In de Atlantische Oceaan, een gigantische 'transportband' voert warm water van de tropen naar de Noord-Atlantische Oceaan, waar ze afkoelen en zinken en dan naar het zuiden terugkeren in de diepe oceaan. Dit circulatiepatroon is een belangrijke speler in het mondiale klimaat, het reguleren van weerpatronen in het noordpoolgebied, Europa, en over de hele wereld. Er zijn steeds meer aanwijzingen dat dit systeem vertraagt, en sommige wetenschappers vrezen dat het grote effecten kan hebben, zoals het veroorzaken van temperatuurstijgingen in Europa en het opwarmen van de wateren voor de oostkust van de Verenigde Staten, mogelijk schadelijk zijn voor de visserij en orkanen verergeren. (Voor een overdrijving van de mogelijke effecten, zie de film The Day After Tomorrow uit 2004.)

Een nieuwe studie gepubliceerd in Natuurcommunicatie geeft inzicht in hoe snel deze veranderingen effect kunnen hebben als het systeem blijft verzwakken. Onder leiding van wetenschappers van Columbia's Lamont-Doherty Earth Observatory in samenwerking met het Noorse onderzoekscentrum, de studie is de eerste die nauwkeurig het tijdsverloop bepaalt tussen veranderingen in de oceaantransportband in het verleden en grote klimaatveranderingen.

Het team bestudeerde een belangrijk deel van het oceaanstroompatroon, bekend als de Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC). Ze richtten zich op een gedeelte waar water van het oppervlak naar de bodem van de Noord-Atlantische Oceaan zakt. Ze bevestigden dat het AMOC begon te verzwakken ongeveer 400 jaar voor een grote koudegolf 13, 000 jaar geleden, en begon opnieuw te versterken ongeveer 400 jaar voor een abrupte opwarming 11, 000 jaar geleden.

"Onze reconstructies geven aan dat er duidelijke klimaatprecursoren zijn die worden geleverd door de oceaanstaat - zoals waarschuwingssignalen, bij wijze van spreken, " zegt hoofdauteur Francesco Muschitiello, die het werk voltooide als postdoc bij Lamont-Doherty en nu werkt aan de Universiteit van Cambridge.

Tot nu, het was moeilijk om vast te stellen of eerdere veranderingen in de oceaantransportband plaatsvonden voor of na de abrupte klimaatverschuivingen die de laatste deglaciatie op het noordelijk halfrond accentueerden. Om de gebruikelijke uitdagingen te overwinnen, het team verzamelde gegevens van een sedimentkern geboord uit de bodem van de Noorse Zee, een sedimentkern uit het zuiden van Scandinavië, en ijskernen uit Groenland.

Wetenschappers vertrouwen doorgaans op datering van radioactieve koolstof (koolstof 14) om de leeftijd van sedimenten te bepalen; meten hoeveel koolstof 14 in een fossiel achterblijft, onthult hoe lang geleden het organisme stierf, en dus hoe oud het omringende sediment is. Deze relatie is lastig in oceaansedimenten, Hoewel, omdat koolstof 14 in de atmosfeer ontstaat, en het kost tijd voordat de koolstof zijn weg door de oceaan heeft gevonden. Tegen de tijd dat het de organismen op de bodem van de waterkolom bereikt, de koolstof 14 kan al honderden of duizenden jaren oud zijn. Het team had dus een andere manier nodig om de sedimentlagen in de mariene kern te dateren.

Dat is waarom ze het koolstof 14-gehalte hebben gemeten in een nabijgelegen sedimentkern van een meer. De oude lagen van het meer bevatten rottende planten die koolstof 14 rechtstreeks uit de atmosfeer trokken, zodat de wetenschappers de leeftijd van elke sedimentlaag van het meer konden achterhalen. Daarna gebruikten ze een paar technieken om de kernlagen van het meersediment af te stemmen op de mariene kernlagen. Aslagen van twee vulkaanuitbarstingen van lang geleden in IJsland hielpen om de zaken op een rij te krijgen. Dit proces gaf het team de precieze leeftijd van elke laag in de mariene kern.

