Denna kiselalgerart, Fragilariopsis kerguelensis, är en flytande alg som är riklig i Antarktiska oceanen och som var den största arten i proverna som samlades in för studien av Princeton University och Max Planck Institute for Chemistry. Dessa mikroskopiska organismer lever nära havsytan, dör sedan och sjunker till havsbotten. Kväveisotoperna i deras skal varierar med mängden oanvänt kväve i ytvattnet. Forskarna använde det för att spåra kvävekoncentrationer i Antarktis ytvatten under de senaste 150, 000 år, som täcker två istider och två varma mellanistider. Kredit:Philipp Assmy (Norska Polarinstitutet) och Marina Montresor (Stazione Zoologica Anton Dohrn)
De senaste miljoner åren av jordens historia har kännetecknats av frekventa "glacial-interglaciala cykler, " stora svängningar i klimatet som är kopplade till växande och krympande av massiva, kontinentspännande inlandsisar. Dessa cykler utlöses av subtila svängningar i jordens omloppsbana och rotation, men orbitalsvängningarna är för subtila för att förklara de stora klimatförändringarna.
"Orsaken till istiderna är ett av de stora olösta problemen inom geovetenskaperna, sa Daniel Sigman, Dusenbury professor i geologiska och geofysiska vetenskaper. "Att förklara detta dominerande klimatfenomen kommer att förbättra vår förmåga att förutsäga framtida klimatförändringar."
På 1970-talet forskare upptäckte att koncentrationen av den atmosfäriska växthusgasen koldioxid (CO 2 ) var cirka 30 % lägre under istiderna. Det föranledde teorier om att minskningen av atmosfärisk CO 2 nivåer är en nyckelingrediens i glaciationscyklerna, men orsakerna till CO 2 förändringen förblev okänd. Vissa uppgifter tydde på att under istider, CO 2 var fången i det djupa havet, men orsaken till detta diskuterades.
Nu, ett internationellt samarbete ledd av forskare från Princeton University och Max Planck Institute for Chemistry (MPIC) har hittat bevis som tyder på att under istider, förändringar i ytvattnet i Antarktiska havet arbetade för att lagra mer CO 2 i det djupa havet. Med hjälp av sedimentkärnor från Antarktiska havet, forskarna genererade detaljerade register över den kemiska sammansättningen av organiskt material som fångats i fossiler av kiselalger - flytande alger som växte i ytvattnet, dog sedan och sjönk till havsbotten. Deras mätningar ger bevis för systematiska minskningar av vinddrivna uppvallningar i Antarktiska havet under istiderna. Forskningen visas i det aktuella numret av tidskriften Vetenskap .
I årtionden, forskare har känt till att tillväxten och sjunkandet av marina algpumpar CO 2 djupt ner i havet, en process som ofta kallas den "biologiska pumpen". Den biologiska pumpen drivs mestadels av den tropiska, subtropiska och tempererade hav och är ineffektivt närmare polerna, där CO 2 ventileras tillbaka till atmosfären genom den snabba exponeringen av djupa vatten till ytan. Den värsta förövaren är Antarktiska havet:de starka östliga vindarna som omger den antarktiska kontinenten drar CO 2 -rikt djupt vatten upp till ytan, "läckande" CO 2 till atmosfären.
Potentialen för en minskning av vinddriven uppvallning för att behålla mer CO 2 i havet, och därmed för att förklara istidens atmosfäriska CO 2 neddragning, har också erkänts i decennier. Tills nu, dock, forskare har saknat ett sätt att entydigt testa för en sådan förändring.
Princeton-MPIC-samarbetet har utvecklat ett sådant tillvägagångssätt, med små kiselalger. Kiselalger är flytande alger som växer rikligt i antarktiska ytvatten, och deras kiseldioxidskal ackumuleras i djuphavssediment. Kväveisotoperna i kiselalgers skal varierar med mängden oanvänt kväve i ytvattnet. Princeton-MPIC-teamet mätte kväveisotopförhållandena för spåret av organiskt material som fångats i mineralväggarna hos dessa fossiler, som avslöjade utvecklingen av kvävekoncentrationer i Antarktis ytvatten under de senaste 150, 000 år, som täcker två istider och två varma mellanistider.
