det kvælstof, som alger er afhængige af. Jo mere opstrømning, der sker i Antarktis, jo højere kvælstofkoncentration i overfladevandet. Så vores resultater gav os også mulighed for at rekonstruere antarktiske opstrømningsændringer."

Dataene blev gjort mere kraftfulde af en ny tilgang til datering af de antarktiske sedimenter. Ændring af overfladevandstemperatur blev rekonstrueret i sedimentkernerne og sammenlignet med antarktiske iskerneregistreringer af lufttemperatur.

"Dette gjorde det muligt for os at forbinde mange funktioner i kiselalgernitrogenregistret til sammenfaldende klima- og havændringer fra hele kloden, " sagde Martínez-García. "Isærligt, vi er nu i stand til at fastlægge tidspunktet for opstrømningsfald, når klimaet begynder at køle af, samt at forbinde opstrømsændringer i Antarktis med de hurtige klimasvingninger under istider."

Denne mere præcise timing gjorde det muligt for forskerne at finde sig til rette i vinden som den vigtigste drivkraft bag opstrømningsændringerne.

De nye resultater gjorde det også muligt for forskerne at skille ud, hvordan ændringerne i Antarktis opstrømning og atmosfærisk CO2 ₂ er knyttet til de orbitale udløsere af glacialernes cyklusser, bringer forskerne et skridt nærmere en komplet teori for istidernes oprindelse.

"Vores resultater viser, at opstrømningsdrevet atmosfærisk CO ₂ forandring var central i cyklusserne, men ikke altid på den måde, som mange af os havde antaget, " sagde Sigman. "F.eks. i stedet for at accelerere nedstigningen til istiderne, Antarktis opstrømning forårsagede CO ₂ ændringer, der forlængede de varmeste klimaer."

Deres resultater har også betydning for at forudsige, hvordan havet vil reagere på global opvarmning. Computermodeller har givet tvetydige resultater om polarvindes følsomhed over for klimaændringer. Forskernes observation af en større intensivering af vinddrevet opstrømning i Antarktis i tidligere varme perioder tyder på, at opstrømningen også vil styrkes under global opvarmning. Stærkere antarktisk opstrømning vil sandsynligvis fremskynde havets absorption af varme fra den igangværende globale opvarmning, samtidig med at det påvirker de biologiske forhold i det antarktiske hav og isen på Antarktis.

"De nye resultater tyder på, at atmosfæren og havet omkring Antarktis vil ændre sig meget i det kommende århundrede, sagde Ai. fordi CO ₂ afbrænding af fossile brændstoffer er unik for nutiden, mere arbejde er nødvendigt for at forstå, hvordan ændringer i Antarktishavet vil påvirke den hastighed, hvormed havet absorberer denne CO ₂ ."

"Opstrømning i det sydlige hav, Jordens skævhed, og glacial-interglacial atmosfærisk CO ₂ change" af Xuyuan Ellen Ai, Anja S. Studer, Daniel M. Sigman, Alfredo Martínez-García, François Fripiat, Lena M. Thöle, Elisabeth Michel, Julia Gottschalk, Laura Arnold, Simone Moretti, Mareike Schmitt, Sergey Oleynik, Samuel L. Jaccard og Gerald H. Haug optræder i udgaven af ​​11. december af Videnskab .