Volgende, ze vergeleken de werkelijke leeftijd van de mariene sedimenten met de leeftijd die ze afleest uit de koolstofmetingen in de diepe oceaan 14; de verschillen tussen deze twee gaven hen een schatting van hoe lang het duurde voordat de atmosferische koolstof 14 de zeebodem bereikte. Met andere woorden, het onthulde hoe snel het water in dit gebied aan het zinken was, in een proces dat diepwatervorming wordt genoemd en dat essentieel is om de AMOC te laten circuleren. Nu hadden ze een record van oceaancirculatiepatronen in deze regio in de loop van de tijd.

Het laatste stukje van de puzzel was het analyseren van ijskernen uit Groenland, om veranderingen in temperatuur en klimaat over dezelfde periode te bestuderen. Metingen van beryllium-10 in de ijskernen hielpen de auteurs om de ijskernen nauwkeurig te koppelen aan de koolstof 14-records, door beide sets gegevens op dezelfde tijdlijn te plaatsen. Nu konden ze eindelijk de volgorde van gebeurtenissen vergelijken tussen veranderingen in de oceaancirculatie en klimaatveranderingen.

Door de gegevens van de drie kernen te vergelijken, bleek dat het AMOC verzwakte in de tijd voorafgaand aan de laatste grote koudegolf van de planeet, genaamd de Jonge Dryas, rond 13, 000 jaar geleden. De oceaancirculatie begon ongeveer 400 jaar voor de koudegolf te vertragen, maar toen het klimaat begon te veranderen, temperaturen boven Groenland daalden snel met ongeveer 6 graden.

Een soortgelijk patroon ontstond aan het einde van die koudegolf; de stroom begon te versterken ongeveer 400 jaar voordat de atmosfeer dramatisch begon op te warmen, overgang uit de ijstijd. Toen de deglaciatie begon, Groenland warmde snel op - de gemiddelde temperatuur steeg in slechts enkele decennia met ongeveer 8 graden, waardoor gletsjers smelten en het zee-ijs aanzienlijk daalt in de Noord-Atlantische Oceaan.

"Die vertragingen van [400 jaar] zijn waarschijnlijk aan de lange kant van wat velen hadden verwacht, " zegt Anders Svensson, die het paleoklimaat bestudeert aan de Universiteit van Kopenhagen, en wie niet betrokken was bij het huidige onderzoek. "Veel eerdere studies hebben vertragingen van verschillende lengtes gesuggereerd, maar weinigen hebben de nodige instrumenten om de fasering met voldoende nauwkeurigheid te bepalen."

Co-auteur William D'Andrea, een paleoklimatoloog in Lamont-Doherty was verrast door wat ze vonden - hij zegt dat de vertragingstijden twee of drie keer groter zijn dan hij had verwacht.

Voor nu is het niet helemaal duidelijk waarom er zo'n lange vertraging was tussen de AMOC-veranderingen en de klimaatveranderingen boven de Noord-Atlantische Oceaan.

Het is ook moeilijk om vast te stellen wat deze patronen uit het verleden zouden kunnen betekenen voor de toekomst van de aarde. Recent bewijs suggereert dat het AMOC 150 jaar geleden opnieuw begon te verzwakken. Echter, de huidige omstandigheden zijn heel anders dan de vorige keer, zegt Muschitiello; de globale thermostaat stond toen veel lager, het winterse zee-ijs strekte zich verder naar het zuiden uit dan de haven van New York, en de oceaanstructuur zou heel anders zijn geweest. In aanvulling, de verzwakking van het AMOC in het verleden was veel dramatischer dan de huidige trend tot nu toe.

Hoe dan ook, D'Andrea zegt dat "als het AMOC zou verzwakken in de mate die het toen deed, het kan honderden jaren duren voordat grote klimaatveranderingen zich daadwerkelijk manifesteren."

Muschitiello voegt toe, "Het is duidelijk dat er enkele voorlopers in de oceaan zijn, dus we zouden naar de oceaan moeten kijken. Alleen al het feit dat AMOC aan het vertragen is, dat zou een punt van zorg moeten zijn op basis van wat we hebben gevonden."

De studie moet ook helpen om de fysica achter klimaatmodellen te verbeteren, die over het algemeen aannemen dat het klimaat abrupt reageert op het moment dat de AMOC-intensiteit verandert. De modelverfijningen, beurtelings, klimaatvoorspellingen nauwkeuriger kunnen maken. Zoals Svensson het stelt:"Zolang we het klimaat van het verleden niet begrijpen, het is erg moeilijk om de klimaatmodellen te beperken die nodig zijn om realistische toekomstscenario's te maken."