Genom att analysera ovanliga stenprover som samlades in för flera år sedan i Antarktis, har forskare vid University of California, Santa Cruz, upptäckt en anmärkningsvärd registrering av hur det östra Antarktiska istäcket har reagerat på förändringar i klimatet under en period av 100 000 år under sen pleistocen.

Östantarktiska istäcket är världens största ismassa. Att förstå dess känslighet för klimatförändringar är avgörande för ansträngningar att beräkna hur mycket havsnivån kommer att stiga när den globala temperaturen ökar. Nyligen genomförda studier tyder på att det kan vara mer känsligt för isförlust än man tidigare trott.

Den nya studien, publicerad 15 september i Nature Communications , ger bevis på förändringar vid basen av inlandsisen över ett brett område som svar på cykliska förändringar i klimatet under Pleistocen. Förändringarna återspeglas i de typer av mineral som deponeras vid botten av inlandsisen.

"En av de viktigaste resultaten är att inlandsisen reagerade på temperaturförändringar i södra oceanen", säger medförfattaren Terrence Blackburn, docent i jord- och planetvetenskap vid UC Santa Cruz. "Det varma vattnet äter vid kanterna av inlandsisen och får isen att flöda snabbare, och den reaktionen når djupt in i inlandsisens hjärta."

De stenprover som analyserades i studien består av alternerande lager av opal och kalcit som bildades som mineralavlagringar vid inlandsisens bas, som registrerar cykliska förändringar i sammansättningen av subglaciala vätskor.

"Varje lager i dessa prover är en manifestation av en förändring vid basen av inlandsisen som drivs av förändringar i isströmmarnas rörelse", säger första författaren Gavin Piccione, en Ph.D. kandidat som arbetar med Blackburn vid UCSC.

Genom att datera skikten fann forskarna en slående korrelation mellan skikten av mineralavlagringar och registreringen av polära havstemperaturer som härrör från iskärnor. Opalen avsattes under kalla perioder och kalcit under varma perioder.

"Dessa klimatsvängningar orsakar förändringar i inlandsisens beteende så att kemin och hydrologin under isen förändras", säger medförfattaren Slawek Tulaczyk, professor i jord- och planetvetenskap vid UCSC som har studerat beteendet hos inlandsisar och glaciärer för decennier.

Klimatcyklerna som matchar minerallagren är relativt små fluktuationer som inträffar med några tusen års mellanrum inom de mer uttalade glacial-interglaciala cyklerna som inträffade vart 100 000:e år eller så under hela Pleistocen. De glacial-interglaciala cyklerna drivs främst av förändringar i jordens omloppsbana runt solen. De mindre klimatcyklerna i millennieskala involverar svängningar i polära temperaturer som drivs av försvagning och förstärkning av en stor havsström (Atlantic Meridional Overturning Circulation, eller AMOC) som transporterar stora mängder värme norrut genom Atlanten.

Tulaczyk sa att de nya fynden avslöjar den antarktiska inlandsisens känslighet för små, kortsiktiga klimatfluktuationer.

"Lika viktigt som det antarktiska inlandsisen är - det är ansvarigt för nära 17 meters havsnivåhöjning sedan det senaste glaciala maximumet - vi vet egentligen väldigt lite om hur det har reagerat på klimatförändringar," sa han. "Vi känner till de senaste 20 000 åren ganska väl, men utöver det har vi varit nästan blinda. Det är därför dessa resultat är så häpnadsväckande. Människor har slagit huvudet i väggen över detta i decennier."

De två stenproverna som analyserades för denna studie samlades in från glaciala moräner åtskilda av mer än 900 kilometer (560 miles), och de bildades under olika perioder som täcker totalt mer än 100 000 år. Med andra ord, de registrerar liknande cykler av mineralavsättning under isen som sker över ett brett område och under långa tidsperioder.

"Kemin i de två proverna stämde överens, även om de kom så långt ifrån varandra, vilket gav oss förtroende för att någon storskalig, systematisk process pågick", sa Piccione.

Mekanismen bakom bildandet av lager av opal och kalcit är lite komplicerad och kräver förståelse för inte bara mineralkemi utan också den ovanliga hydrologin under den antarktiska inlandsisen. Värme från jordens inre ("geotermisk uppvärmning") orsakar smältning vid basen av inlandsisen, som är isolerad från iskalla polära temperaturer av isens tjocklek. Där isen blir tunnare mot inlandsisens kanter, börjar subglacialt smältvatten att återfrysa, koncentrera lösta mineraler och så småningom bilda hypersaltlösningar.

Mineralavlagringar bildas när vattnet koncentreras genom återfrysning, och det första som fälls ut är kalcit, den vanligaste formen av kalciumkarbonat. Opal (amorf kiseldioxid) kommer så småningom att fällas ut från äldre, övermättade saltlösningar som inte har något kol kvar i sig.

"Antarktis har dessa intressanta saltlösningar utan kol i dem, eftersom allt fälldes ut tidigare, så när dessa saltlösningar isoleras från andra vattenkällor bildar de opal," förklarade Piccione.

För att få ett lager av kalcit ovanpå opalen krävs ett inflöde av kolhaltigt glacialt smältvatten, vilket sker under varma intervall i klimatcyklerna, då AMOC saktar ner. Det leder till uppvärmning på södra halvklotet och för varmt vatten i kontakt med de flytande ishyllorna vid kanterna av inlandsisen. När det varma vattnet tär på botten av ishyllorna börjar "jordningslinjen" där isen kommer i kontakt med land dra sig tillbaka och is flyter snabbare från det inre ut till kanterna.

Tulaczyk förklarade att isens rörelse över berggrunden genererar värme, vilket ökar mängden smältvatten vid inlandsisens bas. "Om du föreställer dig en karta över var det finns smältvatten under inlandsisen, expanderar området i varma perioder och drar ihop sig i kalla perioder, som ett hjärtslag," sa han.

De resulterande "frys-spolningscyklerna" vid basen av isen står för de alternerande lagren av opal och kalcit i stenarna.

Fynden pekar på vattentemperaturer i södra oceanen som den huvudsakliga mekanismen som driver svaret från den antarktiska istäcket på förändringar i det globala klimatet. Temperaturerna i Antarktis är så kalla att några graders uppvärmning inte kommer att orsaka ytsmältning av isen, men forskarna vet att inlandsisen har smält tidigare och delar av den har kollapsat, sa Blackburn. "Det har varit svårt att förstå, men det här visar tydligt att havsuppvärmningen är drivmekanismen", sa han.

"Om du tittar på de platser som förlorar is idag, är de koncentrerade längs kanterna på inlandsisen där det är i kontakt med det värmande havet," tillade Tulaczyk. "Den primära drivkraften bakom havsuppvärmningen nu är atmosfärens koldioxid, inte AMOC, men jag tror inte att inlandsisen bryr sig om vad som orsakar uppvärmningen."

Tulaczyk sa att fynden visar att inlandsisen kan dra sig tillbaka under varma perioder och sedan återhämta sig under efterföljande avkylning. "I samband med tröskelfrågan - sitter inlandsisen på en tröskel bortom vilken det skulle komma att smälta och allt kommer att gå - det är inte vad jag ser här," sa han. "Isen är känslig för dessa kortsiktiga fluktuationer, men omfattningen av isförlusten är liten nog att den kan återhämta sig med avkylning." + Utforska vidare

Ny studie visar reträtt av östra Antarktis istäcke under tidigare varma perioder