Pitkä viiveaika on aina askarruttanut tutkijoita:

Sen jälkeen, kun äärimmäisen lämmin, dinosaurusten hallitsema liitukausi päättyi 65 miljoonaa vuotta sitten, ilmakehän lämpöä sitovat kasvihuonekaasut ovat vähentyneet tasaisesti (viime vuosisadan poikkeuksellista poikkeusta lukuun ottamatta), ja koko planeetta on jäähtynyt tasaisesti. Miksi siis molemmat navat eivät jäätyneet samaan aikaan?

Vastaus paradoksiin piilee mantereiden, valtamerten ja ilmakehän monimutkaisessa vuorovaikutuksessa. Kuin palapelin palat, maapallon liikkuvat mannerlaatat ovat järjestäytyneet uudelleen maapallon pinnalla – siirtäen väliin jäävien valtamerten kokoonpanoja, muuttaen valtamerten kiertokulkua ja aiheuttaen muutoksia ilmastossa.

Jääpeitteiden kehittyminen eteläisellä pallonpuoliskolla noin 34 miljoonaa vuotta sitten vaikuttaa melko suoraviivaiselta. Gondwanan superkontinentti hajosi ja jakautui osa-alueisiin, joista tuli Afrikka, Intia, Australia, Etelä-Amerikka ja Etelämanner. Näiden uusien mantereiden välille avautui kulkuväyliä, jotka mahdollistivat valtamerten virtaamisen niiden välillä.

Kun Etelämanner lopulta katkaistiin Etelä-Amerikan eteläkärjestä Draken solan luomiseksi, Etelämanner jäi kokonaan Eteläisen valtameren ympäröimäksi. Voimakas Etelämantereen sirkumpolaarivirta alkoi pyyhkäistä koko mantereen ympäri, mikä tehokkaasti eristi Etelämantereen suurimmasta osasta maailman valtamerten lämpöä ja aiheutti laajamittaista jäähtymistä.

Pohjoinen pallonpuolisko on ongelmallisempi. Sedimenttisydämistä ja muista tiedoista tiedämme, että noin 5 miljoonaa vuotta sitten Pohjois- ja Etelä-Amerikka eivät olleet yhteydessä toisiinsa. Valtava aukko – Keski-Amerikan meriväylä – mahdollisti trooppisen veden virtaamisen Atlantin ja Tyynenmeren välillä.

Kasvava todistusaineisto viittaa siihen, että Panaman kannaksen muodostuminen jakoi Atlantin ja Tyynenmeren ja muutti perustavanlaatuisesti globaalia merenkiertoa. Keski-Amerikan meriväylän sulkeutuminen saattoi aluksi lämmittää maapallon ilmastoa, mutta pohjusti sitten jäätiköitymisen pohjoisella pallonpuoliskolla 2,7 miljoonaa vuotta sitten.

Ocean kuljetin

Nykyaikaisen ilmastojärjestelmän perustavanlaatuinen elementti on kuljetinmainen valtamerten kiertokuljetuskuvio, joka jakaa valtavia määriä lämpöä ja kosteutta ympäri planeettaamme. Tätä globaalia kiertoa edistää kylmän, suolaisen – ja siksi tiheän – valtameren veden vajoaminen.

Nykypäivän valtameressä Karibianmereltä, Meksikonlahdelta ja päiväntasaajan Atlantilta tuleva lämmin, suolainen pintavesi virtaa Golfvirrassa pohjoiseen. Kun lämmin vesi saavuttaa Pohjois-Atlantin korkeat leveysasteet, se luovuttaa lämpöä ja kosteutta ilmakehään, jolloin jäljelle jää kylmää, suolaista ja tiheää vettä, joka vajoaa merenpohjaan. Tämä vesi virtaa syvyyksissä etelään ja Golfvirran alla eteläiseen valtamereen, josta se virtaa Intian ja Tyynen valtameren läpi. Lopulta vesi sekoittuu lämpimämpään veteen ja palaa Atlantille täydentääkseen kiertokulun.

Tämän globaalin kiertokulun, jota usein kutsutaan Ocean Conveyoriksi, tärkein moottori on Atlantin ja Tyynen valtameren suolapitoisuusero. Ennen Panaman salmen olemassaoloa Tyynenmeren pintavedet virtasivat Atlanttiin. Niiden vedet sekoittuivat keskenään, mikä tasoitti suunnilleen näiden kahden valtameren suolapitoisuutta.

