De oceanen zijn de belangrijkste opslagplaats van koolstofdioxide in de atmosfeer op tijdschalen van decennia tot millennia. Maar het proces van het opsluiten van broeikasgassen wordt verzwakt door de activiteit van de Zuidelijke Oceaan, dus een toename van zijn activiteit zou de mysterieuze warmte van de afgelopen 11 kunnen verklaren, 000 jaar, meldt een internationaal team van onderzoekers.

De warmte van die periode werd gestabiliseerd door een geleidelijke stijging van het wereldwijde koolstofdioxidegehalte, dus het is van groot belang om de reden voor die stijging te begrijpen, zei Daniel Sigman, de Dusenbury hoogleraar geologische en geofysische wetenschappen aan Princeton.

Wetenschappers hebben verschillende hypothesen voorgesteld voor die toename van koolstofdioxide, maar de uiteindelijke oorzaak is onbekend gebleven. Nutsvoorzieningen, een internationale samenwerking onder leiding van wetenschappers van Princeton en het Max Planck Institute for Chemistry wijst op een toename van de opwelling van de Zuidelijke Oceaan. Hun onderzoek verschijnt in het huidige nummer van het tijdschrift Natuur Geowetenschappen .

"We denken dat we het antwoord hebben gevonden, "Zei Sigman. "Door de verhoogde circulatie in de Zuidelijke Oceaan kon koolstofdioxide in de atmosfeer lekken, werken om de planeet te verwarmen."

Hun bevindingen over oceaanveranderingen kunnen ook implicaties hebben voor het voorspellen hoe de opwarming van de aarde de oceaancirculatie zal beïnvloeden en hoeveel koolstofdioxide in de atmosfeer zal stijgen als gevolg van verbranding van fossiele brandstoffen.

Voor jaren, onderzoekers weten dat de groei en het zinken van fytoplankton koolstofdioxide diep in de oceaan pompt, een proces dat vaak de 'biologische pomp' wordt genoemd. De biologische pomp wordt voornamelijk aangedreven door de oceaan op lage breedtegraad, maar wordt dichter bij de polen ongedaan gemaakt, waar kooldioxide wordt teruggevoerd naar de atmosfeer door de snelle blootstelling van diep water aan de oppervlakte, zei Sigman. De ergste dader is de Zuidelijke Oceaan, die Antarctica omringt. "We noemen de Zuidelijke Oceaan vaak een lek in de biologische pomp, ' zei Sigman.

Sigman en zijn collega's hebben ontdekt dat een toename van de opwelling van de Zuidelijke Oceaan verantwoordelijk kan zijn voor het stabiliseren van het klimaat van het Holoceen, de periode die meer dan 10 bereikt, 000 jaar voor de industriële revolutie.

De meeste wetenschappers zijn het erover eens dat de warmte van het Holoceen van cruciaal belang was voor de ontwikkeling van de menselijke beschaving. Het Holoceen was een "interglaciale periode, " een van de zeldzame perioden van warm klimaat die zich hebben voorgedaan tijdens de ijstijdcycli van de afgelopen miljoen jaar. De terugtrekking van de gletsjers opende een uitgestrekter landschap voor de mens, en de hogere concentraties kooldioxide in de atmosfeer zorgden voor een productievere landbouw, waardoor mensen hun jager-verzamelactiviteiten konden verminderen en permanente nederzettingen konden bouwen.

Het Holoceen verschilde op een aantal belangrijke punten van andere interglaciale perioden, zeggen de onderzoekers. Voor een, het klimaat was ongewoon stabiel, without the major cooling trend that is typical of the other interglacials. Ten tweede, the concentration of carbon dioxide in the atmosphere rose about 20 parts per million (ppm), from 260 ppm in the early Holocene to 280 ppm in the late Holocene, whereas carbon dioxide was typically stable or declined over other interglacial periods.

Ter vergelijking, since the beginning of industrialization until now, the carbon dioxide concentration in the atmosphere has increased from 280 to more than 400 ppm as a consequence of burning fossil fuels.

"In this context, the 20 ppm increase observed during the Holocene may seem small, " said Sigman. "However, scientists think that this small but significant rise played a key role in preventing progressive cooling over the Holocene, which may have facilitated the development of complex human civilizations."

In order to study the potential causes of the Holocene carbon dioxide rise, the researchers investigated three types of fossils from several different areas of the Southern Ocean:diatoms and foraminifers, both shelled microorganisms found in the oceans, and deep-sea corals.

From the nitrogen isotope ratios of the trace organic matter trapped in the mineral walls of these fossils, the scientists were able to reconstruct the evolution of nutrient concentrations in Southern Ocean surface waters over the past 10, 000 jaar.

"The method we used to analyze the fossils is unique and provides a new way to study past changes in ocean conditions, " says Anja Studer, eerste auteur van de studie, who performed the research while a graduate student working with Sigman's lab.

The fossil-bound nitrogen isotope measurements indicate that during the Holocene, increasing amounts of water, rich in nutrients and carbon dioxide, welled up from the deep ocean to the surface of the Southern Ocean. While the cause for the increased upwelling is not yet clear, the most likely process appears to be a change in the "Roaring 40s, " a belt of eastward-blowing winds that encircle Antarctica.

Because of the enhanced Southern Ocean upwelling, the biological pump weakened over the Holocene, allowing more carbon dioxide to leak from the deep ocean into the atmosphere and thus possibly explaining the 20 ppm rise in atmospheric carbon dioxide.

"This process is allowing some of that deeply stored carbon dioxide to invade back to the atmosphere, " said Sigman. "We're essentially punching holes in the membrane of the biological pump."

The increase in atmospheric carbon dioxide levels over the Holocene worked to counter the tendency for gradual cooling that dominated most previous interglacials. Dus, the new results suggest that the ocean may have been responsible for the "special stability" of the Holocene climate.

The same processes are at work today:The absorption of carbon by the ocean is slowing the rise in atmospheric carbon dioxide produced by fossil fuel burning, and the upwelling of the Southern Ocean is still allowing some of that carbon dioxide to vent back into the atmosphere.

"If the findings from the Holocene can be used to predict how Southern Ocean upwelling will change in the future, it will improve our ability to forecast changes in atmospheric carbon dioxide and thus in global climate, " said Sigman.