Det blir allt tydligare att de utdragna torkan, rekordstor värme, ihållande skogsbränder, och ofta, mer extrema stormar som upplevts de senaste åren är ett direkt resultat av stigande globala temperaturer orsakade av människors tillförsel av koldioxid till atmosfären. Och en ny MIT-studie om extrema klimathändelser i jordens antika historia tyder på att dagens planet kan bli mer flyktig när den fortsätter att värmas upp.

Studien, dyker upp idag i Vetenskapens framsteg , undersöker paleoklimatrekordet för de senaste 66 miljoner åren, under den kenozoiska eran, som började kort efter dinosauriernas utrotning. Forskarna fann att under denna period, fluktuationer i jordens klimat upplevde en överraskande "uppvärmningsbias". Med andra ord, det var mycket fler uppvärmningshändelser – perioder av långvarig global uppvärmning, varar i tusentals till tiotusentals år — än kylande händelser. Vad mer, uppvärmningshändelser tenderade att vara mer extrema, med större temperaturförändringar, än kylande händelser.

Forskarna säger att en möjlig förklaring till denna uppvärmningsbias kan ligga i en "multiplikatoreffekt, "varvid en blygsam grad av uppvärmning - till exempel från vulkaner som släpper ut koldioxid i atmosfären - naturligtvis påskyndar vissa biologiska och kemiska processer som förstärker dessa fluktuationer, ledande, i genomsnitt, till ännu mer uppvärmning.

Intressant, teamet observerade att denna uppvärmningsbias försvann för cirka 5 miljoner år sedan, runt den tid då inlandsisar började bildas på norra halvklotet. Det är oklart vilken effekt isen har haft på jordens svar på klimatförändringar. Men när dagens arktiska is drar tillbaka, den nya studien tyder på att en multiplikatoreffekt kan slå tillbaka, och resultatet kan bli en ytterligare förstärkning av mänskligt inducerad global uppvärmning.

"Norra halvklotets inlandsisar krymper, och kan potentiellt försvinna som en långsiktig konsekvens av mänskliga handlingar", säger studiens huvudförfattare Constantin Arnscheidt, en doktorand vid MIT:s Department of Earth, Atmosfärs- och planetvetenskap. "Vår forskning tyder på att detta kan göra jordens klimat i grunden mer mottagligt för extrema, långvariga globala uppvärmningshändelser som de som setts i det geologiska förflutna."

Arnscheidts studiemedförfattare är Daniel Rothman, professor i geofysik vid MIT, och medgrundare och meddirektör för MIT:s Lorenz Center.

Ett flyktigt tryck.

För deras analys, teamet konsulterade stora databaser med sediment som innehåller djuphavsbottenlevande foraminifer – encelliga organismer som har funnits i hundratals miljoner år och vars hårda skal bevaras i sediment. Sammansättningen av dessa skal påverkas av havstemperaturerna när organismer växer; skalen anses därför vara en pålitlig proxy för jordens forntida temperaturer.

I årtionden, forskare har analyserat sammansättningen av dessa skal, samlat in från hela världen och daterat till olika tidsperioder, för att spåra hur jordens temperatur har fluktuerat under miljontals år.

"När du använder dessa data för att studera extrema klimathändelser, de flesta studier har fokuserat på individuella stora toppar i temperatur, typiskt en uppvärmning med några grader Celsius, " säger Arnscheidt. "Istället, vi försökte titta på den övergripande statistiken och överväga alla fluktuationer inblandade, istället för att välja ut de stora."

Teamet genomförde först en statistisk analys av data och observerade att, under de senaste 66 miljoner åren, fördelningen av globala temperaturfluktuationer liknade inte en vanlig klockkurva, med symmetriska svansar som representerar en lika stor sannolikhet för extrema varma och extrema kalla fluktuationer. Istället, kurvan var märkbart skev, snedställd mot mer varma än svala händelser. Kurvan uppvisade också en märkbart längre svans, representerar varma händelser som var mer extrema, eller högre temperatur, än de mest extrema kylahändelserna.

"Detta indikerar att det finns någon form av förstärkning i förhållande till vad du annars skulle ha förväntat dig, " säger Arnscheidt. "Allt pekar på något grundläggande som orsakar denna push, eller partiskhet mot uppvärmningshändelser."

"Det är rättvist att säga att jordsystemet blir mer flyktigt, i en värmande mening, " tillägger Rothman.

En värmande multiplikator

Teamet undrade om denna uppvärmningsbias kan ha varit ett resultat av "multiplikativt brus" i klimat-kolcykeln. Forskare har länge förstått att högre temperaturer, till en viss punkt, tenderar att påskynda biologiska och kemiska processer. Eftersom kolets kretslopp, som är en viktig drivkraft för långsiktiga klimatfluktuationer, är själv sammansatt av sådana processer, temperaturökningar kan leda till större fluktuationer, att påverka systemet mot extrema uppvärmningshändelser.

I matematik, det finns en uppsättning ekvationer som beskriver sådan allmän förstärkning, eller multiplikationseffekter. Forskarna tillämpade denna multiplikativa teori på sin analys för att se om ekvationerna kunde förutsäga den asymmetriska fördelningen, inklusive graden av dess snedhet och längden på dess svansar.

I slutet, de fann att uppgifterna, och den observerade snedvridningen mot uppvärmning, kan förklaras av den multiplikativa teorin. Med andra ord, det är mycket troligt att under de senaste 66 miljoner åren, perioder av måttlig uppvärmning förstärktes i genomsnitt ytterligare av multiplikatoreffekter, som reaktionen från biologiska och kemiska processer som ytterligare värmde planeten.

Som en del av studien, forskarna tittade också på sambandet mellan tidigare uppvärmningshändelser och förändringar i jordens omloppsbana. Under hundratusentals år, Jordens bana runt solen blir regelbundet mer eller mindre elliptisk. Men forskare har undrat varför många tidigare uppvärmningshändelser verkade sammanfalla med dessa förändringar, och varför dessa händelser har en överdriven uppvärmning jämfört med vad förändringen i jordens omloppsbana kunde ha åstadkommit på egen hand.

Så, Arnscheidt och Rothman inkorporerade jordens omloppsförändringar i den multiplikativa modellen och deras analys av jordens temperaturförändringar, och fann att multiplikatoreffekter förutsägbart kan förstärka, i genomsnitt, den blygsamma temperaturen stiger på grund av förändringar i jordens omloppsbana.

"Klimatet värmer och svalnar i takt med omloppsförändringar, men omloppscyklerna själva skulle förutsäga endast blygsamma förändringar i klimatet, " säger Rothman. "Men om vi betraktar en multiplikativ modell, sedan blygsam uppvärmning, parat med denna multiplikatoreffekt, kan resultera i extrema händelser som tenderar att inträffa samtidigt som dessa orbitala förändringar."

"Människor tvingar systemet på ett nytt sätt, Arnscheidt tillägger. "Och den här studien visar att, när vi höjer temperaturen, vi kommer sannolikt att interagera med dessa naturliga, förstärkande effekter."