Grönlands inlandsis har sin existens tack vare tillväxten av en båge av öar i Sydostasien – som sträcker sig från Sumatra till Nya Guinea – under de senaste 15 miljoner åren, hävdar en ny studie.

Enligt en analys av forskare vid University of California, Berkeley, UC Santa Barbara och ett forskningsinstitut i Toulouse, Frankrike, när den australiensiska kontinenten sköt ut dessa vulkanöar ur havet, stenarna utsattes för regn blandat med koldioxid, som är surt. Mineraler i stenarna löstes upp och sköljdes med kolet ut i havet, förbrukar tillräckligt med koldioxid för att kyla planeten och tillåta stora inlandsisar att bildas över Nordamerika och Nordeuropa.

"Du har Australiens kontinentala jordskorpa som skjuter in i dessa vulkaniska öar, ger dig riktigt höga berg strax söder om ekvatorn, sa Nicholas Swanson-Hysell, docent i jord- och planetvetenskap vid UC Berkeley och senior författare till studien. "Så, du har den här stora ökningen av landarea som är ganska brant, i en region där det är varmt och blött och många bergarter som har förmågan att naturligt binda kol."

Började för cirka 15 miljoner år sedan, denna tropiska bergsbyggnad drog ner koldioxid i atmosfären, minska styrkan på växthuseffekten och kyla ner planeten. För cirka 3 miljoner år sedan, Jordens temperatur var tillräckligt svalt för att låta snö och is ligga kvar under sommaren och växa till enorma inlandsisar över norra halvklotet, som den som täcker Grönland idag.

När istäcken på norra halvklotet växte, annan klimatdynamik ledde till en cykel av glaciala maxima och minima var 40:e 000 till 100, 000 år. Vid det senaste glaciala maximumet, ca 15, 000 år sedan, massiva inlandsisar täckte större delen av Kanada, de norra delarna av USA, samt Skandinavien och mycket av de brittiska öarna.

"Om det inte vore för kolbindningen som sker på de sydostasiatiska öarna, vi skulle inte ha hamnat i klimatet som inkluderar ett Grönlands inlandsis och dessa glaciala och interglaciala cykler, " sade Swanson-Hysell. "Vi skulle inte ha korsat denna atmosfäriska CO ₂ tröskel för att initiera inlandsisar på norra halvklotet."

Den periodiska tillväxten och nedgången av de norra inlandsisarna - cykeln av glaciala maxima och minima - kommer sannolikt att skjutas upp, på grund av mänskliga utsläpp som har ökat koldioxidhalterna i atmosfären.

"En process som tog miljontals år har vi vänt på 100 år, " sade Swanson-Hysell. "Under de närmaste tiotals till hundratusentals år, geologiska processer på platser som Sydostasien kommer återigen att minska CO ₂ nivåer i atmosfären - en takt som är frustrerande långsam när mänskligheten står inför effekterna av den nuvarande globala uppvärmningen."

UC Berkeley doktorand Yuem Park, Swanson-Hysell och deras kollegor, inklusive Francis Macdonald från UC Santa Barbara och Yves Goddéris från Géosciences Environnement Toulouse, kommer att publicera sina resultat denna vecka i tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences .

Vitring av sten binder kol

Geologer har länge spekulerat om de processer som periodiskt värmer och kyler planeten, då och då täcker hela jordklotet med is och förvandlar den till en så kallad snöbollsjord.

När forskarna insåg att under loppet av miljoner år, tektoniska processer flyttar landmassor runt planeten som massiva pusselbitar, de sökte ett samband mellan kontinentala rörelser – och kollisioner – och istider. Jordens kretsloppscykler är ansvariga för de 40, 000- eller 100, 000-åriga fluktuationer i temperatur som överlappar den långsiktiga uppvärmningen och nedkylningen.

Uppkomsten av Himalaya i Asien på mitten av breddgraderna under de senaste 50 miljoner åren har varit en främsta kandidat för avkylning och starten på ett glacialt klimat efter ett förlängt geologiskt intervall utan inlandsisar. Några år sedan, dock, Swanson-Hysell och Macdonald såg ett samband mellan bergsbyggande i tropiska områden och uppkomsten av tidsintervall med istider under de senaste 500 miljoner åren.

Under 2017, de föreslog att en stor istid för 445 miljoner år sedan utlöstes av bergsbyggande i tropikerna, och de följde det 2019 med en mer fullständig korrelation av de senaste fyra tidsintervallen för glacialt klimat och kollisioner mellan kontinenter och tropiska öbågar. De hävdar att kombinationen av ökad exponering av sten med mineraler som kan binda kol och en mängd varmt tropiskt regn är särskilt effektiv för att dra ut koldioxid från atmosfären.