"Analys av kväveisotoperna fångade i fossiler som kiselalger avslöjar kvävekoncentrationen på ytan i det förflutna, sa Ellen Ai, första författare till studien och en Princeton doktorand som arbetar med Sigman och med grupperna Alfredo Martínez-García och Gerald Haug vid MPIC. "Djupt vatten har höga koncentrationer av det kväve som alger är beroende av. Ju mer uppströmning som sker i Antarktis, desto högre kvävekoncentration i ytvattnet. Så våra resultat gjorde det också möjligt för oss att rekonstruera Antarktis uppströmningsförändringar."
Denna kiselalgerart, Fragilariopsis kerguelensis, är en flytande alg som är riklig i Antarktiska oceanen och som var den största arten i proverna som samlades in för studien av Princeton University och Max Planck Institute for Chemistry. Dessa mikroskopiska organismer lever nära havsytan, dör sedan och sjunker till havsbotten. Kväveisotoperna i deras skal varierar med mängden oanvänt kväve i ytvattnet. Forskarna använde det för att spåra kvävekoncentrationer i Antarktis ytvatten under de senaste 150, 000 år, som täcker två istider och två varma mellanistider. Kredit:(c) Michael Kloster, Alfred-Wegener-institutet
Uppgifterna gjordes mer kraftfulla genom en ny metod för att datera de antarktiska sedimenten. Ytvattentemperaturförändringen rekonstruerades i sedimentkärnorna och jämfördes med antarktiska iskärnregistrerade lufttemperaturer.
"Detta gjorde det möjligt för oss att koppla många funktioner i kiselalgerkväveregistret till sammanfallande klimat- och havsförändringar från hela världen, " sa Martínez-García. "I synnerhet, vi kan nu fastställa tidpunkten för uppväxtnedgången, när klimatet börjar svalna, samt att koppla samman uppströmningsförändringar i Antarktis med de snabba klimatsvängningarna under istider."
Denna mer exakta timing gjorde det möjligt för forskarna att komma in i vindarna som den viktigaste drivkraften för uppväxlingsförändringarna.
De nya rönen gjorde det också möjligt för forskarna att reda ut hur förändringarna i Antarktis uppströmning och atmosfärisk CO 2 är kopplade till glaciationscyklernas orbitala triggers, föra forskarna ett steg närmare en fullständig teori om istidernas ursprung.
"Våra resultat visar att uppströmningsdriven atmosfärisk CO 2 förändring var central i cyklerna, men inte alltid på det sätt som många av oss hade trott, sade Sigman. Till exempel, snarare än att påskynda nedstigningen till istiderna, Antarktis uppströmning orsakade CO 2 förändringar som förlängde de varmaste klimaten."
Deras resultat har också konsekvenser för att förutsäga hur havet kommer att reagera på den globala uppvärmningen. Datormodeller har gett tvetydiga resultat om polarvindarnas känslighet för klimatförändringar. Forskarnas observation av en stor intensifiering av vinddriven uppvallning i Antarktiska oceanen under tidigare varma perioder tyder på att uppströmningen också kommer att förstärkas under den globala uppvärmningen. Starkare Antarktis uppströmning kommer sannolikt att påskynda havets absorption av värme från pågående global uppvärmning, samtidigt som de påverkar de biologiska förhållandena i Antarktiska havet och isen på Antarktis.
"De nya rönen tyder på att atmosfären och havet runt Antarktis kommer att förändras kraftigt under det kommande århundradet, sade Ai. eftersom CO 2 från förbränning av fossila bränslen är unik för dagens tid, mer arbete krävs för att förstå hur förändringar i Antarktiska havet kommer att påverka den hastighet med vilken havet absorberar denna CO 2 ."
"Södra havets uppväxt, Jordens snedhet, och glacial-interglacial atmosfärisk CO 2 förändring" av Xuyuan Ellen Ai, Anja S. Studer, Daniel M. Sigman, Alfredo Martínez-García, François Fripiat, Lena M. Thöle, Elisabeth Michel, Julia Gottschalk, Laura Arnold, Simone Moretti, Mareike Schmitt, Sergey Oleynik, Samuel L. Jaccard och Gerald H. Haug visas i numret 11 december av Vetenskap .
