De laatste miljoen jaar van de geschiedenis van de aarde werden gekenmerkt door frequente "glaciaal-interglaciale cycli, " grote schommelingen in het klimaat die verband houden met het groeien en krimpen van massale, continentomspannende ijskappen. Deze cycli worden veroorzaakt door subtiele trillingen in de baan en rotatie van de aarde, maar de orbitale oscillaties zijn te subtiel om de grote veranderingen in het klimaat te verklaren.

"De oorzaak van de ijstijden is een van de grote onopgeloste problemen in de geowetenschappen, " zei Daniël Sigman, de Dusenbury hoogleraar geologische en geofysische wetenschappen. "Het verklaren van dit dominante klimaatfenomeen zal ons vermogen om toekomstige klimaatverandering te voorspellen verbeteren."

In de jaren zeventig, wetenschappers ontdekten dat de concentratie van het atmosferische broeikasgas koolstofdioxide (CO ₂ ) was tijdens de ijstijden ongeveer 30% lager. Dat leidde tot theorieën dat de afname van atmosferische CO ₂ niveaus is een belangrijk ingrediënt in de glaciale cycli, maar de oorzaken van de CO ₂ verandering bleef onbekend. Sommige gegevens suggereerden dat, tijdens ijstijden, CO ₂ zat gevangen in de diepe oceaan, maar de reden hiervoor werd gedebatteerd.

Nutsvoorzieningen, een internationale samenwerking onder leiding van wetenschappers van Princeton University en het Max Planck Institute for Chemistry (MPIC) heeft aanwijzingen gevonden dat tijdens ijstijden, veranderingen in het oppervlaktewater van de Antarctische Oceaan hebben ertoe geleid dat er meer CO . is opgeslagen ₂ in de diepe oceaan. Met behulp van sedimentkernen uit de Antarctische Oceaan, de onderzoekers genereerden gedetailleerde gegevens over de chemische samenstelling van organisch materiaal dat gevangen zit in de fossielen van diatomeeën - drijvende algen die in het oppervlaktewater groeiden, stierf toen en zonk naar de zeebodem. Hun metingen leveren bewijs voor systematische vermindering van door de wind aangedreven opwelling in de Antarctische Oceaan tijdens de ijstijden. Het onderzoek verschijnt in het huidige nummer van het tijdschrift Wetenschap .

Al decenia, onderzoekers weten dat de groei en het zinken van zeealgen pompen CO ₂ diep in de oceaan, een proces dat vaak de 'biologische pomp' wordt genoemd. De biologische pomp wordt grotendeels aangedreven door de tropische, subtropische en gematigde oceanen en is inefficiënt dichter bij de polen, waar CO ₂ wordt terug naar de atmosfeer afgevoerd door de snelle blootstelling van diep water aan het oppervlak. De grootste boosdoener is de Antarctische Oceaan:de sterke oostenwind die het Antarctische continent omcirkelt, trekt CO . aan ₂ -rijk diep water tot aan de oppervlakte, "lekkende" CO ₂ naar de atmosfeer.

Het potentieel voor een vermindering van windgedreven opwelling om meer CO . vast te houden ₂ in de oceaan, en zo de ijstijd atmosferische CO . te verklaren ₂ afschrijving, wordt ook al tientallen jaren erkend. Tot nu, echter, het ontbrak wetenschappers aan een manier om ondubbelzinnig te testen op een dergelijke verandering.

De samenwerking tussen Princeton en MPIC heeft een dergelijke aanpak ontwikkeld, met behulp van kleine diatomeeën. Diatomeeën zijn zweefalgen die overvloedig groeien in Antarctische oppervlaktewateren, en hun silicaschelpen hopen zich op in diepzeesediment. De stikstofisotopen in de schelpen van diatomeeën variëren met de hoeveelheid ongebruikte stikstof in het oppervlaktewater. Het Princeton-MPIC-team heeft de stikstofisotoopverhoudingen gemeten van de sporen van organisch materiaal dat gevangen zit in de minerale wanden van deze fossielen, die de evolutie van de stikstofconcentraties in de oppervlaktewateren van Antarctica in de afgelopen 150 jaar aan het licht bracht, 000 jaar, die twee ijstijden en twee warme interglaciale perioden beslaat.

