1961, John Kutzbach, sedan en nyutexaminerad college, var stationerad i Frankrike som en flygväderprognos för det amerikanska flygvapnet. Där, han fann sig själv utforska Dordognes stora grottor, inklusive de förhistoriska målade grottorna i Lascoux.

Tänker på de gamla människorna och djuren som skulle ha samlats i dessa grottor för värme och skydd, han började intressera sig för glaciologi. "Det var intressant för mig, som vädermänniska, att människor skulle bo så nära ett inlandsis, säger Kutzbach, emeritus University of Wisconsin-Madison professor i atmosfäriska och oceaniska vetenskaper och Nelson Institute for Environmental Studies.

Kutzbach fortsatte med en karriär som studerade hur förändringar i jordens rörelser genom rymden - formen på dess omloppsbana, dess lutning på sin axel, dess vingling – och andra faktorer, inklusive istäcke och växthusgaser, påverka dess klimat. Många år efter att ha frossat över istidens grottkonst, idag försöker han bättre förstå hur förändringar i jordens klimat kan ha påverkat mänsklig migration ut ur Afrika.

I en nyligen publicerad studie publicerad i Proceedings of the National Academy of Sciences , Kutzbach och ett team av forskare spårar förändringar i klimat och vegetation i Afrika, Arabien och Medelhavet som går tillbaka 140, 000 år för att hjälpa andra att studera de influenser som ligger bakom mänsklig spridning.

Studien beskriver en dynamisk klimat- och vegetationsmodell som förklarar när regioner över Afrika, områden i Mellanöstern, och Medelhavet var blötare och torrare och hur växtsammansättningen förändrades i takt, möjligen tillhandahålla migrationskorridorer under hela tiden.

"Vi vet inte riktigt varför folk flyttar, men om närvaron av mer vegetation är till hjälp, det här är de tider som skulle ha varit fördelaktiga för dem, " säger Kutzbach.

Modellen belyser också sambanden mellan jordens klimat och dess omloppsbana, koncentrationer av växthusgaser, och dess inlandsisar.

Till exempel, modellen visar att omkring 125, 000 år sedan, norra Afrika och den arabiska halvön upplevde ökade och mer nordliga sommarmonsunregn som ledde till att Saharas och Arabiska öknar minskade på grund av ökad gräsmark. På samma gång, i Medelhavet och Levanten (ett område som omfattar Syrien, Libanon, Jordanien, Israel och Palestina), vinterstormbanan nederbörd ökade också.

Dessa förändringar drevs av jordens position i förhållande till solen. På den tiden låg norra halvklotet så nära solen som möjligt under sommaren, och så långt bort som möjligt under vintern. Detta resulterade i varmt, blöta somrar och kalla vintrar.

"Det är som att två händer mötas, " säger Kutzbach. "Det var starkare sommarregn i Sahara och starkare vinterregn i Medelhavet."

Med tanke på naturen av jordens omloppsrörelser, gemensamt kallade Milankovitch-cykler, regionen bör placeras så här ungefär var 21, 000 år. Var 10:e 000 år eller så, det norra halvklotet skulle då vara längst bort från solen under sommaren, och närmast under vintern.

Verkligen, modellen visade stora ökningar av nederbörd och vegetation vid 125, 000, vid 105, 000, och vid 83, 000 år sedan, med motsvarande minskningar på 115, 000, vid 95, 000 och vid 73, 000 år sedan, när sommarmonsunerna minskade i magnitud och stannade längre söderut.

Mellan cirka 70, 000 och 15, 000 år sedan, Jorden befann sig i en glacial period och modellen visade att närvaron av inlandsisar och minskade växthusgaser ökade vinterstormar i Medelhavet men begränsade sommarmonsunens södra reträtt. De minskade växthusgaserna orsakade också avkylning nära ekvatorn, leder till ett torrare klimat där och minskat skogstäcke.

Dessa föränderliga regionala mönster av klimat och vegetation kunde ha skapat resursgradienter för människor som lever i Afrika, driva migration utåt till områden med mer vatten och växtliv.

För studien, forskarna, inklusive Kutzbachs UW-Madison-kollegor Ian Orland och Feng He, tillsammans med forskare vid Peking University och University of Arizona, använde Community Climate System Model version 3 från National Center for Atmospheric Research. De körde simuleringar som enbart svarade för omloppsförändringar, kombinerade omlopps- och växthusgasförändringar, och en tredje som kombinerade dessa influenser plus inverkan av inlandsisar.

Det var Kutzbach som, på 1970- och 1980-talen, bekräftat att förändringar i jordens omloppsbana kan driva styrkan hos sommarmonsunerna runt om i världen genom att påverka hur mycket solljus, och därför, hur mycket uppvärmning når en viss del av planeten.

För fyrtio år sedan, det fanns bevis för periodiska kraftiga monsuner i Afrika, men ingen visste varför, säger Kutzbach. Han visade att omloppsförändringar på jorden kan leda till varmare somrar och därmed starkare monsuner. Han läste också om perioder av "grönning" i Sahara, används ofta för att förklara tidig mänsklig migration till det typiskt torra Mellanöstern.

"Mitt tidiga arbete förberedde mig att tänka på det här, " han säger.

Hans nuvarande modelleringsarbete överensstämmer mest med insamlad data från varje region, inklusive observerade bevis från gamla sjöbäddar, pollenrekord, grottfunktioner, och marina sediment. En nyligen genomförd studie ledd av Orland använde grottuppteckningar i Levanten för att visa att sommarmonsunerna nådde regionen runt 125, 000 år sedan.

"Vi missför vissa saker (i modellen), säger Kutzbach, så laget fortsätter att förfina det. Till exempel, modellen blir inte tillräckligt kall i södra Europa under istiden och alla vegetationsförändringar matchar inte observerade data. Datorkraften har också förbättrats sedan de körde modellen.

"Detta är inte det sista ordet, Kutzbach säger. "Resultaten bör ses på igen med en modell med ännu högre upplösning."