Dlouhá doba zpoždění vždy vědce mátla:

Od konce extrémně teplé, dinosaury ovládané křídové éry před 65 miliony let skleníkových plynů v atmosféře neustále ubývá (s anomální výjimkou posledního století) a planeta jako celek se neustále ochlazuje. Proč tedy oba póly nezamrzly současně?“

Odpověď na tento paradox spočívá ve složité souhře mezi kontinenty, oceány a atmosférou. Pohybující se tektonické desky Země se jako dílky skládačky přeskupovaly na povrchu zeměkoule – měnily konfiguraci zasahujících oceánů, měnily oceánskou cirkulaci a způsobovaly změny klimatu.

Vývoj ledových příkrovů na jižní polokouli před zhruba 34 miliony let se zdá být poměrně přímočarý. Superkontinent Gondwana se rozpadl a rozdělil se na dílčí části, z nichž se staly Afrika, Indie, Austrálie, Jižní Amerika a Antarktida. Mezi těmito novými kontinenty se otevřely průchody, které umožnily proudění oceánů mezi nimi.

Když byla Antarktida nakonec oddělena od jižního cípu Jižní Ameriky a vznikl tak Drakeův průchod, Antarktida byla zcela obklopena Jižním oceánem. Silný antarktický cirkumpolární proud začal obtékat celý kontinent, čímž fakticky izoloval Antarktidu od většiny tepla z globálních oceánů a vyvolal rozsáhlé ochlazení.

Severní polokoule je problematičtější. Ze sedimentárních jader a dalších údajů víme, že až do doby před zhruba 5 miliony let nebyly Severní a Jižní Amerika propojeny. Obrovská mezera – Středoamerická mořská cesta – umožňovala proudění tropické vody mezi Atlantským a Tichým oceánem.

Rostoucí množství důkazů naznačuje, že vznik Panamského průlivu rozdělil Atlantský a Tichý oceán a zásadně změnil globální oceánskou cirkulaci. Uzavření Středoamerické mořské cesty mohlo zpočátku způsobit oteplení zemského klimatu, ale poté připravilo půdu pro zalednění severní polokoule před 2,7 miliony let.

Oceánský dopravník

Základním prvkem dnešního klimatického systému je dopravníkový vzorec oceánské cirkulace, který rozvádí obrovské množství tepla a vlhkosti po naší planetě. Tato globální cirkulace je poháněna klesáním studených, slaných – a tedy hustých – oceánských vod.

V dnešním oceánu proudí teplá, slaná povrchová voda z Karibiku, Mexického zálivu a rovníkového Atlantiku v Golfském proudu na sever. Když teplá voda dosáhne vysokých severoatlantických šířek, odevzdává teplo a vlhkost atmosféře a zanechává studenou, slanou a hustou vodu, která klesá ke dnu oceánu. Tato voda proudí v hloubce na jih a pod Golfským proudem do Jižního oceánu a dále Indickým a Tichým oceánem. Nakonec se voda smísí s teplejší vodou a vrací se do Atlantiku, aby dokončila cirkulaci.

Hlavním motorem této globální cirkulace, často nazývané oceánský dopravník, je rozdíl v obsahu soli mezi Atlantským a Tichým oceánem. Před vznikem Panamského průlivu proudily povrchové vody Tichého oceánu do Atlantiku. Jejich vody se mísily a zhruba vyrovnávaly slanost obou oceánů.

Přibližně před 5 miliony let se začaly sbližovat Severoamerická, Jihoamerická a Karibská deska. Postupné vybřežování Středoamerické mořské cesty začalo omezovat výměnu vody mezi Pacifikem a Atlantikem a jejich slanost se rozcházela.

Vypařování v tropickém Atlantiku a Karibiku způsobilo, že tamní oceánské vody byly slanější a do atmosféry se dostávaly čerstvé vodní páry. Pasáty přenášely vodní páru z východu na západ přes nízko položený Panamský průliv a prostřednictvím srážek ukládaly sladkou vodu v Tichém oceánu. V důsledku toho se Tichý oceán stal relativně čerstvějším, zatímco v Atlantiku pomalu a trvale rostla slanost.

V důsledku uzavření mořské cesty zesílil Golfský proud. Přenášel více teplých a slaných vodních mas do vysokých severních šířek, kde je arktické větry ochlazovaly, dokud se nestaly dostatečně hustými na to, aby klesly na dno oceánu. Oceánský dopravník se roztáčel a přitahoval ještě více vod Golfského proudu na sever.

Roztáčení Golfského proudu

Jak se díky tomu tvoří led na severu?

Peter Weyl v roce 1968 vyslovil hypotézu, že uzavření Středoamerické mořské cesty a zesílení Golfského proudu přineslo na severní polokouli kritickou složku pro růst ledového příkrovu – vlhkost. Weylova teorie předpokládala, že uzavření Středoamerické mořské cesty a nahromadění soli v Atlantiku se shodovalo s růstem severních ledových příkrovů před 3,1 až 2,7 miliony let.

Pochybnosti o této hypotéze se však objevily v roce 1982, kdy Lloyd Keigwin našel v oceánských sedimentech důkazy, že uzavření Panamského průlivu ovlivnilo oceánskou cirkulaci o více než milion let dříve. Prokázal, že kontrast salinity mezi Atlantikem a Pacifikem se začal vytvářet již před 4,2 miliony let.

