«Причина ледниковых периодов – одна из самых больших нерешенных проблем в науках о Земле», – сказал Дэниел Сигман, профессор геологии и геофизических наук Дюзенбери. "Объяснение этого доминирующего климатического явления улучшит нашу способность прогнозировать изменение климата в будущем."
В 1970-х годах ученые обнаружили, что концентрация двуокиси углерода (CO2) в атмосфере была примерно на 30% ниже во время ледниковых периодов. Это породило теории о том, что снижение уровня CO2 в атмосфере является ключевым ингредиентом ледниковых циклов, но причины изменения CO2 оставались неизвестными. Некоторые данные свидетельствуют о том, что во время ледниковых периодов CO2 был захвачен в глубинах океана, но причина этого обсуждалась.
Теперь международное сотрудничество под руководством ученых из Принстонского университета и Института химии Макса Планка (MPIC) обнаружило доказательства того, что во время ледниковых периодов изменения в поверхностных водах Антарктического океана способствовали накоплению большего количества CO2 в глубинах океана. Используя керны отложений из Антарктического океана, исследователи создали подробные записи химического состава органического вещества, задержанного в окаменелостях диатомовых водорослей – плавающих водорослях, которые росли в поверхностных водах, а затем погибли и опустились на дно моря. Их измерения свидетельствуют о систематическом сокращении ветрового апвеллинга в Антарктическом океане во время ледниковых периодов. Исследование опубликовано в текущем номере журнала Science.
На протяжении десятилетий исследователи знали, что рост и опускание морских водорослей приводит к закачиванию СО2 в глубь океана, и этот процесс часто называют «биологическим насосом»."Биологический насос приводится в действие в основном тропическими, субтропическими и умеренными океанами и неэффективен ближе к полюсам, где CO2 выбрасывается обратно в атмосферу из-за быстрого выхода глубинных вод на поверхность. Наихудшим нарушителем является Антарктический океан: сильные восточные ветры, окружающие антарктический континент, вытягивают на поверхность богатые СО2 глубокие воды, "просачивая" СО2 в атмосферу.
Потенциал уменьшения ветрового апвеллинга для удержания большего количества СО2 в океане и, таким образом, объяснения сокращения атмосферного СО2 в ледниковый период, также был признан на протяжении десятилетий. Однако до сих пор у ученых не было возможности однозначно проверить такое изменение.
Сотрудничество Princeton-MPIC разработало такой подход с использованием крошечных диатомовых водорослей. Диатомовые водоросли – это плавающие водоросли, которые обильно растут в поверхностных водах Антарктики, и их кремнеземные раковины накапливаются в глубоководных отложениях.
Изотопы азота в панцирях диатомовых водорослей зависят от количества неиспользованного азота в поверхностных водах. Команда Princeton-MPIC измерила соотношение изотопов азота в следовых количествах органического вещества, задержанных в минеральных стенках этих окаменелостей, что показало эволюцию концентраций азота в поверхностных водах Антарктики за последние 150 000 лет, охватывающих два ледниковых периода и два теплых межледниковых периода.
«Анализ изотопов азота, захваченных в окаменелостях, таких как диатомовые водоросли, показывает концентрацию азота на поверхности в прошлом», – сказала Эллен Ай, первый автор исследования и аспирантка Принстона, работающая с Сигманом и группами Альфредо Мартинеса-Гарсиа и Джеральда Хауга. в MPIC. "Глубокая вода имеет высокую концентрацию азота, от которой зависят водоросли.
Чем больше апвеллинга происходит в Антарктике, тем выше концентрация азота в поверхностных водах. Таким образом, наши результаты также позволили нам реконструировать изменения антарктического апвеллинга."
Данные были усилены новым подходом к датированию антарктических отложений. Изменение температуры поверхностных вод было реконструировано в кернах отложений и сопоставлено с записями температуры воздуха в керне антарктического льда.
«Это позволило нам связать многие особенности записи азота диатомовых водорослей с совпадающими изменениями климата и океана по всему миру», – сказал Мартинес-Гарсия. «В частности, теперь мы можем определить время спада апвеллинга, когда климат начинает охлаждаться, а также связать изменения апвеллинга в Антарктике с быстрыми колебаниями климата во время ледниковых периодов."
Это более точное время позволило исследователям сосредоточиться на ветрах как на ключевом двигателе изменений апвеллинга.
Новые результаты также позволили исследователям разобраться, как изменения в антарктическом апвеллинге и атмосферном CO2 связаны с орбитальными триггерами ледниковых циклов, что приблизило ученых к полной теории происхождения ледниковых периодов.
«Наши результаты показывают, что изменение содержания CO2 в атмосфере, вызванное апвеллингом, было центральным в циклах, но не всегда так, как предполагали многие из нас», – сказал Сигман. "Например, вместо того, чтобы ускорить спуск в ледниковые периоды, антарктический апвеллинг вызвал изменения CO2, которые продлили самый теплый климат."
Их выводы также имеют значение для предсказания реакции океана на глобальное потепление.
Компьютерные модели дали неоднозначные результаты о чувствительности полярных ветров к изменению климата. Наблюдение исследователями значительного усиления ветрового апвеллинга в Антарктическом океане в теплые периоды прошлого предполагает, что апвеллинг также усилится при глобальном потеплении.
Более сильный антарктический апвеллинг, вероятно, ускорит поглощение океаном тепла от продолжающегося глобального потепления, а также повлияет на биологические условия Антарктического океана и льда в Антарктиде.
«Новые данные свидетельствуют о том, что атмосфера и океан вокруг Антарктиды сильно изменятся в грядущем столетии», – сказал Ай. "Однако, поскольку СО2 от сжигания ископаемого топлива уникален в настоящее время, необходимо провести дополнительную работу, чтобы понять, как изменения в Антарктическом океане повлияют на скорость, с которой океан поглощает этот СО2."