För en miljon år sedan, ett långvarigt mönster av omväxlande istider och varma perioder förändrades dramatiskt, när istider plötsligt blev längre och intensivare. Forskare har länge misstänkt att detta var kopplat till avmattningen av ett nyckelaktuellt system i Atlanten som idag återigen saktar ner. En ny studie av sediment från Atlantens botten länkar direkt denna avmattning med en massiv uppbyggnad av kol som släpas från luften till avgrunden. Med systemet igång med full hastighet, detta kol skulle ha sipprat tillbaka till luften ganska snabbt, men under denna period stagnerade det bara i djupet. Detta tyder på att kolavtaget kylde planeten - motsatsen till den växthuseffekt vi ser nu, när människor pumpar ut kol i atmosfären. Men om strömmen fortsätter att avta nu, vi bör inte förvänta oss att det hjälper oss genom att lagra våra utsläpp; möjligen motsatsen. Studien, ledd av forskare vid Columbia Universitys Lamont-Doherty Earth Observatory, visas denna vecka i journalen Naturgeovetenskap .

Forskarna riktade in sig på ett system av strömmar som kallas Atlantic meridional vältande cirkulation, eller AMOC. Flytande norrut nära ytan, den transporterar varmt, saltvatten från nära ekvatorn till breddgraderna nära Grönland och norra Europa. Här, den träffar kallare vatten från Arktis, blir tätare och sjunker ner i avgrunden, tar med sig stora mängder kol som absorberas från atmosfären. Det djupa vattnet cirklar sedan tillbaka söderut, där mycket av det åter smälter samman i södra oceanen, för att släppa tillbaka kol till luften. Resan äger rum över årtionden till århundraden.

En studie från 2014 av Lamont-Doherty geokemist Steven Goldstein och hans dåvarande student Leopoldo Pena - som båda också är medförfattare till den nya studien - visade att denna ström abrupt avtog runt 950, 000 år sedan. Den nya studien visar att denna avmattning korrelerade direkt med en enorm uppbyggnad av kol i det djupa Atlanten, och motsvarande minskning av kol i luften. Denna händelse var den uppenbara triggern för en serie istider som kom var 100:e, 000 år, jämfört med tidigare som inträffade ungefär var 40:e, 000 år, och som byggde upp mindre is än de som kom senare. Forskare kallar denna vändpunkt Mid-Pleistocene Transition, och det nya mönstret har bestått under den senaste istiden, som slutade omkring 15, 000 år sedan. Exakt varför mönstret har fortsatt vet ingen, men studien visar tydligt att kolet som saknades i luften hamnade i havet, och hade en kraftfull effekt på klimatet.

"Det är ett en-till-en-förhållande. Det var som att vrida på en switch, "sa huvudförfattaren Jesse Farmer, som utförde arbetet samtidigt som doktorand. student vid Lamont-Doherty. "Det visar oss att det finns ett intimt samband mellan mängden kol som lagras i havet, och vad klimatet gör."

Forskarna nådde sina resultat genom att analysera kärnor av djuphavssediment tagna i södra och norra Atlanten, där gamla djupa vatten passerade och lämnade kemiska ledtrådar om deras innehåll i skalen på mikroskopiska varelser. Deras analys bekräftade 2014 års studie som visade att AMOC försvagades i en omfattning som inte setts tidigare, runt 950, 000 år sedan, och under ovanligt lång tid. På grund av detta, djupvattnet samlade upp cirka 50 miljarder ton mer kol än det hade under tidigare nedisningar – motsvarande ungefär en tredjedel av de mänskliga utsläppen som alla världens hav hittills har absorberat idag. (För sammanhanget, haven absorberar idag ungefär en fjärdedel av det vi släpper ut; mark och växtlighet tar upp en tredjedel. Resten stannar i luften.)

Under den varma perioden fram till detta evenemang, atmosfären hade hållit omkring 280 delar per miljon kol; med avmattningen, luftburen koldioxid gick ner till 180 ppm, mätt med iskärnor. Atmosfäriskt kol hade sjunkit under tidigare istider också, men från 280 ppm ner endast till ca 210 ppm. (På grund av mänskliga utsläpp under de senaste två århundradena, denna normala återkommande siffra på 280 ppm varma eran har blivit föråldrad; Atmosfäriskt kol är nu uppe i cirka 410 ppm.)

Vid något tillfälle, strömmen vaknade igen, och saker och ting värmdes upp ett tag innan de sjönk tillbaka till en annan liknande extrem istid, efter 100, 000 år. "Det finns många idéer om vad som fick dessa förändringar att ske, men det är svårt att säga vad utlösaren var, sa Bärbel Hönisch, Bondens rådgivare och medförfattare till studien. "Det finns flera olika skruvar du skulle kunna tänka dig att skruva på, och massor av lösa skruvar."

En idé, som bland annat förespråkas av Goldsteins grupp:I norr, upprepade uppbyggnader av glaciärer skrapar i slutändan allt på land ner till berggrunden. Efterföljande glaciärer kan sedan hålla fast vid berggrunden och bulka upp ännu mer, innan isberg släpps ut i havet. Detta introducerar mer sötvatten att blanda med AMOC, vilket gör den mindre tät och så småningom oförmögen att sjunka. I andra änden, is skulle också växa i Antarktis och släppa ut fler isberg, vilket skulle göra havsvattnet kallare och mindre salt, vilket uppmuntrar tillväxten av mer havsis. Detta, teoretiskt sett, skulle täcka ytan och hindra djupt vatten från att stiga och släppa ut sitt kol. Men om det verkligen är så det fungerar, det är inte klart vad som startar eller avslutar någon av processerna; det är en fråga om kyckling och ägg.

Styrkan hos AMOC tros fluktuera naturligt, men det verkar ha försvagats med ovanliga 15 procent sedan mitten av 1900-talet. Ingen är säker på vad som ligger bakom det, eller vilka effekter det kan ge om nedgången fortsätter. En annan Lamont-Doherty-studie förra månaden visade att en nedgång runt 13, 000 år sedan, i slutet av den senaste istiden, följdes 400 år senare av en intensiv köldknäpp som varade i århundraden.

"Vi måste vara försiktiga med att dra paralleller med det, sa bonden, nu postdoktor vid Princeton University. "Vi ser en liknande försvagning idag, och man kan säga, 'Bra! Havscirkulationen kommer att rädda oss från ett värmande klimat!' Men det är inte korrekt, på grund av hur olika delar av klimatsystemet pratar med varandra." Farmer sa att om AMOC fortsätter att försvagas nu, det är troligt att mindre kolhaltigt vatten kommer att sjunka i norr, på samma gång, i södra oceanen, allt kol som redan kommer i djupt vatten kommer sannolikt att fortsätta bubbla upp utan problem. Resultatet:kol kommer att fortsätta att byggas upp i luften, inte havet.

Forskarna påpekar att AMOC bara är en del av ett mycket större system av global cirkulation som förbinder alla oceaner - den så kallade Great Ocean Conveyor, en term som myntades av den avlidne Lamont-Doherty-forskaren Wallace Broecker, som lade grunden för mycket av den aktuella forskningen. Mycket mindre är känt om koldynamiken i Indien och Stilla havet, som tillsammans dvärgar Atlanten, så det saknas många pusselbitar. Pågående forskning vid Lamont-Doherty syftar till att bygga kolkronologier för dessa andra vatten under de närmaste åren.