Ett team av forskare, ledd av Dr Sietske Batenburg vid University of Oxfords institution för geovetenskaper, i nära samarbete med tyska och brittiska institutioner, har upptäckt att utbytet av vatten mellan Nord- och Sydatlanten blev betydligt större för femtionio miljoner år sedan.

Forskarna gjorde denna upptäckt när de jämförde neodymisotopsignaturer från djuphavssedimentprover från båda regionerna i Atlanten. Deras artikel "Major intensification of Atlantic turning circulation at the start of Paleogene greenhouse heat" publicerad idag i Naturkommunikation , avslöjar att den kraftigare cirkulationen tillsammans med en ökning av atmosfärisk CO2 ledde till en klimatisk vändpunkt. Med en resulterande jämnare fördelning av värme över jorden, en långvarig nedkylningsfas tog slut och världen gick in i en ny växthusperiod.

Neodymium (Nd) isotoper används som spår av vattenmassor och deras blandning. Ytvatten får en Nd-isotopsignatur från omgivande landmassor genom floder och vindblåst damm. När ytvatten sjunker för att bilda en djupvattenmassa, de bär med sig sin specifika Nd-isotopsignatur. När en djupvattenmassa flyter genom havet och blandas med andra vattenmassor, dess Nd-isotopsignatur är inkorporerad i sediment. Djuphavssediment är värdefulla arkiv över havscirkulation och tidigare klimat.

Berättelsen som avslöjas i denna tidning börjar i slutet av kritaperioden (som slutade för 66 miljoner år sedan), när världen låg mellan två växthusstater. Klimatet hade svalnat i tiotals miljoner år sedan toppförhållandena i växthusen i mitten av krita, för cirka 90 miljoner år sedan. Trots långvarig kylning, temperaturer och havsnivå i slutet av kritaperioden var högre än i dag.

Dr. Sietske Batenburg säger:"Vår studie är den första som fastställer hur och när en djupvattenförbindelse bildades. För 59 miljoner år sedan, Atlanten blev verkligen en del av den globala termohalina cirkulationen, flödet som förbinder fyra av de fem största haven."

Atlanten var fortfarande ung, och Nord- och Sydatlantens bassänger var grundare och smalare än idag. Ekvatorialporten mellan Sydamerika och Afrika tillät endast en ytlig, ytvattenförbindelse under stora delar av den sena kritaperioden. Aktiv vulkanism bildade undervattensberg och platåer som blockerade djupvattencirkulationen. I södra Atlanten, Walvis Ridge-barriären bildades ovanför en aktiv vulkanisk hotspot. Denna ås låg delvis över havet och utgjorde en barriär för flödet av djupvattenmassor.

När Atlanten fortsatte att öppna sig, havsskorpan svalnade och avtog. Bassängerna blev djupare och bredare, och undervattensplatåer och åsar sjönk, tillsammans med skorpan. Vid något tillfälle, djupt vatten från södra oceanen kunde strömma norrut över Walvis Ridge och fylla de djupare delarna av Atlanten.

Från 59 miljoner år sedan och framåt, Nd-isotopsignaturer från norra och södra Atlanten var anmärkningsvärt lika. Detta kan tyda på att en djupvattenmassa, kommer troligen från söder, tog sig igenom Atlanten och fyllde bassängen från djupa till mellanliggande djup. Det förbättrade djupvattenutbytet, tillsammans med ökande atmosfärisk CO2, kan ha möjliggjort en mer effektiv distribution av värme över planeten.

Denna studie visar att för att förstå havscirkulationens roll i tidigare växthusklimat, det är viktigt att förstå geografins och klimatets olika roller.

Den nuvarande takten för klimatförändringar genom CO2-utsläpp från mänsklig aktivitet överstiger vida uppvärmningstakten under tidigare växthusklimat. Att studera havscirkulationen under det senaste växthusintervallet i det geologiska förflutna kan ge ledtrådar om hur havscirkulationen kan utvecklas i framtiden, och hur värmen kommer att fördelas över planeten av havsströmmar.

Denna forskning är resultatet av ett internationellt samarbete med Goethe-Universitetet Frankfurt; Ruprecht-Karls-Universitetet i Heidelberg; GEOMAR Helmholtz Center for Ocean Research Kiel; Federal Institute for Geosciences and Natural Resources i Hannover; Royal Holloway University of London och University of Oxford.

Sedimenten för denna studie togs alla från långa havsborrkärnor. International Ocean Discovery Program (IODP) samordnar vetenskapliga expeditioner för att borra havsbotten för att återvinna dessa sediment, och lagrar sedimentkärnorna så att de är tillgängliga för hela forskarsamhället.