En minskning av koldioxidhalten (CO2) i atmosfären ledde till en fundamental förändring i beteendet hos jordens klimatsystem för omkring en miljon år sedan, enligt ny forskning ledd av University of Southampton.

Ett team av internationella forskare använde nya geokemiska mätningar, tillsammans med en modell av 'Jordsystemet', för att visa att kontinentalisens tillväxt och föränderliga natur, för ungefär en miljon år sedan, sammanföll med en kaskad av händelser som i slutändan sänkte koldioxid i atmosfären under glaciala intervall - perioder då jorden upplevde extrem kyla.

Forskarna har visat att denna förändring var nyckeln till att utlösa det som kallas Mid-Pleistocene Transition (MPT), som varade omkring 400, 000 år. MPT hade långvariga effekter på frekvensen vid vilken jorden övergick mellan perioder med varmt och kallt klimat, ('istidscyklerna').

Resultaten av studien publiceras i tidskriften Förfaranden från National Academy of Sciences .

Under en stor del av de senaste tre miljoner åren cirkulerade jordens klimat naturligt var 40:e, 000 år från iskalla glaciationsintervall, där kontinental is täckte stora delar av Nordamerika och Europa, till varma interglaciala klimat som den förindustriella perioden, när Europa och Nordamerika var i stort sett isfria.

Dessa istidscykler, även känd som Milankovitch Cycles efter den serbiske matematikern som upptäckte dem, taktas av regelbundna förändringar i hur jorden kretsar runt solen och snurrar runt sin axel, orsakas av gravitationskraften från andra planeter i vårt solsystem. För ungefär en miljon år sedan, under MPT, perioderna för cyklerna ändrades plötsligt till var 100:e, 000 år. Dock, denna övergång åtföljs inte av en förändring i omloppscyklernas natur och representerar därför en betydande utmaning för Milankovitch-teorin att förklara istidscykler.

Dr Tom Chalk, en postdoktor vid University of Southampton, som tillsammans ledde studien förklarar:"Vi vet från bubblor i den antika atmosfären som är fångade i iskärnor i Antarktis att förändringar i atmosfärisk CO2 följde med de senaste istidscyklerna. CO2 var låg när det var kallt under glacialerna och det var högre under varma mellanistider - på detta sätt fungerade den som en nyckelförstärkare för de relativt små klimatpåverkan från omloppscyklerna. Tyvärr, iskärnrekorden sträcker sig bara tillbaka till cirka 800, 000 år sedan och så gå inte över detta viktiga övergångsintervall. För att bättre förstå orsaken till MPT, vi behövde ett sätt att rekonstruera CO2 längre tillbaka i tiden."

Att göra detta, teamet använde en teknik baserad på den isotopiska sammansättningen av bor hos skalen från forntida marina fossiler som kallas "foraminifera". Dessa är små marint plankton som lever nära havsytan och den kemiska sammansättningen av deras mikroskopiska skal registrerar miljöförhållandena då de levde, miljoner år sedan.

Professor Gavin Foster, vid University of Southampton, fortsätter:"Från dessa borisotopmätningar kunde vi återställa en ögonblicksbild av variationen i atmosfärisk CO2 för cirka 1,1 miljoner år sedan. Vi kunde visa, för första gången som, precis som i iskärnrekordet, CO2 och klimat varierade parallellt. Det fanns dock två huvudsakliga skillnader:för det första, under glacialerna före MPT, CO2 sjönk inte så lågt som det gjorde i iskärnrekordet efter MPT, återstående cirka 20-40 delar per miljon (ppm) högre. För det andra, klimatsystemet var också mer känsligt för att ändra koldioxid efter MPT än tidigare. "

Jordens klimatsystem är mycket komplext och de olika sammankopplingarna mellan dess många processer och återkopplingar förstås bäst inom en beräkningsmodelleringsram. Dr Mathis Hain, en NERC Independent Research Fellow vid University of Southampton, lade till:"För att avgöra varför glacialåldrad CO2 minskade med 20-40 ppm över MPT använde vi en biogeokemisk modell. Vår modell som bäst passade till tillgängliga data tyder på att det minskade nedtaget av CO2 under glaciala perioder före MPT var på grund av ett minskat flöde av damm till södra oceanen vid denna tid. Ett högre stoftflöde under senare glaciala intervall förde välbehövligt järn till den regionen, stimulera primär produktivitet och tillväxt av växtplankton, låsa in mer CO2 i djuphavet. Vi vet ännu inte exakt varför klimatet blev dammigare efter MPT, men det beror sannolikt på att inlandsisarna blir större och förändrad atmosfärisk cirkulation."

Under de senaste 20 åren eller så har det funnits många olika idéer för att förklara denna viktiga klimatomställning, några har krävt förändringar i själva inlandsisens natur, andra om atmosfärisk CO2-förändring. Vad teamets nya data och modellering visar är att det som hände i verkligheten var en blandning av båda typerna av idéer - klimatet och inlandsisarna blev mer känsliga, detta ledde till större inlandsisar, och detta ledde i sin tur till ökad CO2-minskning. Som med många aspekter av jordsystemet verkade dessa förändringar i en ond cirkel, livnär sig på varandra, i slutändan upprätthålla längre glaciala perioder efter MPT.

Det finns fortfarande mycket kvar att ta reda på om hur jordsystemet reagerar på klimatpåtryckningar. Den här studien, dock, illustrerar den utsökta kopplingen som finns i jordsystemet mellan klimatförändringar, inlandsmassa, och polarhavets mekanismer som reglerar naturliga CO2-förändringar.