I Atlanten, ett gigantiskt "transportband" för varmt vatten från tropikerna in i Nordatlanten, där de svalnar och sjunker för att sedan återvända söderut i det djupa havet. Detta cirkulationsmönster är en viktig aktör i det globala klimatet, reglera vädermönster i Arktis, Europa, och runt om i världen. Bevis tyder allt mer på att detta system saktar ner, och vissa forskare fruktar att det kan få stora effekter, som att få temperaturerna att dyka i Europa och värma upp vattnet utanför USA:s östkust, potentiellt skada fisket och förvärra orkaner. (För en överdrift av de potentiella effekterna, se filmen The Day After Tomorrow från 2004.)

En ny studie publicerad i Naturkommunikation ger insikt i hur snabbt dessa förändringar kan träda i kraft om systemet fortsätter att försvagas. Leds av forskare vid Columbias Lamont-Doherty Earth Observatory i samarbete med Norwegian Research Centre, studien är den första som exakt bestämmer tidsfördröjningarna mellan tidigare förändringar av havets transportband och stora klimatförändringar.

Teamet studerade en viktig del av havsströmmönstret, känd som Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC). De nollställde ett avsnitt där vatten sjunker från ytan till botten av Nordatlanten. De bekräftade att AMOC började försvagas cirka 400 år innan ett stort köldknäck 13, 000 år sedan, och började stärkas igen cirka 400 år innan en abrupt uppvärmning 11, 000 år sedan.

"Våra rekonstruktioner indikerar att det finns tydliga klimatprekursorer från havsstaten - som varningsskyltar, så att säga, " säger huvudförfattaren Francesco Muschitiello, som avslutade arbetet som postdoc vid Lamont-Doherty och nu arbetar vid University of Cambridge.

Tills nu, det har varit svårt att avgöra om tidigare förändringar i havets transportband inträffade före eller efter de plötsliga klimatförändringar som präglade den senaste deglaciationen på norra halvklotet. För att övervinna de vanliga utmaningarna, teamet satte ihop data från en sedimentkärna borrad från botten av Norska havet, en sjösedimentkärna från södra Skandinavien, och iskärnor från Grönland.

Forskare förlitar sig vanligtvis på datering av radioaktivt kol (kol 14) för att bestämma sedimentens ålder; att mäta hur mycket kol 14 som finns kvar i ett fossil avslöjar hur länge sedan organismen dog, och därmed hur gammalt det omgivande sedimentet är. Detta förhållande är knepigt i havssediment, fastän, eftersom kol 14 skapas i atmosfären, och det tar tid för kolet att ta sig igenom havet. När den når organismerna på botten av vattenpelaren, kolet 14 kan redan vara hundratals eller tusentals år gammalt. Så teamet behövde ett annat sätt att datera sedimentlagren i den marina kärnan.

Det är därför de mätte kol 14-halten i en närliggande sjösedimentkärna. De gamla lagren av sjön innehåller ruttnande växter som drog kol 14 direkt ut ur atmosfären, så att forskarna kunde ta reda på åldern på varje sjösedimentlager. Sedan använde de några tekniker för att matcha sjösedimentets kärnlager med de marina kärnlagren. Asklager från två för länge sedan vulkanutbrott på Island hjälpte till att rada upp saker och ting. Denna process gav teamet den exakta åldern för varje lager i den marina kärnan.

Nästa, de jämförde den verkliga åldern för de marina sedimenten med den ålder de läste från mätningarna av kol 14 i djuphavet; skillnaderna mellan dessa två gav dem en uppskattning av hur lång tid det tog för det atmosfäriska kolet 14 att nå havsbotten. Med andra ord, det avslöjade hur snabbt vattnet sjönk i detta område, i en process som kallas djupvattenbildning som är avgörande för att hålla AMOC i cirkulation. Nu hade de ett register över havscirkulationsmönster i denna region över tid.

Den sista pusselbiten var att analysera iskärnor från Grönland, att studera förändringar i temperatur och klimat under samma tidsperiod. Mätningar av beryllium-10 i iskärnorna hjälpte författarna att exakt länka iskärnorna till kol 14-posterna, placera båda uppsättningarna av data på samma tidslinje. Nu kunde de äntligen jämföra händelseordningen mellan havscirkulationsförändringar och klimatförändringar.

Att jämföra data från de tre kärnorna visade att AMOC försvagades under tiden som ledde fram till planetens sista stora köldknäpp, kallad den yngre Dryas, runt 13, 000 år sedan. Havscirkulationen började sakta ner cirka 400 år innan köldknäppet, men när klimatet började förändras, temperaturerna över Grönland sjönk snabbt med cirka 6 grader.

Ett liknande mönster dök upp nära slutet av det där köldknäppet; strömmen började förstärkas ungefär 400 år innan atmosfären började värmas upp dramatiskt, övergången från istiden. När deglaciationen väl började, Grönland värmdes upp snabbt - dess medeltemperatur steg med cirka 8 grader under bara några decennier, vilket får glaciärer att smälta och havsis att släppa avsevärt i Nordatlanten.

"Dessa [400-åriga] eftersläpningar är förmodligen på långsidan av vad många skulle ha förväntat sig, säger Anders Svensson, som studerar paleoklimatet vid Köpenhamns universitet, och som inte var involverad i den aktuella studien. "Många tidigare studier har föreslagit tidsfördröjningar av olika längd, men få har haft de nödvändiga verktygen för att bestämma fasningen med tillräcklig noggrannhet."

Medförfattare William D'Andrea, en paleoklimatolog vid Lamont-Doherty blev förvånad över vad de hittade - han säger att eftersläpningstiderna är två eller tre gånger större än han skulle ha förväntat sig.

För närvarande är det inte helt klart varför det var en så lång fördröjning mellan AMOC-förändringarna och klimatförändringarna över Nordatlanten.

Det är också svårt att peka ut vad dessa mönster från det förflutna skulle kunna betyda för jordens framtid. Nya bevis tyder på att AMOC började försvagas igen för 150 år sedan. Dock, nuvarande förhållanden är helt annorlunda än förra gången, säger Muschitiello; den globala termostaten var mycket lägre då, vinterhavsis sträckte sig längre söderut än New Yorks hamn, och havsstrukturen skulle ha varit mycket annorlunda. Dessutom, den tidigare försvagningen av AMOC var mycket mer dramatisk än dagens trend hittills.

Ändå, D'Andrea säger att "om AMOC skulle försvagas till den grad den gjorde då, det kan ta hundratals år innan stora klimatförändringar verkligen visar sig."

Muschitiello tillägger, "Det är tydligt att det finns några prekursorer i havet, så vi borde titta på havet. Bara det faktum att AMOC har saktat ner, det borde vara ett bekymmer baserat på vad vi har hittat."

Studien ska också bidra till att förbättra fysiken bakom klimatmodeller, som generellt antar att klimatet reagerar abrupt samtidigt som AMOC-intensiteten ändras. Modellförfiningarna, i tur och ordning, skulle kunna göra klimatförutsägelser mer exakta. Som Svensson uttrycker det:"Så länge vi inte förstår det förflutnas klimat, det är mycket svårt att begränsa de klimatmodeller som behövs för att göra realistiska framtidsscenarier."