En ny internationell analys av marina fossiler visar att uppvärmningen av polarhaven under eocen, en växthusperiod som ger en glimt av jordens potentiella framtida klimat, var större än man tidigare trott.

Genom att studera den kemiska sammansättningen av fossiliserade foraminifer, små encelliga djur som levde i grunda tropiska vatten, ett team av forskare genererade exakta uppskattningar av tropiska yttemperaturer och havsvattenkemi under eocentiden, 56-34 miljoner år sedan. Med hjälp av dessa data, forskare finjusterade uppskattningar från tidigare foramstudier som fångade polära förhållanden för att visa att tropiska hav värmdes upp kraftigt under eocenen, men inte lika mycket som polarhaven.

Viktigt, när moderna klimatmodeller - samma som de som användes i FN:s senaste rapporter från mellanstatliga panelen om klimatförändringar - kördes under eocena förhållanden, många kunde inte replikera dessa fynd. Istället, modellerna underskattade konsekvent polarhavsuppvärmningen under eocen.

Denna diskrepans kan bero på en lucka i vår förståelse av klimatsystemet eller från vad vi vet om eocen, sa David Evans, studiens huvudförfattare och Leverhulme Research Fellow vid University of St Andrews School of Earth and Environmental Sciences. Om det verkligen har att göra med klimatsystemet, det ökar möjligheten att förutsägelserna om framtida polaruppvärmning också är för låga.

"Ja, tropikerna värms upp men inte i närheten av samma grad som polarområdena, " sa Evans. "Det är något vi verkligen behöver för att kunna förstå och replikera i klimatmodeller. Det faktum att många modeller inte kan göra det för tillfället är oroande."

Forskarna publicerade sina resultat denna vecka i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Forskare tittar ofta på eocen för att förstå hur jorden reagerar på högre nivåer av koldioxid. Under eocen, koncentrationen av koldioxid i atmosfären var mer än 560 ppm, minst två gånger förindustriella nivåer, och epoken startade med en global medeltemperatur på mer än 8 grader Celsius - cirka 14 grader Fahrenheit - varmare än idag, gradvis kyls ned under de kommande 22 miljoner åren. Dessa egenskaper gör eocen till en bra period för att testa vår förståelse av klimatsystemet, sa Laura Cotton, studie medförfattare och curator för mikropaleontologi vid Florida Museum of Natural History.

En av utmaningarna har varit att exakt bestämma skillnaden mellan havsytans temperaturer vid polerna och ekvatorn under eocen, med modeller som förutsäger större skillnader än vad data antydde.

Forskargruppen använde stora bottenformade foram som "paleotermometrar" för att få en mer exakt temperaturavläsning. Foram har en exceptionellt lång fossilhistorik, som sträcker sig över mer än 540 miljoner år, och de är ofta välbevarade i havssediment. De flesta är tillräckligt små för att passa in i ett nålsöga - Cotton beskriver dem som "en amöba med ett skal" - men de var så rikliga under eocen att det finns hela stenar som består av dem.

"Om du tittar på pyramiderna, de är fulla av dessa små linsliknande saker - det är foram, " sa Cotton. "De gamla grekerna trodde att pyramiderna var gjorda av de fossiliserade linserna från slavar, men det är bara kalkstenen från en av dessa fyndigheter som är helt fylld med dem."

Foram bildar sina skal i samverkan med havstemperaturer och kemi, fungerar som små tidskapslar, var och en innehåller en exakt registrering av temperaturen och havets kemi under sin livstid. Deras skal är främst gjorda av kalcium, kol och syre. Tunga isotoper av kol och syre binder samman som ett foram gör sitt skal - ju kallare temperatur, ju mer de binder till varandra.

Genom att analysera dessa klumpade isotoper från fossila exemplar som finns i Indien, Indonesien och Tanzania, forskarna kunde få en exakt avläsning av havsytans temperatur över tropikerna i eocen. De laserade också ett litet hål i varje prov för att mäta mängden magnesium och kalcium som förångades, avslöjar havsvattenkemin.

De fann att den tropiska havsytan under eocen var cirka 6 grader Celsius - cirka 10 grader Fahrenheit - varmare än idag.

"Det här var första gången vi hade prover som var tillräckligt bra och den här metoden var välkänd nog att allt kunde gå ihop, " sa Cotton.

Teamet använde sedan sin datauppsättning från tropikerna för att beräkna temperaturen och kemin i polarhaven, förlitar sig på tidigare studier av foram som fångade förhållandena i dessa regioner.

Med denna korrektionsfaktor på plats, de undersökte i vilken grad polarhaven värmdes mer än tropikerna, en egenskap hos klimatsystemet som kallas polarförstärkning. Deras data visade att skillnaden mellan polar- och ekvatorialhavsytans temperaturer i eocen var uppskattningsvis 20 grader Celsius, ca 36 grader Fahrenheit. Idag är skillnaden 28 grader Celsius, vilket indikerar att polarområdena är mer känsliga för ökningar av atmosfärisk koldioxid än tropikerna.

bekymmersamt, sa Evans, när teamet jämförde sina data med olika moderna klimatmodeller under eocena förhållanden, de flesta modeller underskattade polär förstärkning med cirka 50 procent.

De två modellerna som kom närmast att reproducera teamets data hade en nyckelaspekt gemensamt - de modifierade hur de redogjorde för molnbildningen och hur länge molnen i atmosfären har. särskilt i polarområdena.

"Till oss, som ser ut som en lovande forskningsriktning, " sa han. "Om - och det är ett stort om - det visar sig vara rätt väg att gå ner, som kan spela in i de modeller vi använder för våra framtida klimatförutsägelser."