Tijdens de afgelopen ijstijden was de aarde ongeveer 6ºC kouder en waren de continenten op het noordelijk halfrond bedekt met ijskappen tot 4 kilometer dik. Echter, de aarde zou niet zo koud zijn geweest, noch de ijskappen zo immens, als het niet voor de effecten van zee-ijs aan de andere kant van de planeet was.

Dit is de conclusie van een onderzoek dat deze week is gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences van de Verenigde Staten van Amerika door een team van wetenschappers van het IBS Center for Climate Physics (ICCP) in Busan, Zuid-Korea en de Universiteit van Hawaï in Manoa, in Honolulu, HOI, VS. In de studie, de wetenschappers onderzochten welke rol zee-ijs (bevroren oceaanwater) in de Zuidelijke Oceaan rond Antarctica speelde in eerdere klimaattransities. Ze ontdekten dat zee-ijs onder glaciale omstandigheden niet alleen de uitgassing van koolstofdioxide van de oppervlakte-oceaan naar de atmosfeer remt, maar het verhoogt ook de opslag van koolstof in de diepe oceaan. Deze processen houden extra koolstof in de oceaan vast die anders als CO . naar de atmosfeer zou ontsnappen ₂ , verwarm de planeet, en verminderen glaciale amplitudes.

We weten uit luchtbellen die vastzitten in ijskernen dat de concentratie van koolstofdioxide in de atmosfeer tijdens koude ijstijden 80-100 delen per miljoen (ppm) lager was dan de pre-industriële niveaus (280 ppm). Omdat de ijskappen ook de hoeveelheid koolstof op het land verminderden, de ontbrekende koolstof moet in de oceaan zijn opgeslagen. Het bleef decennialang onduidelijk welke processen verantwoordelijk waren voor deze massale reorganisatie van de wereldwijde koolstofcyclus tijdens ijstijden, maar wetenschappers vermoedden dat de Zuidelijke Oceaan waarschijnlijk een belangrijke rol speelde, dankzij twee unieke eigenschappen. Eerst, de dichtste, en daarom worden de diepste soorten water in de oceaan gevormd in de buurt van Antarctica, met de toepasselijke naam "Antarctisch bodemwater". Tweede, het is de enige plek waar diep oceaanwater vrijelijk naar de oppervlakte kan stromen door de inwerking van wind. Als resultaat, "Processen die plaatsvinden aan de oppervlakte in de Zuidelijke Oceaan hebben een diepgaand effect op de diepe oceaan en de hoeveelheid koolstof die daar wordt opgeslagen, " legt Dr. Karl Stein uit, ICCP-wetenschapper en hoofdauteur van de studie.

Beurtelings, veranderingen in de omvang van het zee-ijs in de Zuidelijke Oceaan beïnvloeden de koolstofopslag door zowel diepwatervorming als interactie met opwellend water. Zee-ijs bevat heel weinig zout, dus wanneer oceaanwater bevriest tot ijs, is het overgebleven water een extreem zoute pekel. Deze koude, zout water is erg dicht, zinkt naar de oceaanbodem en vormt Antarctisch bodemwater. Naarmate het klimaat kouder wordt, er vindt meer zee-ijsvorming plaats en er wordt meer pekel en zwaarder bodemwater gevormd. Het zee-ijs groeit uiteindelijk onder glaciale omstandigheden totdat het een groot deel van de Zuidelijke Oceaan bedekt. Dit betekent dat het opwellende water uit de diepe oceaan onder zee-ijs aan de oppervlakte komt. "Diepe oceaanwateren slaan grote hoeveelheden koolstof op, dus voorafgaand aan grootschalige verbranding van fossiele brandstoffen, het opwellende water in de Zuidelijke Oceaan was een bron van koolstof voor de atmosfeer, " legt Dr. Eun Young Kwon uit, Associate Project Lead van ICCP en co-auteur van de studie. Zij voegt toe, "Als zee-ijs het gebied van opwellende wateren onder glaciale omstandigheden bedekte, het zou kunnen fungeren als een deksel op de uitgassing van koolstofdioxide."

Om de fysieke effecten van zee-ijs op de oceaan te onderzoeken, het team gebruikte een klimaatcomputermodel om simulaties uit te voeren die betrekking hadden op de laatste 784, 000 jaar klimaatgeschiedenis van de aarde, die de laatste acht glaciale cycli omvat. "Het modelexperiment is uniek omdat eerdere studies slechts een enkele periode bestreken, typisch de Last Glacial Maximum snapshot 21, 000 jaar geleden, of modellen gebruikten die te eenvoudig waren om deze processen in de Zuidelijke Oceaan vast te leggen, " zegt Tobias Friedrich, co-auteur van de studie. "Hierdoor konden we voor het eerst kijken naar de timing van de inslagen van het zee-ijs, naast het beoordelen van hun omvang." Het team gebruikte een apart model voor de koolstofcyclus om de effecten van zee-ijs en veranderingen in de oceaancirculatie op atmosferische koolstofdioxide te kwantificeren.

Hun resultaten laten zien dat zee-ijs de grootste impact heeft op koolstofopslag via de vorming van Antarctisch bodemwater, het aansturen van een 30 ppm afname van atmosferische CO ₂ . "De toegenomen vorming van zee-ijs tijdens ijstijden veroorzaakt een toename van het dichtheidsverschil tussen het bodemwater en het water erboven, " zegt Dr. Axel Timmermann, co-auteur van de studie en ICCP-directeur. "Hoe groter het verschil in dichtheid tussen twee watermassa's, hoe moeilijker het is om ze te mengen." De verminderde menging betekent dat er meer koolstof kan worden opgeslagen in de diepe oceaan. Belangrijk is dat dit proces houdt verband met het ontstaan ​​van zee-ijs in de Zuidelijke Oceaan, die vroeg in een glaciale cyclus kan optreden. Later in de glaciale cyclus, het zee-ijs bedekt een groot genoeg gebied van de Zuidelijke Oceaan dat het de kooldioxide die vrijkomt uit het opwellende water kan "afdekken", waardoor het niveau in de atmosfeer nog eens met 10 ppm daalt.

"De resultaten laten zien dat zee-ijs in de Zuidelijke Oceaan snel kan reageren op de klimaatkoeling, sterk versterkende glaciale cycli, " zegt Karl Stein. Echter, er moet nog veel meer werk worden verzet voordat de puzzel van de glaciale klimaat-koolstofcyclus is voltooid. "We weten nog steeds niet hoe de aanvankelijke koeling en vermindering van atmosferische koolstof wordt geactiveerd, maar we denken dat het verband houdt met de groei van de ijskappen op het noordelijk halfrond en de overeenkomstige veranderingen in het zoutgehalte van de oceaan, ", legt Axel Timmermann uit.