長いタイムラグは、常に科学者を困惑させています。 南極は3400万年前に巨大な氷床に覆われたのに、なぜ北極は300万年前に氷冠を獲得したのでしょうか。
6500万年前に恐竜が支配する非常に暖かい白亜紀が終わって以来、大気中の熱を奪う温室効果ガスは（前世紀という異常な例外はありますが）着実に減少し、地球全体が着実に冷えてきました。 では、なぜ両極が同時に凍結しなかったのでしょうか。
このパラドックスに対する答えは、大陸、海、大気が複雑に絡み合っているところにあります。 パズルのピースのように、地球の地殻変動プレートが地球表面で再配置され、間にある海の構成を変え、海洋循環を変化させ、気候の変化を引き起こしているのです。 ゴンドワナ超大陸が分裂し、アフリカ、インド、オーストラリア、南アメリカ、南極大陸に分かれました。 そして、これらの新大陸の間に航路が開かれ、海が行き交うようになりました。
最後に南極大陸が南米の南端から切り離されてドレーク海峡ができると、南極は完全に南洋に囲まれるようになりました。 強力な南極周極海が大陸を一周するようになり、南極大陸は世界の海からの暖気のほとんどから事実上隔離され、大規模な冷却を引き起こすことになりました。 堆積物コアなどのデータから、約500万年前まで、北アメリカと南アメリカはつながっていなかったことが分かっています。 パナマ地峡の形成によって大西洋と太平洋が分断され、地球の海洋循環が根本的に変化したことを示唆する証拠が増えているのです。
海洋コンベヤー
今日の気候システムの基本的な要素は、地球上に大量の熱と水分を分布させるコンベヤー状の海洋循環パターンである。
今日の海洋では、カリブ海、メキシコ湾、および大西洋赤道域からの暖かく塩分の多い表層水が、メキシコ湾流に乗って北へ流れています。 暖かい水は北大西洋の高緯度に達すると、熱と水分を大気中に放出し、冷たく塩分の濃い水が海底に沈む。 この水は深海を南下し、メキシコ湾流の下を通り、南氷洋、インド洋、太平洋へと流れていく。 最終的に、この水はより暖かい水と混ざり合い、大西洋に戻って循環を完了する。
しばしば海洋コンベヤーと呼ばれるこの地球規模の循環の主要なエンジンは、大西洋と太平洋の塩分濃度の差である。 パナマ地峡ができる前は、太平洋の表層水は大西洋に流れ込んでいた。
約500万年前、北米プレート、南米プレート、カリブ海プレートが収束しはじめました。 中米海峡が徐々に浅くなり、太平洋と大西洋の水の交換が制限されるようになり、両海域の塩分濃度が異なるようになった。 貿易風は水蒸気を低いパナマ地峡を越えて東から西に運び、降雨によって太平洋に新鮮な水を沈着させた。 その結果、太平洋は比較的新鮮になり、大西洋の塩分濃度はゆっくりと着実に上昇した。
海路の閉鎖の結果、メキシコ湾流が強まった。 湾流はより多くの暖かく塩分の多い水塊を北半球の高緯度地域に運び、北極の風がそれらを海底に沈むのに十分な密度になるまで冷却したのである。
Revving up the Gulf Stream
How does this make ice in the North?
Peter Weyl は、1968 年に中米海路の閉鎖とメキシコ湾流の強化が、北半球に氷床成長のための重要成分-水分をもたらしたと仮説を立てました。 しかし、1982年にロイド・ケイグウィンが、パナマ地峡の閉鎖が100万年以上前に海洋循環に影響を与えていた証拠を海洋堆積物から発見し、この仮説に対する疑念が表面化した。 1998年、ジェラルド・ハウグとラルフ・ティーデマンは、堆積物コアの高解像度データを用いて、ケイグウィンの研究を確認した。 420万年前までにすでに塩分濃度が変化していたのなら、なぜ270万年前まで氷河が始まらなかったのでしょうか？ それどころか、450万年前から270万年前にかけて地球は温暖化を経験したのです。
その「鮮新世中期温暖期」と呼ばれる地球規模の温暖化は、中米海峡の閉鎖とそれに伴う地球の海洋循環の再編成にも関係している可能性があるのです。 活性化した海洋コンベヤは、大西洋から深海循環の終着点である北太平洋への深層水の流れをより強くした可能性がある。
北太平洋への旅路で、これらの深層水は栄養分と二酸化炭素に富むようになった。 亜寒帯太平洋では、これらの深層水は湧昇して太陽の光が当たる表面まで上昇し、植物プランクトンの大発生を引き起こす材料を提供した可能性があります。 海底堆積物にはシリカやオパール（植物プランクトンの殻を保存したもの）が豊富に含まれ、ブルームと強力な湧昇の両方の証拠となっています。
しかし、湧昇が強力すぎたために植物プランクトンが追いつかず、植物プランクトンが使った以上の二酸化炭素が湧いてきた可能性があります。
コンベアのショートカット
約270万年前の鮮新世中期の温暖期を止めたのは何だったのでしょうか？
ワイルが提唱した、より強力で水分を多く含むメキシコ湾流説は、別の厄介な疑問を投げかけました。 水分だけでなく熱も北大西洋に運ぶメキシコ湾流が、どうして北半球の大冷却と氷の形成につながるのだろうかという疑問です。
Neal Driscoll と Gerald Haug は一つの解決策を提案しました。 彼らは、メキシコ湾流によって北上した水分が偏西風によってユーラシア大陸に運ばれたと仮定しています。 それは雨や雪となって降り、最終的には直接、または北極海に注ぐシベリアの大河を経由して、より多くの淡水が北極海に堆積したのです。 また、海氷は、海に蓄えられた熱が北極上空の大気中に逃げないようにするバリアとしても機能します。 この2つの現象は、高緯度地域をさらに冷やすことになる。
氷河への傾き
これらの前提条件、すなわち水分と北極の冷却の核は、気候システムを氷床の成長に非常に適したものにしていたのでしょう。 地球環境のささやかな変化でさえ、スケールを傾け、北半球の大規模な氷河の発生につながるのに十分だったでしょう。
まさにそのような変化が、310万年から250万年前に、地球の軸が変動して、太陽に対する地球の傾きが現在の23.45度より小さくなったときに起こりました。 地球の傾きが小さくなると、北半球に当たる太陽放射の量と強度が減少し、夏が寒くなり、冬の雪解けが少なくなりました。
北半球の氷河の始まりは、亜寒帯太平洋にも影響を及ぼしました。 それは約270万年前にハロクラインと呼ばれる海面上の淡水の蓋を形成することにつながったのです。 この北極のハロクラインが湧昇の障壁となり、二酸化炭素を多く含む深海の海水が表面に上がってこないようにしたのであろう。
海洋の入り口が開いたり閉じたりすることによって生じる、他の多くの海洋と大気のフィードバック機構は、まだ不完全にしか解明されていません。 たとえば、マーク・ケインとピーター・モルナーは、500 万年前から 300 万年前の間にインドネシア諸島が隆起して移動したことにより、インドネシア海路を通る南太平洋の暖かい水と北太平洋の冷たい水が根本的に再方向づけされただろうと示唆しました。 その結果、太平洋は、より永続的なエルニーニョのような状態（熱帯から高緯度へ熱を移動させる）から、よりラニーニャに近い状態（熱移動を抑制し北半球を冷却する）へと変化したかもしれません。 海路の開閉は、地球上の海洋における淡水、栄養分、エネルギーの分布に大きな影響を与える。 このように変化する海洋と変化する大気との結合は、必然的に変化する気候を意味する。