Forskare från universitetet i Bern analyserade en 169 meter lång sedimentkärna som samlats på botten av södra oceanen av forskningsfartyget JOIDES Resolution, i samband med International Ocean Drilling Project (IODP). Kredit:IODP
Under de senaste miljoner åren, istider har intensifierats och förlängts. Enligt en studie ledd av universitetet i Bern, denna tidigare oförklarade klimatomställning sammanfaller med en minskning av blandningen mellan djup- och ytvatten i södra oceanen. Studien bekräftar att den antarktiska regionen spelar en avgörande roll under perioder av klimatförändringar.
En analys av marina sediment som samlats in på ett djup av mer än 2 km har precis gett ett svar på en av gåtorna i jordens klimathistoria:övergången i mitten av Pleistocen, som började för cirka en miljon år sedan. Därefter, istiderna förlängdes och intensifierades, och frekvensen av deras cykler ökade från 40, 000 år till 100, 000 år. Studien, som förekom i tidskriften Vetenskap , visar att en av nycklarna till detta fenomen ligger i det djupa vattnet i södra oceanen som omger Antarktis.
Havsvatten innehåller 60 gånger mer kol än atmosfären. Följaktligen, små variationer i koldioxiden (CO 2 ) koncentrationen av vattnen spelar en stor roll i klimatövergångar. Leds av Samuel Jaccard, SNSF professor vid universitetet i Bern, den nya studien spårade utvecklingen av blandning mellan djupvatten och ytvatten i södra oceanen. Blandning är en viktig faktor i det globala klimatsystemet, eftersom det för med sig oceanisk CO 2 till ytan, där det flyr ut i atmosfären.
Resultaten visar att blandningen reducerades avsevärt i slutet av övergången i mitten av Pleistocen, ca 600, 000 år sedan. Dessutom, de förklarar hur den minskade blandningen minskade mängden CO 2 utsläppt av havet, vilket i sin tur minskade växthuseffekten och intensifierade istider. Studien belyser således återkopplingsmekanismer som avsevärt kan bromsa eller accelerera pågående klimatförändringar.
"Dynamiken i det globala klimatsystemet är mycket komplex", säger Samuel Jaccard. "Koncentrationer av atmosfäriska växthusgaser, speciellt CO 2 , spela en viktig roll. De är uppenbarligen kopplade till utsläpp på grund av mänskliga aktiviteter, men också till naturfenomen och särskilt till avgasning av koldioxid som finns i haven. Blandning spelar en mycket viktig roll i det här fallet, eftersom det ger upplöst CO 2 från det djupa vattnet till ytan, varifrån det överförs till atmosfären och bidrar till växthuseffekten. En bättre förståelse av dessa fenomen är avgörande, eftersom de också är en faktor i dagens globala uppvärmning."
Konsekvenser för den globala uppvärmningen
Forskarna bestämde skillnaden i salthalt och temperatur mellan ytvatten och djupvatten, eftersom dessa två faktorer bestämmer intensiteten av blandningen, bland annat. Fynden visar att två motsatta processer har intensifierats under klimatövergången till längre istider:ytvattnet blev samtidigt kallare och mindre salt.
Kemisk analys av dessa skal (finns i marint sediment under södra oceanens botten, och sedd här under ett elektronmikroskop) gjorde det möjligt för forskare att spåra utvecklingen av vattenblandning, ett avgörande fenomen i klimatövergångar. Dessa foraminifer lever antingen på havsbotten, eller i ytvattnet (bild). Kredit:Adam Hasenfratz / University of Bern
Som ett resultat, blandningen av lager minskade avsevärt under istider. Genom att minska mängden CO 2 släpps ut av haven till atmosfären, detta fenomen bidrog till att minska växthuseffekten och förlänga ett kallt klimat, vilket inleder en period av "global kylning", säger Jaccard. "Detta är ett typiskt exempel på en återkopplingsslinga:blandningen minskar, och nederbörd och glaciärsmälta ackumuleras vid havets yta och stannar där under en längre tid; som i sin tur minskar salthalten och densiteten vid vattenytan, förstärker dämpningen av blandningsprocessen."
Dessa resultat är relevanta för den nuvarande situationen, säger Jaccard:"Under de senaste decennierna har vi observerat mer intensiva västliga vindar när klimatet värms upp, som främjar blandning och därmed utsläpp av oceanisk CO 2 in i atmosfären. Men denna trend skulle kunna kompenseras av andra effekter:t.ex. ett varmare klimat kan öka nederbörden och glaciärsmältningen, och tillför därigenom sötvatten till ytan. Vi kan ännu inte förutse vad som kommer att hända; vi behöver klimatsimuleringar för att bättre förstå hur cirkulationsdynamiken i södra oceanen kommer att utvecklas i framtiden."
Att komma ner till det nitty-gritty
Den historiska rekonstruktionen av havsblandningen gjordes med hjälp av en sedimentkärna 169 meter lång, taget från under havsbotten på ett djup av 2800 meter, cirka 2500 km utanför Sydafrikas kust. Kärnan utvanns under 1990-talet som en del av International Ocean Drilling Project (IODP) och lagrades sedan dess i Tyskland. Teamet hade tillgång till kärnan genom Schweiz aktiva deltagande i IODP, som har fått stöd av Swiss National Science Foundation.
Under sin Ph.D. vid ETH Zürich, Adam Hasenfratz skar kärnan i tusentals centimeter tjocka skivor, var och en motsvarar ungefär ett sekels insättningar. Från varje skiva, han isolerade och analyserade skal från foraminifer, protozoer med ett kalcitskelett. Den kemiska sammansättningen av skalen beror på de marina förhållandena under skalens bildning, i synnerhet salthalt och vattentemperatur.
"I början, alla experter sa till oss att vårt projekt var dödsdömt eftersom antalet foraminifer skulle vara för litet för att utföra de nödvändiga kemisk-fysikaliska analyserna", säger Samuel Jaccard. "Men Adam lyckades utveckla nya tekniker som gjorde det möjligt för honom att analysera mycket små mängder material. Detta gjorde det möjligt för oss att spåra utvecklingen av salthalten och vattentemperaturen." Hasenfratz identifierade två arter som lever antingen på havsbotten (Melonis pompilioides) eller vid havsytan (Neogloboquadrina pachyderma). Det gjorde det möjligt för honom att få information om temperaturen och salthalten i både djupvatten och ytvatten under en period på mer än en miljon år.
När det händer, förhållandet mellan magnesium och kalcium som finns i ett foraminiferskal beror på vattnets temperatur när skalet bildas. Den biten av data gör det möjligt att härleda vattnets salthalt baserat på förhållandet mellan två isotoper av syre (O16 och O18) som finns i kalciten (CaCO) 3 ) skal, vilket speglar både temperaturen och salthalten i vattnet. Eftersom havsvatten som innehåller den lätta isotopen O16 avdunstar lättare, förhållandet mellan syreisotoperna ger en indikation på avdunstningshastigheten och följaktligen vattnets salthalt och temperatur.
Analysen visar att ytvattnet svalnat under de senaste miljoner åren, speciellt under istider. Detta minskade temperaturskillnaden mellan ytan och kylan, djupa vatten, som i princip borde ha intensifierat blandningen. Men denna trend vändes av den markanta minskningen av salthalten i ytvattnet, som blev mindre tät och därmed mindre känslig för blandning med de djupa lagren. Studien visar att blandningen av vattnet minskade avsevärt, vilket gjorde det möjligt för djupvattnen att binda upp mer löst CO 2 , med viktiga konsekvenser för klimatutvecklingen.