V roce 1998 Gerald Haug a Ralf Tiedemann potvrdili Keigwinův výzkum pomocí dat z jader sedimentů s vyšším rozlišením. Pokud se slanost změnila již před 4,2 miliony let, proč začalo zalednění až před 2,7 miliony let? Naopak, Země zažila teplé období před 4,5 až 2,7 miliony let.

Toto globální teplé období, nazývané teplé období středního pliocénu, mohlo souviset také s uzavřením Středoamerické mořské cesty a následnou změnou uspořádání cirkulace světového oceánu. Oživený oceánský dopravník mohl pohánět silnější proudění hlubokých vod z Atlantiku do severního Pacifiku, který je konečnou stanicí hlubokomořské cirkulace.

Na své cestě do severního Pacifiku se tyto hluboké vody obohatily o živiny a oxid uhličitý. V subarktickém Pacifiku se tyto hluboké vody mohly vzedmout, vystoupat ke sluncem ozářené hladině a poskytnout ingredience, které vyvolaly obrovský rozkvět fytoplanktonu. Velké množství oxidu křemičitého a opálu (zachovalý materiál ze schránek fytoplanktonu) v sedimentech mořského dna je důkazem jak kvetení, tak silného vzedmutí.

Vzedmutí však mohlo být tak silné, že fytoplankton nestačil držet krok se vzedmutím – to znamená, že se vzedmulo více oxidu uhličitého, než kolik ho fytoplankton spotřeboval. V důsledku toho přebytečný oxid uhličitý „unikal“ zpět do atmosféry a přidával skleníkový plyn, který oteploval planetu.

Zkrat dopravníku

Co ukončilo teplé období středního pliocénu asi před 2,7 milionu let? A co nakonec způsobilo zalednění severní polokoule přibližně ve stejné době – ale téměř 2 miliony let po vzniku Panamského průlivu?“

Původní Weylova teorie o silnějším a vlhčím Golfském proudu vyvolala další nepříjemnou otázku: Jak by mohl Golfský proud – který přenáší nejen vlhkost, ale i teplo do severního Atlantiku – vést k velkému ochlazení severní polokoule a vzniku ledu?

Neal Driscoll a Gerald Haug navrhli jedno řešení. Postulovali, že vlhkost nesená Golfským proudem na sever byla přenášena převládajícími západními větry do Eurasie. Padala ve formě deště nebo sněhu a nakonec se do Severního ledového oceánu dostalo více sladké vody – buď přímo, nebo prostřednictvím velkých sibiřských řek, které se vlévají do Severního ledového oceánu.

Přidaná sladká voda by usnadnila tvorbu mořského ledu, který by odrážel sluneční světlo a teplo zpět do vesmíru. Působil by také jako bariéra blokující únik tepla uloženého v oceánu do atmosféry nad Arktidou. Oba tyto jevy by dále ochlazovaly vysoké zeměpisné šířky. Kromě toho by se arktické vody proudící zpět do severního Atlantiku staly méně studenými a slanými – čímž by se zkrátila účinnost oceánského dopravního pásu jako globálního tepelného čerpadla do oblastí severního Atlantiku.

Naklonění k zalednění

Tyto předpoklady – vlhkost plus arktické jádro pro ochlazování – by způsobily, že by klimatický systém byl velmi náchylný k růstu ledovců. I mírné změny v globálním prostředí by stačily k tomu, aby se misky vah vychýlily a vedly k nástupu velkého zalednění severní polokoule.

Právě k takové změně došlo před 3,1 až 2,5 miliony let, kdy zemská osa kolísala tak, že sklon planety ke Slunci byl menší než dnešní úhel 23,45 stupně. Menší sklon Země by snížil množství a intenzitu slunečního záření dopadajícího na severní polokouli, což by vedlo k chladnějším létům a menšímu tání zimních sněhů.

Počátek zalednění severní polokoule ovlivnil také subarktický Pacifik. Vedlo k tomu, že se asi před 2,7 miliony let vytvořila na hladině oceánu sladkovodní poklička, tzv. haloklina. Tato arktická haloklina měla vytvořit bariéru pro vzestupné proudění, která bránila hlubokým vodám bohatým na oxid uhličitý stoupat k hladině. „Únik“ oxidu uhličitého, který zadržuje teplo, do atmosféry byl zastaven, což vedlo k dalšímu ochlazení planety.

Mnoho dalších mechanismů zpětné vazby mezi oceánem a atmosférou, které jsou důsledkem otevírání a zavírání oceánských bran, zůstává nedokonale pochopeno. A vědci zkoumají i důsledky dalších oceánských bran.

Mark Cane a Peter Molnar například navrhli, že vyzdvižení a pohyb Indonéských ostrovů před 5 až 3 miliony let by zásadním způsobem přesměroval méně teplé vody jižního Pacifiku a více chladnější vody severního Pacifiku přes Indonéskou mořskou bránu. Důsledkem mohlo být, že se Tichý oceán změnil z trvalejších podmínek podobných El Niño (které přesouvají teplo z tropů do vysokých zeměpisných šířek) na stav podobný La Niña (který by omezil přenos tepla a ochladil severní polokouli).

Poučení z těchto rozsáhlých geologických a geografických změn je elegantně jednoduché a zároveň nesnesitelně složité. Otevírání a zavírání mořských cest má zásadní vliv na distribuci sladké vody, živin a energie v globálním oceánu. Spojení těchto měnících se oceánů s měnící se atmosférou nevyhnutelně znamená měnící se klima.