Een daling van het kooldioxidegehalte in de atmosfeer (CO2) leidde ongeveer een miljoen jaar geleden tot een fundamentele verschuiving in het gedrag van het klimaatsysteem van de aarde, volgens nieuw onderzoek onder leiding van de Universiteit van Southampton.

Een team van internationale wetenschappers gebruikte nieuwe geochemische metingen, gekoppeld aan een model van het 'systeem van de aarde', om aan te tonen dat de groei en de veranderende aard van continentale ijskappen, ongeveer een miljoen jaar geleden, viel samen met een cascade van gebeurtenissen die uiteindelijk de atmosferische CO2 verlaagden tijdens glaciale intervallen - perioden waarin de aarde extreme kou ervoer.

De onderzoekers hebben aangetoond dat deze verandering de sleutel was tot wat bekend staat als de Mid-Pleistoceen Transition (MPT), die duurde ongeveer 400, 000 jaar. De MPT had langdurige effecten op de frequentie waarmee de aarde overging tussen perioden van warm en koud klimaat, (de 'ijstijdcycli').

De bevindingen van de studie zijn gepubliceerd in het tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences .

Gedurende een groot deel van de laatste drie miljoen jaar is het klimaat op aarde natuurlijk elke 40 000 jaar vanaf ijskoude ijstijden, waar continentaal ijs een groot deel van Noord-Amerika en Europa bedekte, aan warme interglaciale klimaten zoals de pre-industriële periode, toen Europa en Noord-Amerika grotendeels ijsvrij waren.

Deze ijstijdcycli, ook bekend als Milankovitch Cycles naar de Servische wiskundige die ze ontdekte, worden versneld door regelmatige veranderingen in de manier waarop de aarde om de zon draait en om zijn as draait, veroorzaakt door de aantrekkingskracht van de andere planeten in ons zonnestelsel. Ongeveer een miljoen jaar geleden, tijdens de MPT, de periode van de cycli veranderde abrupt in elke 100, 000 jaar. Echter, deze overgang gaat niet gepaard met een verandering in de aard van de orbitale cycli en vormt dus een belangrijke uitdaging voor de Milankovitch-theorie om ijstijdcycli te verklaren.

Dokter Tom Chalk, een postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Southampton, die samen de studie leidde, legt uit:"We weten van bellen uit de oude atmosfeer die gevangen zitten in Antarctische ijskernen dat veranderingen in atmosferische CO2 gepaard gingen met de recentere ijstijdcycli. CO2 was laag toen het koud was tijdens de ijstijden en het was hoger tijdens de ijstijd warme interglacialen - op deze manier fungeerde het als een belangrijke versterker van de relatief kleine klimaatforcering van de orbitale cycli. de ijskernrecords gaan slechts terug tot ongeveer 800, 000 jaar geleden en ga dus niet verder dan dit belangrijke overgangsinterval. Om de oorzaak van de MPT beter te begrijpen, we hadden een manier nodig om CO2 verder terug in de tijd te reconstrueren."

Om dit te doen, het team gebruikte een techniek op basis van de boorisotopensamenstelling van de schelpen van oude zeefossielen genaamd 'foraminiferen'. Dit zijn minuscule mariene plankton die in de buurt van het zeeoppervlak leven en de chemische samenstelling van hun microscopische schelpen registreert de omgevingsomstandigheden van de tijd dat ze leefden, miljoenen jaren geleden.

Professor Gavin Foster, van de Universiteit van Southampton, vervolgt:"Van deze boorisotoopmetingen konden we ongeveer 1,1 miljoen jaar geleden een momentopname van de variabiliteit in atmosferische CO2 herstellen. We waren in staat om te laten zien, voor de eerste keer dat net als in het ijskernrecord, CO2 en klimaat varieerden in tandem. Er waren echter twee belangrijke verschillen:ten eerste, tijdens de ijstijden voor de MPT, CO2 daalde niet zo laag als in het ijskernrecord na de MPT, ongeveer 20-40 delen per miljoen (ppm) hoger blijven. Ten tweede, het klimaatsysteem was ook gevoeliger voor veranderende CO2 na de MPT dan ervoor."

Het klimaatsysteem van de aarde is zeer complex en de verschillende onderlinge verbanden tussen de talrijke processen en terugkoppelingen kunnen het best worden begrepen binnen een computationeel modelleringskader. Dr Mathis Hain, een NERC Independent Research Fellow aan de Universiteit van Southampton, toegevoegd:"Om te bepalen waarom CO2 in de ijstijd met 20-40 ppm in de MPT is afgenomen, hebben we een biogeochemisch model gebruikt. Ons beste model dat past bij de beschikbare gegevens suggereert dat de verminderde CO2-opname tijdens ijstijden voorafgaand aan de MPT als gevolg van een verminderde stofstroom naar de Zuidelijke Oceaan op dit moment. Een hogere stofstroom tijdens recentere ijstijden bracht het broodnodige ijzer naar dat gebied, het stimuleren van de primaire productiviteit en de groei van fytoplankton, meer CO2 opsluiten in de diepe oceaan. We weten nog niet precies waarom het klimaat stoffiger werd na MPT, maar het komt waarschijnlijk doordat de ijskappen groter worden en de atmosferische circulatie verandert."

In de afgelopen 20 jaar zijn er veel verschillende ideeën geweest om deze belangrijke klimaattransitie te verklaren, sommigen hebben opgeroepen tot veranderingen in de aard van de ijskappen zelf, anderen over atmosferische CO2-verandering. Wat de nieuwe gegevens en modellering van het team laten zien, is dat wat er in werkelijkheid gebeurde een mix was van beide soorten ideeën - het klimaat en de ijskappen werden gevoeliger, dit leidde tot grotere ijskappen, en dit leidde op zijn beurt tot een verhoogde CO2-opname. Zoals met veel facetten van het aardse systeem werkten deze veranderingen in een vicieuze cirkel, elkaar voeden, uiteindelijk het ondersteunen van langere ijstijden na de MPT.

Er valt nog veel te ontdekken over hoe het systeem op aarde reageert op klimaatforcering. Deze studie, echter, illustreert de voortreffelijke koppeling die in het aardsysteem bestaat tussen klimaatverandering, ijskapmassa, en de mechanismen van de pooloceaan die de natuurlijke CO2-verandering reguleren.