Noin 5 miljoonaa vuotta sitten Pohjois-Amerikan, Etelä-Amerikan ja Karibian mannerlaatat alkoivat lähentyä toisiaan. Keski-Amerikan meriväylän asteittainen kaventuminen alkoi rajoittaa veden vaihtoa Tyynenmeren ja Atlantin välillä, ja niiden suolapitoisuudet erosivat toisistaan.

Trooppisen Atlantin ja Karibianmeren haihdunta jätti merivedet siellä suolaisemmiksi ja vapautti ilmakehään makeaa vesihöyryä. Pasaatituulet kuljettivat vesihöyryn idästä länteen matalan Panaman kannaksen yli ja laskeuttivat makeaa vettä Tyynenmeren alueelle sateiden kautta. Tämän seurauksena Tyynimeri muuttui suhteellisen raikkaammaksi, kun taas Atlantin suolapitoisuus kasvoi hitaasti ja tasaisesti.

Meriväylien sulkeutumisen seurauksena Golfvirta voimistui. Se kuljetti lisää lämpimiä, suolaisia vesimassoja korkeille pohjoisille leveysasteille, missä arktiset tuulet jäähdyttivät niitä, kunnes niistä tuli riittävän tiheitä vajotakseen merenpohjaan. Valtameren kuljetin oli pyörimässä, ja se veti entistä enemmän Golf-virran vesiä pohjoiseen.

Golf-virran kiihtyminen

Miten tästä syntyy jäätä pohjoisessa?

Peter Weyl esitti vuonna 1968 hypoteesin, jonka mukaan Keski-Amerikan meriväylän sulkeutuminen ja Golf-virran voimistuminen olisivat tuoneet pohjoiselle pallonpuoliskolle jääpeitteen kasvulle kriittisen aineksen – kosteuden. Weylin teoriassa oletettiin, että Keski-Amerikan meriväylän sulkeutuminen ja suolan kertyminen Atlantille osuivat samaan aikaan pohjoisten jääpeitteiden kasvun kanssa 3,1-2,7 miljoonaa vuotta sitten.

Tämän hypoteesin epäilykset heräsivät kuitenkin vuonna 1982, kun Lloyd Keigwin löysi valtamerten sedimenteistä todisteita siitä, että Panaman kannaksen sulkeutuminen oli vaikuttanut valtamerten kiertokulkuun yli miljoona vuotta aikaisemmin. Hän osoitti, että Atlantin ja Tyynenmeren välinen suolapitoisuuskontrasti oli alkanut kehittyä jo 4,2 miljoonaa vuotta sitten.

Vuonna 1998 Gerald Haug ja Ralf Tiedemann vahvistivat Keigwinin tutkimuksen sedimenttisydämistä saaduilla korkeamman resoluution tiedoilla. Jos suolapitoisuus oli muuttunut jo 4,2 miljoonaa vuotta sitten, miksi jäätiköityminen alkoi vasta 2,7 miljoonaa vuotta sitten? Päinvastoin, maapallolla oli lämmin kausi 4,5 miljoonaa ja 2,7 miljoonaa vuotta sitten.

Tämä globaali lämmin kausi, jota kutsutaan plioseenin puolivälin lämpökaudeksi, saattoi liittyä myös Keski-Amerikan meriväylän sulkeutumiseen ja sitä seuranneeseen globaalin valtamerenkierron uudelleenjärjestelyyn. Voimistunut valtameren kulkuväylä saattoi ajaa syvien vesien voimakkaamman virtauksen Atlantilta Pohjois-Tyynelle valtamerelle, joka on syvän valtameren kiertokulun päätepiste.

Matkallaan Pohjois-Tyynelle valtamerelle nämä syvät vedet rikastuivat ravinteilla ja hiilidioksidilla. Subarktisella Tyynellämerellä nämä syvänmeren vedet ovat voineet nousta ylöspäin, nousta auringon valaisemalle pinnalle ja tarjota aineksia valtavien kasviplanktonkukintojen synnyttämiseen. Piidioksidin ja opaalin (kasviplanktonin kuorien säilyneen materiaalin) suuret määrät merenpohjan sedimenteissä ovat todisteena sekä kukinnoista että voimakkaasta nousuvedestä.

Nousuvesi saattoi kuitenkin olla niin voimakasta, että kasviplankton ei pysynyt nousuveden vauhdissa mukana – eli hiilidioksidia nousi ylöspäin enemmän kuin kasviplankton käytti sitä. Näin ollen ylimääräinen hiilidioksidi ”vuoti” takaisin ilmakehään ja lisäsi kasvihuonekaasua, joka lämmitti maapalloa.

Kuljettimen oikosulku

Mikä lopetti keskiplioseenin lämpökauden noin 2,7 miljoonaa vuotta sitten? Ja mikä lopulta aiheutti pohjoisen pallonpuoliskon jäätiköitymisen suunnilleen samaan aikaan – mutta lähes 2 miljoonaa vuotta Panaman kannaksen muodostumisen jälkeen?

