In de afgelopen miljoen jaar, ijstijden zijn geïntensiveerd en verlengd. Volgens een onderzoek onder leiding van de Universiteit van Bern, deze voorheen onverklaarde klimaattransitie valt samen met een vermindering van de vermenging tussen diep- en oppervlaktewater in de Zuidelijke Oceaan. De studie bevestigt dat de Antarctische regio een cruciale rol speelt tijdens perioden van klimaatverandering.

Een analyse van mariene sedimenten verzameld op een diepte van meer dan 2 km heeft zojuist een antwoord gegeven op een van de raadsels van de klimaatgeschiedenis van de aarde:de overgang in het midden van het Pleistoceen, die ongeveer een miljoen jaar geleden begon. Daarna, ijstijden verlengd en geïntensiveerd, en de frequentie van hun cycli nam toe van 40, 000 jaar tot 100, 000 jaar. De studie, die in het tijdschrift verscheen Wetenschap , laat zien dat een van de sleutels tot dit fenomeen ligt in de diepe wateren van de Zuidelijke Oceaan rond Antarctica.

Oceaanwater bevat 60 keer meer koolstof dan de atmosfeer. Bijgevolg, kleine variaties in de kooldioxide (CO ₂ ) concentratie van de wateren spelen een grote rol bij klimaattransities. Onder leiding van Samuel Jaccard, SNSF-hoogleraar aan de Universiteit van Bern, de nieuwe studie volgde de evolutie van de vermenging tussen diepe en oppervlaktewateren in de Zuidelijke Oceaan. Mengen is een belangrijke factor in het wereldwijde klimaatsysteem, omdat het oceanische CO . met zich meebrengt ₂ naar het oppervlak, waar het in de atmosfeer terechtkomt.

De bevindingen tonen aan dat de menging aan het einde van de Midden-Pleistoceen-overgang aanzienlijk was verminderd, ongeveer 600, 000 jaar geleden. Bovendien, ze leggen uit hoe de verminderde menging de hoeveelheid CO . verminderde ₂ losgelaten door de oceaan, wat op zijn beurt het broeikaseffect verminderde en de ijstijden intensiveerde. De studie werpt dus licht op feedbackmechanismen die de huidige klimaatverandering aanzienlijk kunnen vertragen of versnellen.

"De dynamiek van het wereldwijde klimaatsysteem is zeer complex", zegt Samuel Jaccard. "Concentraties van atmosferische broeikasgassen, vooral CO ₂ , een belangrijke rol spelen. Ze houden duidelijk verband met emissies door menselijke activiteiten, maar ook voor natuurlijke fenomenen en vooral voor de ontgassing van koolstofdioxide in de oceanen. Mengen speelt hierbij een zeer belangrijke rol, omdat het de opgeloste CO ₂ van de diepe wateren naar de oppervlakte, van waar het wordt overgebracht naar de atmosfeer en bijdraagt ​​aan het broeikaseffect. Een beter begrip van deze verschijnselen is cruciaal, omdat ze ook een factor zijn in de huidige opwarming van de aarde."

Gevolgen voor de opwarming van de aarde

De onderzoekers bepaalden het verschil in zoutgehalte en temperatuur tussen het oppervlakte- en diepe water, omdat deze twee factoren de intensiteit van het mengen bepalen, onder andere. De bevindingen laten zien dat twee tegengestelde processen zijn geïntensiveerd tijdens de klimaattransitie naar langere ijstijden:het oppervlaktewater werd tegelijkertijd kouder en minder zout.

Als resultaat, de menging van lagen nam tijdens ijstijden aanzienlijk af. Door de hoeveelheid CO . te verminderen ₂ vrijgelaten door de oceanen in de atmosfeer, dit fenomeen hielp het broeikaseffect te verminderen en een koud klimaat te verlengen, daarmee een periode van "globale afkoeling" inluidend, zegt Jaccard. "Dit is een typisch voorbeeld van een feedbackloop:de mix neemt af, en neerslag en gletsjersmelt hopen zich op aan het oppervlak van de oceaan en blijven daar voor een langere tijd; dat op zijn beurt het zoutgehalte en de dichtheid aan het wateroppervlak vermindert, versterking van de verzwakking van het mengproces."

