Rekord for antarktisk iskappes reaktion på klimacyklusser fundet i stenprøver

Ved at analysere usædvanlige stenprøver indsamlet for år tilbage i Antarktis, har forskere ved University of California, Santa Cruz, opdaget en bemærkelsesværdig registrering af, hvordan det østantarktiske indlandsis har reageret på ændringer i klimaet over en periode på 100.000 år under den sene pleistocæn.

Det østantarktiske indlandsis er verdens største ismasse. At forstå dets følsomhed over for klimaændringer er afgørende for bestræbelserne på at fremskrive, hvor meget havniveauet vil stige, når de globale temperaturer stiger. Nylige undersøgelser tyder på, at det kan være mere sårbart over for istab end tidligere antaget.

Den nye undersøgelse, offentliggjort 15. september i Nature Communications , giver bevis for ændringer ved bunden af ​​iskappen over et bredt område som reaktion på cykliske ændringer i klimaet under Pleistocæn. Ændringerne afspejles i de typer af mineraler, der er aflejret ved bunden af ​​iskappen.

"Et af de vigtigste resultater er, at iskappen reagerede på temperaturændringer i det sydlige Ocean," sagde medforfatter Terrence Blackburn, lektor i jord- og planetvidenskab ved UC Santa Cruz. "Det varme vand æder i kanterne af iskappen og får isen til at flyde hurtigere, og den reaktion når dybt ind i indlandsisens hjerte."

Stenprøverne, der er analyseret i undersøgelsen, består af skiftende lag af opal og calcit, der er dannet som mineralaflejringer ved bunden af ​​iskappen, og registrerer cykliske ændringer i sammensætningen af ​​subglaciale væsker.

"Hvert lag i disse prøver er en manifestation af en ændring i bunden af ​​iskappen drevet af ændringer i isstrømmenes bevægelse," sagde førsteforfatter Gavin Piccione, en Ph.D. kandidat, der arbejder med Blackburn på UCSC.

Ved at datere lagene fandt forskerne en slående sammenhæng mellem lagene af mineralforekomster og registreringen af ​​polare havoverfladetemperaturer afledt af iskerner. Opalen blev aflejret i kolde perioder, og calcit i varme perioder.

"Disse klimasvingninger forårsager ændringer i indlandsisens adfærd, således at kemien og hydrologien under isen ændrer sig," sagde medforfatter Slawek Tulaczyk, professor i jord- og planetvidenskab ved UCSC, som har studeret opførselen af ​​iskapper og gletsjere for årtier.

De klimacyklusser, der matcher minerallagene, er relativt små udsving, der forekommer hvert par tusinde år inden for de mere udtalte glacial-mellemistider, der fandt sted hvert 100.000 år eller deromkring gennem Pleistocæn. De glacial-interglaciale cyklusser er primært drevet af ændringer i Jordens kredsløb omkring solen. De mindre årtusindskala klimacyklusser involverer oscillationer i polære temperaturer drevet af svækkelse og styrkelse af en større havstrøm (Atlantic Meridional Overturning Circulation eller AMOC), som transporterer store mængder varme nordpå gennem Atlanterhavet.

Tulaczyk sagde, at de nye resultater afslører den antarktiske iskappes følsomhed over for små, kortsigtede klimaudsving.

"Så vigtigt som det antarktiske indlandsis er - det er ansvarligt for tæt på 17 meters havniveaustigning siden det sidste glaciale maksimum - vi ved virkelig meget lidt om, hvordan det har reageret på klimavariationer," sagde han. "Vi kender de sidste 20.000 år ret godt, men udover det har vi været næsten blinde. Det er derfor, disse resultater er så forbløffende. Folk har banket hovedet mod muren over dette i årtier."

De to stenprøver, der blev analyseret til denne undersøgelse, blev indsamlet fra glaciale moræner adskilt af mere end 900 kilometer (560 miles), og de blev dannet over forskellige perioder, der dækkede i alt mere end 100.000 år. Med andre ord registrerer de lignende cyklusser af mineralaflejring under isen, der forekommer over et bredt område og over lange perioder.

