Sedan forskare först bestämde att atmosfärisk koldioxid (CO ₂ ) var signifikant lägre under istidsperioder än varma faser, de har försökt upptäcka varför, teoretisera att det kan vara en funktion av havscirkulationen, havs is, järnbelastat damm eller temperatur.

Ändå har ingen datormodell baserad på existerande bevis kunnat förklara varför CO ₂ nivåerna var så mycket som en tredjedel lägre när en istid slog in.

En ny studie publicerad i veckan i Vetenskapens framsteg ger övertygande bevis för en lösning – kombinationen av havsvattentemperaturvariationer och järn från damm utanför södra halvklotets kontinenter.

"Många av de tidigare studierna som analyserade havstemperaturer gjorde antagandet att havstemperaturerna svalnade med samma hastighet över hela jordklotet - cirka 2,5 grader (Celsius), sa Andreas Schmittner, en klimatforskare vid Oregon State University och medförfattare till studien. "När de körde sina modeller, temperatur stod alltså för endast en liten mängd atmosfärisk CO ₂ minska.

"Vi vet nu att haven svalnade mycket mer i vissa regioner, så mycket som fem grader (C) på mellanbreddgraderna. Eftersom kallt vatten har en högre grad av CO ₂ löslighet, den hade potentialen att suga upp mycket mer kol från atmosfären än tidigare studier redogjorde för - och den insåg mer av den potentialen."

Schmittner och hans kollegor uppskattar att kallare havstemperaturer skulle stå för ungefär hälften av minskningen av CO ₂ under det sista istidens maximum — eller höjden av den senaste istiden. Ytterligare en tredjedel eller så, de säger, orsakades sannolikt av en ökning av järnhaltigt damm som kommer från kontinenterna och "gödslar" södra oceanens yta. En ökning av järn skulle öka växtplanktonproduktionen, absorberar mer kol och deponerar det djupt i havet.

Forskarnas modeller tyder på att denna kombination står för mer än tre fjärdedelar av den minskade mängden atmosfärisk CO ₂ under den senaste istiden. Under det sista glaciala maximumet, CO ₂ nivåerna var cirka 180 delar per miljon, medan nivåerna år 1800 e.Kr. – strax före den industriella revolutionen – låg på cirka 280 delar per miljon.

Schmittner sa att den återstående mängden reducerat kol kan bero på variationer i näringstillgänglighet och/eller havsalkalinitet.

"Ökningen av järn berodde troligen på att isen skurade landskapet i Patagonien, Australien och Nya Zeeland, dra järn ur klipporna och jorden, "Sa Schmittner." Eftersom det var väldigt kallt och torrt, järnet skulle ha plockats upp av vinden och avsatts i havet.

"Vår tredimensionella modell av det globala havet överensstämmer väl med observationer från havssediment från det sista glacialmaximum, ger oss en hög grad av förtroende för resultaten."

Forskarna säger att när jorden svalnade under den senaste istiden, haven svalnade också naturligt – utom nära polarområdena, som redan var så kalla som de kunde bli utan att frysa. Under varma faser, skillnaden i havets yttemperaturer mellan de höga breddgraderna och mitten av breddgraderna var signifikant.

När varmare vatten rör sig mot Antarktis och börjar svalna, den förlorade värmen går ut i atmosfären, öka havets potential att suga upp CO ₂ .

"Det är som när du tar en öl ur kylskåpet, " sa Schmittner. "När det värmer, bubblorna kommer ut. Koldioxid är en gas, och det kan lösas upp i vatten och komma in i havet från atmosfären, och det är mer lösligt i kallare vatten. Men den processen tar ett tag och därför inser inte havet hela sin potential att ta upp CO ₂ i de vatten runt Antarktis som fyller mycket av det djupa havet."

När oceanerna på mitten av latituden började svalna, de började suga upp mer koldioxid ₂ från atmosfären, och avger mindre eftersom kallare vatten är mer CO ₂ löslig.

"Det var den perfekta kombinationen som nästan exakt kan förklara varför CO ₂ nivåerna var ungefär en tredjedel lägre under istidsperioder, "Sa Schmittner.