Varje år, havsisen i Ishavet krymper till en låg punkt i mitten av september. I år mäter den bara 1,44 miljoner kvadratkilometer (3,74 miljoner kvadratkilometer) – det näst lägsta värdet på de 42 åren sedan satelliter började göra mätningar. Isen täcker idag bara 50 % av den yta den täckte för 40 år sedan på sensommaren.

Som den mellanstatliga panelen för klimatförändringar har visat, Koldioxidhalterna i atmosfären är högre än någon gång i mänsklighetens historia. Förra gången den atmosfäriska CO ₂ koncentrationerna nådde dagens nivå – cirka 412 miljondelar – var för 3 miljoner år sedan, under pliocentiden.

Som geovetare som studerar utvecklingen av jordens klimat och hur det skapar förutsättningar för liv, vi ser de förändrade förhållandena i Arktis som en indikator på hur klimatförändringar kan förändra planeten. Om de globala utsläppen av växthusgaser fortsätter att öka, de skulle kunna återställa jorden till pliocena förhållanden, med högre havsnivåer, förändrade vädermönster och förändrade förhållanden i både den naturliga världen och mänskliga samhällen.

Pliocen Arktis

Vi är en del av ett team av forskare som analyserade sedimentkärnor från sjön El'gygytgyn i nordöstra Ryssland 2013 för att förstå Arktis klimat under högre atmosfäriska koldioxidnivåer. Fossila pollen bevarade i dessa kärnor visar att Pliocen Arktis skilde sig mycket från dess nuvarande tillstånd.

Idag är Arktis en trädlös slätt med endast gles tundravegetation, som gräs, starr och några blommande växter. I kontrast, de ryska sedimentkärnorna innehöll pollen från träd som lärk, gran, gran och hemlock. Detta visar att boreala skogar, som idag slutar hundratals mil längre söderut och västerut i Ryssland och vid polcirkeln i Alaska, nådde en gång hela vägen till Ishavet över stora delar av det arktiska Ryssland och Nordamerika.

Eftersom Arktis var mycket varmare under Pliocen, Grönlandsisen fanns inte. Små glaciärer längs Grönlands bergiga östkust var bland de få platser med helårsis i Arktis. Pliocene jorden hade is bara i ena änden - i Antarktis - och den isen var mindre omfattande och mer känslig för smältning.

Eftersom haven var varmare och det inte fanns några stora inlandsisar på norra halvklotet, Havsnivåerna var 30 till 50 fot (9 till 15 meter) högre runt om i världen än de är idag. Kustlinjerna låg långt in i landet från deras nuvarande lägen. De områden som nu är Kaliforniens Central Valley, Floridahalvön och Gulf Coast var alla under vattnet. Så var landet där stora kuststäder som New York, Miami, Los Angeles, Houston och Seattle står.

Varmare vintrar över det som nu är det västra USA:s reducerade snöpaket, som i dag förser mycket av regionens vatten. Dagens Mellanvästern och Great Plains var så mycket varmare och torrare att det skulle ha varit omöjligt att odla majs eller vete där.

Varför var det så mycket CO ₂ i pliocen?

Hur gjorde CO ₂ koncentrationer under pliocen nå nivåer som liknar dagens? Människor skulle inte dyka upp på jorden på minst en miljon år till, och vår användning av fossila bränslen är ännu nyare. Svaret är att vissa naturliga processer som har inträffat på jorden under hela dess historia släpper ut CO ₂ till atmosfären, medan andra konsumerar det. Huvudsystemet som håller denna dynamik i balans och kontrollerar jordens klimat är en naturlig global termostat, regleras av bergarter som kemiskt reagerar med CO ₂ och dra ut den ur atmosfären.

I jordar, vissa stenar bryts ständigt ned till nya material i reaktioner som förbrukar CO ₂ . Dessa reaktioner tenderar att påskyndas när temperaturer och nederbörd är högre - exakt de klimatförhållanden som uppstår när koncentrationerna av växthusgaser i atmosfären stiger.

Men denna termostat har en inbyggd kontroll. När CO ₂ och temperaturen ökar och stenvittringen accelererar, det drar mer CO ₂ från atmosfären. Om CO ₂ börjar falla, kyler temperaturer och stenvittring saktar ner globalt, drar ut mindre CO ₂ .

Bergvittringsreaktioner kan också fungera snabbare där marken innehåller massor av nyligen exponerade mineralytor. Exempel inkluderar områden med hög erosion eller perioder då jordens tektoniska processer pressade land uppåt, skapa stora bergskedjor med branta sluttningar.

Bergvittringstermostaten arbetar i en geologiskt långsam takt. Till exempel, i slutet av dinosauriernas tidsålder för cirka 65 miljoner år sedan, forskare uppskattar att atmosfärisk CO ₂ nivåerna var mellan 2, 000 och 4, 000 delar per miljon. Det tog över 50 miljoner år att minska dem naturligt till cirka 400 miljondelar i Pliocen.

Eftersom naturliga förändringar i CO ₂ nivåerna gick väldigt långsamt, cykliska förändringar i jordens klimatsystem var också mycket långsamma. Ekosystemen hade miljontals år på sig att anpassa sig, anpassa sig och sakta reagera på förändrade klimat.

En pliocen-liknande framtid?

Idag är mänskliga aktiviteter överväldigande de naturliga processer som drar CO ₂ ut ur atmosfären. I början av den industriella eran 1750, atmosfärisk CO ₂ låg på cirka 280 delar per miljon. Det har tagit människor bara 200 år att helt vända den bana som började för 50 miljoner år sedan och återföra planeten till CO ₂ nivåer som inte upplevts på miljontals år.

Det mesta av det skiftet har skett sedan andra världskriget. Årliga ökningar på 2-3 delar per miljon är nu vanliga. Och som svar, jorden värms upp i snabb takt. Sedan ungefär 1880 har planeten värmts upp med 1 grad Celsius (2 grader Fahrenheit) – många gånger snabbare än någon uppvärmningsepisod under de senaste 65 miljoner åren av jordens historia.

I Arktis, förluster av reflekterande snö och istäcke har förstärkt denna uppvärmning till +5 C (9 F). Som ett resultat, sommartid är täckningen av arktisk havsis trender allt lägre. Forskare räknar med att Arktis kommer att vara helt isfritt på sommaren inom de kommande två decennierna.

Detta är inte det enda beviset på drastisk uppvärmning i Arktis. Forskare har registrerat extrema sommarsmältningshastigheter över Grönlands inlandsis. I början av augusti, Kanadas sista återstående ishylla, i Nunavuts territorium, kollapsade i havet. Delar av arktiska Sibirien och Svalbard, en grupp norska öar i Ishavet, nådde rekordhöga temperaturer i somras.

Kuststäder, jordbruksbrödkorgsregioner och vattenförsörjning för många samhällen kommer alla att vara radikalt annorlunda om denna planet återgår till en pliocen CO ₂ värld. Denna framtid är inte oundviklig – men att undvika den kommer att kräva stora steg nu för att minska användningen av fossila bränslen och sänka jordens termostat.

Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln.