Den lange forsinkelsestid har altid undret forskerne: Hvorfor blev Antarktis dækket af massive iskapper for 34 millioner år siden, mens det arktiske ocean først fik sin iskappe for ca. 3 millioner år siden?

Siden slutningen af den ekstremt varme, dinosaur-dominerede kridttid for 65 millioner år siden er de varmebærende drivhusgasser i atmosfæren faldet støt (med den unormale undtagelse i det sidste århundrede), og planeten som helhed er blevet stadigt afkølet. Så hvorfor frøs begge poler ikke på samme tid?

Svaret på paradokset ligger i det komplekse samspil mellem kontinenter, oceaner og atmosfære. Som brikker i et puslespil har Jordens bevægelige tektoniske plader flyttet sig på klodens overflade – de har flyttet konfigurationen af de mellemliggende oceaner, ændret havcirkulationen og forårsaget ændringer i klimaet.

Udviklingen af iskapper på den sydlige halvkugle for omkring 34 millioner år siden synes ret ligetil. Superkontinentet Gondwana brød fra hinanden og delte sig i underafsnit, der blev til Afrika, Indien, Australien, Sydamerika og Antarktis. Der åbnedes passager mellem disse nye kontinenter, så havene kunne flyde mellem dem.

Da Antarktis endelig blev skilt fra Sydamerikas sydspids for at skabe Drakepassagen, blev Antarktis fuldstændig omgivet af det sydlige ocean. Den kraftige antarktiske cirkumpolare strøm begyndte at feje hele vejen rundt om kontinentet, hvilket effektivt isolerede Antarktis fra det meste af varmen fra de globale oceaner og fremkaldte afkøling i stor skala.

Den nordlige halvkugle er mere problematisk. Fra sedimentkerner og andre data ved vi, at Nord- og Sydamerika indtil for ca. 5 millioner år siden ikke var forbundet med hinanden. Et enormt hul – den mellemamerikanske havvej – gjorde det muligt for tropisk vand at strømme mellem Atlanterhavet og Stillehavet.

Et voksende antal beviser tyder på, at dannelsen af Panamas isharmus opdelte Atlanterhavet og Stillehavet og ændrede den globale havcirkulation fundamentalt. Lukningen af den mellemamerikanske havvej kan i første omgang have opvarmet Jordens klima, men har derefter lagt op til istid på den nordlige halvkugle for 2,7 millioner år siden.

Oceanets transportør

Et grundlæggende element i nutidens klimasystem er et transportørlignende oceancirkulationsmønster, der fordeler store mængder varme og fugt rundt på vores planet. Denne globale cirkulation drives frem af, at koldt, salt – og derfor tæt – havvand synker ned.

I nutidens hav strømmer varmt, salt overfladevand fra Caribien, Den Mexicanske Golf og det ækvatoriale Atlanterhav nordpå i Golfstrømmen. Når det varme vand når de høje nordatlantiske breddegrader, afgiver det varme og fugt til atmosfæren og efterlader koldt, salt og tæt vand, der synker ned på havbunden. Dette vand strømmer i dybden, sydpå og under Golfstrømmen, til det sydlige ocean og derefter gennem Det Indiske Ocean og Stillehavet. Til sidst blander vandet sig med varmere vand og vender tilbage til Atlanterhavet for at afslutte cirkulationen.

Den vigtigste drivkraft for denne globale cirkulation, der ofte kaldes Ocean Conveyor, er forskellen i saltindholdet mellem Atlanterhavet og Stillehavet. Før Panama-isthmosen eksisterede, strømmede Stillehavets overfladevand ud i Atlanterhavet. Deres vand blandede sig og balancerede groft sagt de to oceaners saltholdighed.

For ca. 5 millioner år siden begyndte de nordamerikanske, sydamerikanske og caribiske plader at konvergere. Den gradvise opstuvning af den mellemamerikanske søvej begyndte at begrænse vandudvekslingen mellem Stillehavet og Atlanterhavet, og deres saltholdigheder skiltes.

Dampning i det tropiske Atlanterhav og Caribien gjorde havvandet saltere og sendte frisk vanddamp ud i atmosfæren. Passatvindene transporterede vanddampen fra øst til vest over den lavtliggende Isthmus of Panama og aflejrede ferskvand i Stillehavet gennem nedbør. Som følge heraf blev Stillehavet relativt friskere, mens saltholdigheden langsomt og støt steg i Atlanterhavet.

Som følge af lukningen af Seaway blev Golfstrømmen intensiveret. Den transporterede flere varme, salte vandmasser til høje nordlige breddegrader, hvor arktiske vinde afkølede dem, indtil de blev tætte nok til at synke ned på havbunden. Ocean Conveyor rullede og trak endnu mere Golfstrømsvand nordpå.

Golfstrømsforøgelse

Hvordan skaber det is på den nordlige halvkugle?

Peter Weyl opstillede i 1968 den hypotese, at lukningen af den mellemamerikanske sevej og intensiveringen af Golfstrømmen ville have bragt en afgørende ingrediens for vækst af indlandsisen til den nordlige halvkugle – fugt. Weyls teori gik ud fra, at lukningen af den mellemamerikanske sejlrende og ophobningen af salt i Atlanterhavet faldt sammen med væksten af nordlige iskapper for 3,1 til 2,7 millioner år siden.

Men der blev rejst tvivl om denne hypotese i 1982, da Lloyd Keigwin fandt beviser i havets sedimenter for, at lukningen af Isthmus of Panama havde påvirket havcirkulationen mere end en million år tidligere. Han påviste, at saltholdighedskontrasten mellem Atlanterhavet og Stillehavet allerede var begyndt at udvikle sig for 4,2 millioner år siden.

I 1998 bekræftede Gerald Haug og Ralf Tiedemann Keigwins forskning med data med højere opløsning fra sedimentkerner. Hvis saltholdigheden allerede havde ændret sig for 4,2 millioner år siden, hvorfor begyndte istiden så ikke før for 2,7 millioner år siden? Tværtimod oplevede Jorden en varmeperiode mellem 4,5 millioner og 2,7 millioner år siden.

Denne globale varmeperiode, der kaldes den midtliocæne varmeperiode, kan også have været forbundet med lukningen af den mellemamerikanske havvej og den deraf følgende omlægning af den globale havcirkulation. En styrket Ocean Conveyor kunne have drevet en stærkere strøm af dybt vand fra Atlanterhavet til det nordlige Stillehav, som er endestationen for dybhavscirkulationen.

På deres rejse til det nordlige Stillehav blev dette dybe vand beriget med næringsstoffer og kuldioxid. I det subarktiske Stillehav kunne disse dybe vande være steget op til den solbeskinnede overflade og have leveret ingredienserne til at udløse enorme opblomstringer af fytoplankton. Store mængder af silica og opal (det bevarede materiale fra fytoplanktonskaller) i sedimenter fra havbunden vidner om både blomstringen og den kraftige opblomstring.

Den kraftige opblomstring kan dog have været så kraftig, at fytoplanktonet ikke kunne følge med opblomstringen – dvs. at der kom mere kuldioxid op, end fytoplanktonet brugte. Derfor “lækkede” den overskydende kuldioxid tilbage i atmosfæren og tilføjede en drivhusgas, der opvarmede planeten.

Kortkobling af transportbåndet

Hvad lukkede den midt-pliocæne varmeperiode for ca. 2,7 millioner år siden ned? Og hvad forårsagede endelig istiden på den nordlige halvkugle på omtrent samme tidspunkt – men næsten 2 millioner år efter dannelsen af Isthmus of Panama?

Weyls oprindelige teori om en stærkere, fugtigere Golfstrøm rejste endnu et vanskeligt spørgsmål: Hvordan kunne Golfstrømmen – som ikke kun transporterer fugt, men også varme til Nordatlanten – føre til en større afkøling af den nordlige halvkugle og dannelse af is?

Neal Driscoll og Gerald Haug foreslog en løsning. De postulerede, at fugten, der blev transporteret nordpå af Golfstrømmen, blev transporteret af de fremherskende vestenvinde til Eurasien. Det faldt som regn eller sne og aflejrede i sidste ende mere ferskvand i Polarhavet – enten direkte eller via de store sibiriske floder, der løber ud i Polarhavet.

Det ekstra ferskvand ville have fremmet dannelsen af havis, som ville reflektere sollys og varme tilbage i rummet. Det ville også fungere som en barriere, der forhindrer den varme, der er lagret i havet, i at slippe ud i atmosfæren over Arktis. Begge disse fænomener ville afkøle de høje breddegrader yderligere. Desuden ville det arktiske vand, der strømmer tilbage til Nordatlanten, være blevet mindre koldt og salt – hvilket ville have kortsluttet effektiviteten af Ocean Conveyor belt som en global varmepumpe til de nordatlantiske regioner.

Kipningen mod istid

Disse forudsætninger – fugt plus en arktisk kerne til afkøling – ville have gjort klimasystemet meget modtageligt for vækst af iskapper. Selv beskedne ændringer i det globale miljø ville have været tilstrækkelige til at få vægten til at tippe og føre til starten på en større istid på den nordlige halvkugle.

En sådan ændring fandt sted mellem 3,1 og 2,5 millioner år siden, da Jordens akse svingede, så planetens hældning mod solen var mindre end den vinkel på 23,45 grader, som den har i dag. Mindre hældning til Jorden ville have reduceret mængden og intensiteten af solstråling, der ramte den nordlige halvkugle, hvilket førte til koldere somre og mindre smeltning af vintersne.

Den begyndende istid på den nordlige halvkugle påvirkede også det subarktiske Stillehav. Det førte for ca. 2,7 millioner år siden til dannelsen af et ferskvandsdække ved havets overflade, kaldet en haloklin. Denne arktiske haloklin ville have skabt en barriere for opstrømning, som forhindrede dybt kuldioxidrigt dybt vand i at stige op til overfladen. “Lækagen” af varmebærende kuldioxid til atmosfæren blev bremset, hvorved planeten blev yderligere afkølet.

Mange andre feedback-mekanismer mellem hav og atmosfære, som skyldes åbning og lukning af oceaniske porte, er stadig ufuldstændigt forstået. Og forskerne er også ved at undersøge konsekvenserne af andre oceaniske gateways.

Mark Cane og Peter Molnar har f.eks. foreslået, at de indonesiske øers hævning og bevægelse for 5 til 3 millioner år siden grundlæggende ville have omdirigeret mindre varmt vand fra det sydlige Stillehav og mere køligere vand fra det nordlige Stillehav gennem den indonesiske havvej. Konsekvensen kunne have været, at Stillehavet ændrede sig fra mere permanente El Niño-lignende tilstande (som flytter varme fra troperne til høje breddegrader) til en mere La Niña-lignende tilstand (som ville have begrænset varmeoverførslen og afkølet den nordlige halvkugle).

Læren fra disse enorme geologiske og geografiske forandringer er både elegant enkel og ulideligt kompleks. Åbning og lukning af havveje har en dybtgående indflydelse på fordelingen af ferskvand, næringsstoffer og energi i det globale hav. Koblingen af disse skiftende oceaner med en skiftende atmosfære betyder uundgåeligt et skiftende klima.