"Kemien i de to prøver matchede, selvom de kom så langt fra hinanden, hvilket gav os tillid til, at der var en eller anden storstilet, systematisk proces i gang," sagde Piccione.

Mekanismen bag dannelsen af ​​lag af opal og calcit er en smule kompliceret og kræver en forståelse af ikke kun mineralkemi, men også den usædvanlige hydrologi under det antarktiske indlandsis. Varme fra Jordens indre ("geotermisk opvarmning") forårsager smeltning ved bunden af ​​indlandsisen, som er isoleret fra kolde polære temperaturer af isens tykkelse. Hvor isen bliver tyndere mod indlandsisens kanter, begynder subglacialt smeltevand at genfryse, koncentrere opløste mineraler og til sidst danne hypersaltholdige saltlage.

Mineralaflejringer dannes, når vandet bliver koncentreret ved genfrysning, og det første, der udfældes, er calcit, den mest almindelige form for calciumcarbonat. Opal (amorf silica) vil med tiden udfældes fra ældre, overmættede saltlage, der ikke har noget kulstof tilbage i sig.

"Antarktis har disse interessante saltlage uden kulstof i sig, fordi det hele udfældede tidligere, så når disse saltlage er isoleret fra andre vandkilder, danner de opal," forklarede Piccione.

For at få et lag af calcit oven på opalen kræver det en tilstrømning af kulstofholdigt glacialt smeltevand, som opstår under varme intervaller i klimacyklusserne, når AMOC'en bremses. Det fører til opvarmning på den sydlige halvkugle og bringer varmt vand i kontakt med de flydende ishylder ved kanterne af iskappen. Efterhånden som det varme vand æder i bunden af ​​ishylderne, begynder "jordingslinjen", hvor isen kommer i kontakt med land, at trække sig tilbage, og isen flyder hurtigere fra det indre ud til kanterne.

Tulaczyk forklarede, at isens bevægelse over grundfjeldet genererer varme, hvilket øger mængden af ​​smeltevand ved bunden af ​​iskappen. "Hvis du forestiller dig et kort over, hvor der er smeltevand under iskappen, udvider området sig i varme perioder og trækker sig sammen i kolde perioder, som et hjerteslag," sagde han.

De resulterende "fryse-skylle-cyklusser" ved bunden af ​​isen tegner sig for de skiftende lag af opal og calcit i klipperne.

Resultaterne peger på vandtemperaturer i det sydlige ocean som den vigtigste mekanisme, der driver responsen fra den antarktiske iskappe på ændringer i det globale klima. Temperaturerne i Antarktis er så kolde, at et par graders opvarmning ikke vil forårsage overfladesmeltning af isen, men alligevel ved forskerne, at iskappen er smeltet i fortiden, og dele af den er kollapset, sagde Blackburn. "Det har været svært at forstå, men dette viser tydeligt, at havopvarmning er drivmekanismen," sagde han.

"Hvis du ser på de steder, der taber is i dag, er de koncentreret langs kanterne af iskappen, hvor det er i kontakt med det opvarmende hav," tilføjede Tulaczyk. "Den primære drivkraft bag havets opvarmning nu er atmosfærisk kuldioxid, ikke AMOC, men jeg tror ikke, at iskappen er ligeglad med, hvad der forårsager opvarmningen."

Tulaczyk sagde, at resultaterne viser, at indlandsisen kan trække sig tilbage i varme perioder og derefter komme sig under efterfølgende afkøling. "I forbindelse med tærskelspørgsmålet - sidder iskappen på en tærskel, ud over hvilken der ville være løbsk smeltning, og det hele vil gå - det er ikke det, jeg ser her," sagde han. "Isen er følsom over for disse kortsigtede udsving, men størrelsen af ​​istabet er lille nok til, at den kan komme sig med afkøling." + Udforsk yderligere

Ny undersøgelse viser tilbagetrækning af det østantarktiske indlandsis under tidligere varme perioder