Deze resultaten zijn relevant voor de huidige situatie, zegt Jaccard:"In de afgelopen decennia hebben we meer intense westenwinden waargenomen naarmate het klimaat warmer wordt, wat het mengen bevordert en dus het vrijkomen van oceanische CO ₂ de atmosfeer in. Maar deze trend kan worden gecompenseerd door andere effecten:bijvoorbeeld een warmer klimaat kan de neerslag en het smelten van gletsjers doen toenemen, waardoor zoet water aan het oppervlak wordt toegevoegd. We kunnen nog niet voorspellen wat er gaat gebeuren; we hebben klimaatsimulaties nodig om beter te begrijpen hoe de circulatiedynamiek van de Zuidelijke Oceaan in de toekomst zal evolueren."

Tot de kern komen

De historische reconstructie van de oceaanmenging werd gedaan met behulp van een sedimentkern van 169 meter lang, genomen van onder de oceaanbodem op een diepte van 2800 meter, zo'n 2500 km voor de kust van Zuid-Afrika. De kern werd in de jaren negentig gewonnen als onderdeel van het International Ocean Drilling Project (IODP) en sindsdien opgeslagen in Duitsland. Het team had toegang tot de kern door de actieve deelname van Zwitserland aan de IODP, die is ondersteund door de Zwitserse National Science Foundation.

Tijdens zijn Ph.D. bij ETH Zürich, Adam Hasenfratz sneed de kern in duizenden centimeter dikke plakken, elk komt overeen met ongeveer een eeuw aan afzettingen. Van elk plakje hij isoleerde en analyseerde schelpen uit foraminiferen, protozoa met een calcietskelet. De chemische samenstelling van de schelpen hangt af van de mariene omstandigheden tijdens de vorming van de schelpen, met name het zoutgehalte en de watertemperatuur.

"Aanvankelijk, alle experts vertelden ons dat ons project gedoemd was te mislukken omdat het aantal foraminiferen te klein zou zijn om de nodige chemisch-fysische analyses uit te voeren", zegt Samuel Jaccard. "Maar Adam slaagde erin nieuwe technieken te ontwikkelen waarmee hij zeer kleine hoeveelheden materiaal kon analyseren. Zo konden we de evolutie van het zoutgehalte en de watertemperatuur volgen." Hasenfratz identificeerde twee soorten die ofwel op de oceaanbodem (Melonis pompilioides) of op het oceaanoppervlak (Neogloboquadrina pachyderma) leven. Zo kreeg hij informatie over de temperatuur en het zoutgehalte van zowel het diepe als het oppervlaktewater over een periode van meer dan een miljoen jaar.

Zoals het gebeurt, de verhouding van magnesium tot calcium in een foraminiferenschaal hangt af van de temperatuur van het water terwijl de schaal wordt gevormd. Dat stukje data maakt het mogelijk om het zoutgehalte van het water af te leiden uit de verhouding van twee isotopen van zuurstof (O16 en O18) aanwezig in het calciet (CaCO ₃ ) schelp, die zowel de temperatuur als het zoutgehalte van het water weerspiegelt. Omdat zeewater met de lichte isotoop O16 sneller verdampt, de verhouding van de zuurstofisotopen geeft een indicatie van de verdampingssnelheid en daarmee het zoutgehalte en de temperatuur van het water.

Uit de analyse blijkt dat het oppervlaktewater de afgelopen miljoen jaar is afgekoeld, vooral tijdens ijstijden. Dit verminderde het temperatuurverschil tussen het oppervlak en de kou, diepe wateren, die in principe de vermenging had moeten intensiveren. Maar deze trend werd gekeerd door de sterke daling van het zoutgehalte van het oppervlaktewater, die minder dicht werd en dus minder vatbaar voor vermenging met de diepe lagen. Uit het onderzoek blijkt dat de vermenging van het water aanzienlijk afnam, waardoor de diepe wateren meer opgeloste CO . konden vastleggen ₂ , met belangrijke gevolgen voor de klimaatevolutie.