Fluctuaties in de orbitale parameters van de aarde worden beschouwd als de oorzaak van langdurige klimaatschommelingen, zoals ijstijden. Dit omvat de variatie van de hellingshoek van de aardas met een cyclus van ongeveer 40, 000 jaar. Kiel-gebaseerde mariene wetenschappers onder leiding van GEOMAR Helmholtz Center for Ocean Research Kiel hebben met behulp van een nieuw model aangetoond dat biogeochemische interacties tussen oceaan en atmosfeer ook verantwoordelijk kunnen zijn voor klimaatschommelingen op deze tijdschaal.

De klimaatgeschiedenis van de aarde wordt gekenmerkt door periodieke veranderingen die meestal worden toegeschreven aan zonnestraling die het aardoppervlak bereikt. Deze zonnestraling is niet constant over de geologische tijd, maar wordt gemoduleerd door cyclische veranderingen in de baanparameters van de aarde. Een van de belangrijkste parameters die de zonnestraling beïnvloeden, is de helling van de rotatie-as van de aarde (obliquiteit) die in de loop van de tijd periodiek verandert met een cycluslengte van ongeveer 40.000 jaar. Chemische en isotopische kenmerken van sedimenten die zijn afgezet tijdens het Krijt en andere perioden van de geschiedenis van de aarde documenteren regelmatige veranderingen in temperatuur en koolstofcycli op deze tijdschaal. De 40 kyr-cycli die in de geologische klimaatarchieven worden waargenomen, worden verondersteld het resultaat te zijn van door de helling veroorzaakte zonnestralingsveranderingen die de oppervlaktetemperatuur beïnvloeden, de circulatie van oceaan en atmosfeer, de hydrologische cyclus, de biosfeer, en uiteindelijk de koolstofcyclus. Een van de problemen met deze standaardtheorie is dat veranderingen in de wereldwijde zonnestraling erg klein zijn en moeten worden versterkt door slecht begrepen positieve feedbackmechanismen om het mondiale klimaat te beïnvloeden.

Een groep wetenschappers uit Kiel, Duitsland stelt een heel ander perspectief voor dat naar voren komt uit een nieuw numeriek model van de mariene biosfeer. Het simuleert de omzet van planktonbiomassa in de oceaan en lost de bijbehorende microbiële oxidatie- en reductiereacties op die de staande voorraden opgeloste zuurstof beheersen, sulfide, voedingsstoffen en plankton in de oceaan. In hun modelexperimenten vonden de wetenschappers verrassend genoeg een zichzelf onderhoudende klimaatcyclus van 40 kyr met behulp van het biogeochemische model geïntegreerd in een circulatiemodel van de Krijt Oceaan zonder obliquity forcering toe te passen.

"In ons voorbeeld de koolstofcyclus wordt grotendeels gecontroleerd door plankton dat in de oceaan aan de oppervlakte leeft, " legt Prof. Dr. Klaus Wallmann van GEOMAR uit, hoofdauteur van de studie die onlangs werd gepubliceerd in Natuur Geowetenschappen . Plankton verbruikt atmosferisch CO ₂ via fotosynthese en door micro-organismen die planktonbiomassa afbreken en CO . afgeven ₂ terug in de atmosfeer. sinds CO ₂ is een krachtig broeikasgas, de biologische CO ₂ omzet beïnvloedt oppervlaktetemperaturen en het wereldwijde klimaat. De groei van plankton wordt gecontroleerd door voedingsstoffen die deelnemen aan een reeks microbiële oxidatie- en reductiereacties.

"We hebben dit nieuwe biogeochemische model geïntegreerd in een circulatiemodel van de Krijt Oceaan, en het creëert een zichzelf onderhoudende klimaatcyclus van 40 kyr zonder obliquity forcering toe te passen, " zegt Dr. Sascha Flögel, co-auteur van GEOMAR. "Vanuit ons perspectief de cyclus wordt veroorzaakt door een web van positieve en negatieve terugkoppelingen die zijn geworteld in de zuurstofafhankelijke omzetting van stikstof, fosfor, ijzer en zwavel in de oceaan. Chemische en isotopengegevens vastgelegd in sedimenten die zijn afgezet in de Krijt Oceaan tonen periodieke veranderingen die consistent zijn met de modelresultaten, " Flögel gaat verder

In deze nieuwe kijk op klimaatverandering, de relatie tussen oorzaken en gevolgen is radicaal anders dan de standaard orbitaaltheorie. De mariene biosfeer in plaats van de zonnestraling bepaalt het tempo en de amplitude door de partiële CO-druk te regelen ₂ in de atmosfeer. "Onze nieuwe theorie wordt ondersteund door waarnemingen en komt overeen met ons begrip van biogeochemische cycli in de oceaan, " volgens prof. Wallmann.

"Echter, obliquiteit en andere orbitale parameters kunnen ook van invloed zijn op de wereldwijde klimaatverandering wanneer hun delicate effecten op de zonnestraling worden versterkt door positieve feedbackmechanismen. Daarom, de periodieke klimaatverandering die in het geologische record is gedocumenteerd, kan zowel de adem van de biosfeer als de reactie van het aardsysteem op externe orbitale en insolatieforcering weerspiegelen, " vat Prof. Dr. Wolfgang Kuhnt van de Universiteit van Kiel samen die aan deze studie heeft deelgenomen.