Under de senaste 540 miljoner åren har jorden har vittnat tre stora isåldrar - perioder under vilka de globala temperaturerna rasade, producerar omfattande inlandsisar och glaciärer som har sträckt sig bortom polkapslarna.

Nu forskare vid MIT, University of California i Santa Barbara, och University of California i Berkeley har identifierat den troliga utlösaren för dessa istider.

I en studie publicerad i Vetenskap , laget rapporterar att var och en av de tre senaste stora isåldrarna föregicks av tropiska "bågkontinentkollisioner"-tektoniska högar som inträffade nära jordens ekvatorn, där oceaniska plattor red upp över kontinentala plattor, utsätter tiotusentals kilometer oceanisk sten för en tropisk miljö.

Forskarna säger att värmen och luftfuktigheten i tropikerna sannolikt utlöste en kemisk reaktion mellan stenarna och atmosfären. Specifikt, bergens kalcium och magnesium reagerade med atmosfärisk koldioxid, att dra ut gasen ur atmosfären och permanent binda den i form av karbonater som kalksten.

Över tid, säger forskarna, denna vittringsprocess, sker över miljoner kvadratkilometer, kan dra tillräckligt med koldioxid ur atmosfären för att kyla temperaturen globalt och i slutändan utlösa en istid.

"Vi tror att bågkontinentkollisioner på låga breddgrader är utlösaren för global kylning, "säger Oliver Jagoutz, docent vid MIT:s Department of Earth, Atmosfärisk, och planetvetenskap. "Detta kan ske över 1-5 miljoner kvadratkilometer, vilket låter som mycket. Men i verkligheten, det är en mycket tunn jordremsa, sitter på rätt plats, som kan förändra det globala klimatet. "

Jagoutz medförfattare är Francis Macdonald och Lorraine Lisiecki från UC Santa Barbara, och Nicholas Swanson-Hysell och Yuem Park från UC Berkeley.

En tropisk trigger

När en oceanisk platta skjuter upp mot en kontinental platta, kollisionen skapar vanligtvis ett bergskedja av nyblottat berg. Felzonen längs vilken de oceaniska och kontinentala plattorna kolliderar kallas en "sutur". I dag, vissa bergskedjor som Himalaya innehåller suturer som har migrerat från sina ursprungliga kollisionspunkter, som kontinenter har skiftat över årtusenden.

2016, Jagoutz och hans kollegor återupptäck rörelserna i två suturer som idag utgör Himalaya. De fann att båda suturerna härrörde från samma tektoniska migration. För åttio miljoner år sedan, när superkontinenten Gondwana flyttade norrut, en del av landmassan krossades mot Eurasien, exponera en lång rad oceanisk sten och skapa den första suturen; 50 miljoner år sedan, en annan kollision mellan superkontinenterna skapade en andra sutur.

Teamet fann att båda kollisionerna inträffade i tropiska zoner nära ekvatorn, och båda föregick globala atmosfäriska kylhändelser med flera miljoner år - vilket är nästan omedelbart på en geologisk tidsskala. Efter att ha tittat på hur snabbt exponerat oceaniskt berg, även känd som ophioliter, kan reagera med koldioxid i tropikerna, forskarna drog slutsatsen att, med tanke på deras läge och storlek, båda suturerna kunde verkligen ha lagrat tillräckligt med koldioxid för att kyla atmosfären och utlösa båda istiderna.

Intressant, de fann att denna process sannolikt också var ansvarig för att avsluta båda istiderna. Under miljoner år, den oceaniska sten som var tillgänglig för att reagera med atmosfären urholkade så småningom, ersatt med ny sten som tog upp mycket mindre koldioxid.

"Vi visade att denna process kan starta och avsluta istiden, "Jagoutz säger." Sedan undrade vi, hur ofta fungerar det? Om vår hypotes är korrekt, vi borde upptäcka att för varje gång det finns en kylningsevent, det finns många suturer i tropikerna. "

Att avslöja jordens suturer

Forskarna undersökte om istiden ännu längre tillbaka i jordens historia var förknippad med liknande bågkontinentkollisioner i tropikerna. De utförde en omfattande litteratursökning för att sammanställa platserna för alla de stora suturzonerna på jorden idag, och använde sedan en datasimulering av platttektonik för att rekonstruera rörelsen för dessa suturzoner, och jordens kontinentala och oceaniska plattor, tillbaka genom tiden. På det här sättet, de kunde precisera ungefär var och när varje sutur ursprungligen bildades, och hur länge varje sutur sträckte sig.

De identifierade tre perioder under de senaste 540 miljoner åren där stora suturer, av cirka 10, 000 kilometer lång, bildades i tropikerna. Var och en av dessa perioder sammanföll med var och en av tre stora, välkända istider, i sen ordovicium (455 till 440 miljoner år sedan), Permo-Carboniferous (335 till 280 miljoner år sedan), och Cenozoic (för 35 miljoner år sedan idag). Viktigt, de fann att det inte fanns några istider eller ishändelser under perioder då stora suturzoner bildades utanför tropikerna.

"Vi fann att varje gång det var en topp i suturzonen i tropikerna, det var en glaciationshändelse, "Jagoutz säger." Så varje gång du får, säga, 10, 000 kilometer suturer i tropikerna, du får en istid. "

Han noterar att en stor suturzon, täcker cirka 10, 000 kilometer, är fortfarande aktiv idag i Indonesien, och är möjligen ansvarig för jordens nuvarande istid och utseendet på omfattande isark vid polerna.

Denna tropiska zon inkluderar några av de största ofiolitkropparna i världen och är för närvarande en av de mest effektiva regionerna på jorden för att absorbera och binda koldioxid. Eftersom de globala temperaturerna stiger till följd av mänsklig koldioxid, vissa forskare har föreslagit att mala upp stora mängder ofioliter och sprida mineralerna genom ekvatorialbältet, i ett försök att påskynda denna naturliga kylprocess.

Men Jagoutz säger att handlingen med att slipa och transportera dessa material kan producera ytterligare, oavsiktliga koldioxidutsläpp. Och det är oklart om sådana åtgärder kan ha någon betydande inverkan under våra liv.

"Det är en utmaning att få denna process att fungera på mänskliga tidsskalor, "Jagoutz säger." Jorden gör detta långsamt, geologisk process som inte har något att göra med vad vi gör med jorden idag. Och det kommer inte att skada oss, inte heller rädda oss. "