Vi har vetat i flera år att jordens klimat är som en gigantisk Rube Goldberg-maskin:Dra i en spak, och en enorm kedja av händelser börjar rulla på. Ändå har många av stegen som driver dessa förändringar förblivit höljda i osäkerhet.

"En nyckelfråga på området är fortfarande vad som fick jorden att periodvis cykla in och ut ur istider, sade adjunkt Prof. Malte Jansen, vars forskning vid University of Chicago försöker upptäcka och förstå de processer som utgör det globala klimatet. "Vi är ganska säkra på att kolbalansen mellan atmosfären och havet måste ha förändrats, men vi vet inte riktigt hur eller varför."

I en ny studie, Jansen och UChicagos tidigare postdoktoralforskare Alice Marzocchi beskriver hur en inledande klimatförändring kan starta en kedja av händelser som leder till en istid. Deras modell visar hur ökningen av havsisen i Antarktis i ett kallare klimat kan utlösa ett vattenfall av förändringar som kan bidra till att vända det globala klimatet till glaciala perioder.

Ansvaret (eller skulden) för jordens klimat delas mellan land, liv, atmosfär och hav. Element rör sig fram och tillbaka bland alla fyra i en långsam dans som har hållit jorden beboelig i miljarder år - men kan förändra klimatet när element byggs upp på en eller flera av platserna.

Till exempel, vi är för närvarande i en paus mellan istider; under de senaste två och en halv miljoner åren, glaciärer har periodvis täckt jorden och sedan dragit sig tillbaka. Forskare, därför, har samlat ihop ledtrådar om hur den här processen med glaciation fungerar och hur den utlöses. Det är troligt att små förändringar i jordens omloppsbana ledde till en viss avkylning. Men det ensamma skulle inte göra det, sa Jansen. Det skulle ha behövt ha skett massiva åtföljande förändringar i klimatsystemet för att ta hänsyn till mängden kyla som följde.

"Den mest rimliga förklaringen är att det skedde en viss förändring i hur kolet fördelades mellan atmosfären och havet, " sa Jansen. "Det finns ingen brist på idéer om hur detta händer, men det är inte helt klart hur de alla passar ihop." Simuleringarna stämmer inte överens, och ingen överensstämmer helt med de geologiska bevis som finns tillgängliga för forskare.

Bygger på en studie Jansen publicerade för ett par år sedan, Jansen och Marzocchi utvecklade en modell av hur glaciärövergången kunde ha utspelat sig.

På deras bild, atmosfären svalnar tillräckligt för att få Antarktis havsis att börja byggas. "Södra oceanen runt Antarktis spelar en nyckelroll i havscirkulationen, eftersom det är en region där djupa vatten stiger till ytan innan de försvinner igen i avgrunden, " sade Jansen. "Som ett resultat, ökad antarktisk havsis har stora konsekvenser."

Locket av is förändrar havscirkulationen, men det blockerar också fysiskt havet från att utbyta koldioxid med atmosfären. Detta innebär att mer och mer kol dras in i djuphavet och stannar där. Mindre koldioxid i atmosfären skulle leda till en omvänd växthuseffekt, får planeten att svalna.

"Vad detta antyder är att det är en återkopplingsslinga, sa Marzocchi, nu en forskare vid Storbritanniens National Oceanography Center. "När temperaturen sjunker, mindre kol släpps ut i atmosfären, vilket utlöser mer kylning."

Förklaringen stämmer överens med bevis om det tidigare klimatet från källor som sediment, korallrev, och kärnprover från glaciärer.

"Det som förvånade mig är hur mycket av denna ökade lagring som kan tillskrivas enbart fysiska förändringar, med Antarktis havsis täckning som nyckelspelaren, " sa Marzocchi. Bara de fysiska effekterna, innan man redogör för förändringar från biologisk tillväxt, står för ungefär hälften av den koldioxidminskning som tros ha skett.

Resultaten är ytterligare ett steg mot att förstå hur jordens klimat fungerar över långa tidsskalor, sa forskarna.

"Havet är den största kolreservoaren över geologiska tidsskalor, "Så att studera den roll som havet spelar i kolcykeln hjälper oss att mer exakt simulera framtida miljöförändringar."