"Analyse van de stikstofisotopen gevangen in fossielen zoals diatomeeën onthult de stikstofconcentratie aan het oppervlak in het verleden, " zei Ellen Ai, eerste auteur van de studie en een afgestudeerde student van Princeton die samenwerkte met Sigman en met de groepen Alfredo Martínez-García en Gerald Haug bij MPIC. "Diep water heeft hoge concentraties van de stikstof waar algen afhankelijk van zijn. Hoe meer opwelling er optreedt in Antarctica, hoe hoger de stikstofconcentratie in het oppervlaktewater. Dus onze resultaten stelden ons ook in staat om Antarctische opwellingsveranderingen te reconstrueren."

De gegevens werden krachtiger gemaakt door een nieuwe benadering voor het dateren van de Antarctische sedimenten. Verandering in oppervlaktewatertemperatuur werd gereconstrueerd in de sedimentkernen en vergeleken met Antarctische ijskernregistraties van luchttemperatuur.

"Hierdoor konden we veel kenmerken in het diatomeeën-stikstofrecord koppelen aan samenvallende klimaat- en oceaanveranderingen van over de hele wereld, " zei Martínez-García. "In het bijzonder, we zijn nu in staat om de timing van opwelling achteruitgang vast te stellen, als het klimaat begint af te koelen, en om veranderingen in de opwelling in Antarctica te verbinden met de snelle klimaatschommelingen tijdens ijstijden."

Door deze preciezere timing konden de onderzoekers de wind in de gaten houden als de belangrijkste aanjager van de veranderingen in de opwelling.

De nieuwe bevindingen stelden de onderzoekers ook in staat om te ontrafelen hoe de veranderingen in Antarctische opwelling en atmosferische CO ₂ zijn gekoppeld aan de orbitale triggers van de glaciale cycli, brengt wetenschappers een stap dichter bij een complete theorie voor het ontstaan ​​van de ijstijden.

"Onze bevindingen tonen aan dat opwelling-gedreven atmosferische CO ₂ verandering stond centraal in de cycli, maar niet altijd op de manier die velen van ons hadden aangenomen, "zei Sigman. "Bijvoorbeeld, in plaats van de afdaling naar de ijstijden te versnellen, Antarctische opwelling veroorzaakt CO ₂ veranderingen die de warmste klimaten verlengden."

Hun bevindingen hebben ook implicaties voor het voorspellen van hoe de oceaan zal reageren op de opwarming van de aarde. Computermodellen hebben dubbelzinnige resultaten opgeleverd over de gevoeligheid van poolwinden voor klimaatverandering. De observatie van de onderzoekers van een grote intensivering van door de wind aangedreven opwelling in de Antarctische Oceaan tijdens warme perioden uit het verleden suggereert dat de opwelling ook zal toenemen onder de opwarming van de aarde. Sterkere Antarctische opwelling zal waarschijnlijk de opname van warmte door de oceaan versnellen door de aanhoudende opwarming van de aarde, terwijl het ook de biologische omstandigheden van de Antarctische Oceaan en het ijs op Antarctica beïnvloedt.

"De nieuwe bevindingen suggereren dat de atmosfeer en de oceaan rond Antarctica de komende eeuw sterk zullen veranderen, "zei Ai. "Echter, omdat de CO ₂ van het verbranden van fossiele brandstoffen is uniek voor de huidige tijd, er is meer werk nodig om te begrijpen hoe veranderingen in de Antarctische Oceaan de snelheid beïnvloeden waarmee de oceaan deze CO . absorbeert ₂ ."

"Opwelling van de Zuidelijke Oceaan, de helling van de aarde, en glaciaal-interglaciaal atmosferisch CO ₂ veranderen" door Xuyuan Ellen Ai, Anja S. Studer, Daniel M. Sigman, Alfredo Martínez-Garcia, François Fripiat, Lena M. Thöle, Elisabeth Michel, Julia Gottschalk, Laura Arnoldus, Simone Moretti, Mareik Schmitt, Sergey Oleynik, Samuel L. Jaccard en Gerald H. Haug verschijnen in het nummer van 11 december van Wetenschap .