Weylin alkuperäinen teoria voimakkaammasta, kosteutta sisältävästä Golf-virrasta herätti toisenkin hankalan kysymyksen:

Neal Driscoll ja Gerald Haug ehdottivat yhtä ratkaisua. He esittivät, että Golfvirran pohjoiseen kuljettama kosteus kulkeutui vallitsevien länsituulten mukana Euraasiaan. Se satoi sateena tai lumena, jolloin Jäämereen laskeutui lopulta lisää makeaa vettä – joko suoraan tai Jäämereen laskevien Siperian suurten jokien kautta.

Lisääntynyt makea vesi olisi helpottanut merijään muodostumista, joka heijastaisi auringonvaloa ja lämpöä takaisin avaruuteen. Se toimisi myös esteenä, joka estäisi meriin varastoitunutta lämpöä karkaamasta ilmakehään arktisen alueen yläpuolella. Molemmat ilmiöt viilentäisivät korkeita leveyspiirejä entisestään. Lisäksi Pohjois-Atlantille takaisin virtaavat arktiset vedet olisivat muuttuneet vähemmän kylmiksi ja suolaisiksi – mikä olisi lyhentänyt valtamerten kuljetushihnan tehokkuutta globaalina lämpöpumppuna Pohjois-Atlantin alueille.

Kaltevuus kohti jäätiköitymistä

Näiden ennakkoedellytysten – kosteus ja arktinen ydin jäähdyttämiseen – vuoksi ilmastosysteemi olisi ollut erittäin altis jääpeitteen kasvulle. Jopa vaatimattomat muutokset globaalissa ympäristössä olisivat riittäneet kallistamaan vaakakupin ja johtamaan pohjoisen pallonpuoliskon laajamittaisen jäätiköitymisen alkamiseen.

Juuri tällainen muutos tapahtui 3,1-2,5 miljoonaa vuotta sitten, kun maapallon akseli heilahti niin, että planeetan kallistus aurinkoa kohti oli pienempi kuin nykyinen 23,45 asteen kulma. Pienempi kallistus maapalloon olisi vähentänyt pohjoiseen pallonpuoliskoon osuvan auringonsäteilyn määrää ja voimakkuutta, mikä olisi johtanut kylmempiin kesiin ja vähäisempään talvilumien sulamiseen.

Pohjoisen pallonpuoliskon jäätiköitymisen alkaminen vaikutti myös Subarktiseen Tyynenmeren alueeseen. Se johti noin 2,7 miljoonaa vuotta sitten makean veden peitteen, halokliinin, muodostumiseen meren pintaan. Tämä arktinen halokliini olisi muodostanut nousuveden esteen, joka esti hiilidioksidipitoisten syvien syvien vesien nousun pintaan. Lämpöä sitovan hiilidioksidin ”vuoto” ilmakehään estyi, mikä jäähdytti planeettaa entisestään.

Monet muut valtamerten ja ilmakehän väliset palautemekanismit, jotka johtuvat valtamerten porttien avautumisesta ja sulkeutumisesta, tunnetaan edelleen puutteellisesti. Tutkijat tutkivat myös muiden valtameriporttien vaikutuksia.

Mark Cane ja Peter Molnar ovat esimerkiksi ehdottaneet, että Indonesian saarten kohoaminen ja liikkuminen 5-3 miljoonaa vuotta sitten olisi pohjimmiltaan ohjannut vähemmän lämmintä eteläisen Tyynenmeren vettä ja enemmän viileämpää pohjoisen Tyynenmeren vettä Indonesian meriväylän läpi. Seurauksena olisi saattanut olla, että Tyynimeri olisi muuttunut pysyvämmistä El Niñon kaltaisista olosuhteista (jotka siirtävät lämpöä tropiikista korkeille leveysasteille) La Niñon kaltaisiin olosuhteisiin (jotka olisivat rajoittaneet lämmönsiirtoa ja viilentäneet pohjoista pallonpuoliskoa).

Näistä valtavista geologisista ja maantieteellisistä muutoksista saadut opetukset ovat sekä tyylikkäästi yksinkertaisia että piinallisen monimutkaisia. Meriväylien avautumisella ja sulkeutumisella on syvällinen vaikutus makean veden, ravinteiden ja energian jakautumiseen maailman meressä. Näiden muuttuvien valtamerten ja muuttuvan ilmakehän kytkeytyminen toisiinsa merkitsee väistämättä muuttuvaa ilmastoa.