Processen innebär kemisk upplösning av de stenar som förbrukar koldioxid, som sedan är inlåst i karbonatmineraler som bildar kalkstenssten i havet. Kalciumet i snäckskal som du hittar på stranden kan ha kommit ur ett tropiskt berg på andra sidan jorden, sa Swanson-Hysell.

"Vi byggde upp en ny databas över dessa typer av bergsbyggnadshändelser och rekonstruerade sedan latituden där de inträffade, "Sade Swanson-Hysell. "Då såg vi, Hallå, det är mycket kyla när det byggs mycket av den här typen av berg i tropikerna, som är den sydostasiatiska miljön. De sydostasiatiska öarna är den bästa analogen för processer som vi också ser längre fram i det förflutna."

För den aktuella tidningen, Parkera, Swanson-Hysell och Macdonald slog sig ihop med Goddéris för att modellera mer exakt vad koldioxidnivåerna skulle vara med förändringar i storleken på de sydostasiatiska öarna.

Forskarna återskapade först storleken på öarna när de växte under de senaste 15 miljoner åren, fokuserar främst på det största:Java, Sumatra, Filippinerna, Sulawesi och Nya Guinea. De beräknade att ytan på öarna ökade från 0,3 miljoner kvadratkilometer för 15 miljoner år sedan till 2 miljoner kvadratkilometer idag. UC Santa Barbara doktorand Eliel Anttila, som var en student i jord- och planetvetenskap vid UC Berkeley och är medförfattare till tidningen, bidragit till denna aspekt av forskningen.

De använde sedan Godderis GEOCLIM datormodell för att uppskatta hur tillväxten av dessa öar förändrade kolnivåerna i atmosfären. Tillsammans med UC Berkeley postdoktor Pierre Maffre, som nyligen tog sin doktorsexamen. i Godderis labb, de uppdaterade modellen för att ta hänsyn till den varierande effekten av olika bergarter. Modellen är kopplad till en klimatmodell för att relatera CO ₂ nivåer till globala temperaturer och nederbörd.

De fann att ökningen av landarean längs den sydöstra kanten av Stilla havet motsvarade global kylning, som rekonstruerade från syreisotopkompositioner i havssediment. Koldioxidnivåerna som härleds från modellen matchar också vissa mätningsbaserade uppskattningar, även om Swanson-Hysell medger att uppskattning av CO ₂ nivåer för mer än en miljon år sedan är svårt och osäkert.

Baserat på deras modell, kemisk vittring enbart på de sydostasiatiska öarna minskade CO ₂ nivåer från mer än 500 miljondelar (ppm) för 15 miljoner år sedan till cirka 400 ppm för 5 miljoner år sedan och, till sist, till förindustriella nivåer på 280 ppm. Förbränning av fossila bränslen har nu höjt nivån av koldioxid i atmosfären till 411 ppm - nivåer som inte har setts på jorden på miljontals år.

Medan tröskeln för arktisk glaciation uppskattas till cirka 280 ppm koldioxid, tröskeln för bildande av inlandsis på sydpolen är mycket högre:cirka 750 ppm. Det var därför de antarktiska inlandsisarna började bildas mycket tidigare, för cirka 34 miljoner år sedan, än de i Arktis.

Även om forskarnas modell inte tillåter dem att isolera de klimatiska effekterna av Himalayas uppgång, Enbart deras sydostasiatiska ö-scenario kan förklara utseendet på inlandsisar på norra halvklotet. De undersökte effekten av vulkaniska händelser som inträffade ungefär samtidigt, inklusive massiva lavaflöden, eller översvämningsbasalter, som de i Etiopien och Nordamerika (columbianska fällor). Även om vittring av sådana stenar har föreslagits som en istidsutlösare, modellen visar att denna aktivitet spelade en mindre roll, jämfört med ökningen av de sydostasiatiska öarna.

"Dessa resultat visar att jordens klimattillstånd är särskilt känsligt för förändringar i tropisk geografi, ", avslutar författarna.

Swanson-Hysell krediterar campus France-Berkeley Fund för att ha tillhandahållit resurser för ett inledande samarbete med Goddéris som ledde till ett stort samarbetsbidrag från National Science Foundations (NSF:s) Frontier Research in Earth Science-program för att fortsätta forskningen som resulterade i detta dokument.

Det fransk-amerikanska laget planerar att modellera andra tidigare istider, inklusive den i Ordoviciumperioden för 445 miljoner år sedan som, under 2017, Swanson-Hysell och Macdonald föreslog utlöstes av en kollision liknande den som inträffar idag på de sydostasiatiska öarna. Den kollisionen ägde rum under den första fasen av bergsbyggnaden i Appalacherna, när dagens östra USA låg i tropikerna.