Długi czas opóźnienia zawsze zastanawiał naukowców: Dlaczego 34 miliony lat temu Antarktyda została pokryta masywnymi płatami lodu, podczas gdy Ocean Arktyczny uzyskał swoją pokrywę lodową dopiero około 3 miliony lat temu?

Od końca niezwykle ciepłej, zdominowanej przez dinozaury epoki kredy 65 milionów lat temu, ilość gazów cieplarnianych w atmosferze, które zatrzymują ciepło, stale się zmniejszała (z anomalnym wyjątkiem ostatniego stulecia), a planeta jako całość stale się ochładzała. Dlaczego więc oba bieguny nie zamarzły w tym samym czasie?

Odpowiedź na ten paradoks leży w złożonej interakcji między kontynentami, oceanami i atmosferą. Niczym kawałki układanki, ruchome płyty tektoniczne Ziemi zmieniły swój układ na powierzchni globu – zmieniając konfiguracje oceanów, zmieniając cyrkulację oceaniczną i powodując zmiany w klimacie.

Rozwój pokryw lodowych na półkuli południowej około 34 milionów lat temu wydaje się dość prosty. Superkontynent Gondwana rozpadł się, dzieląc się na części, które stały się Afryką, Indiami, Australią, Ameryką Południową i Antarktydą. Przejścia otworzyły się między tymi nowymi kontynentami, umożliwiając przepływ oceanów między nimi.

Gdy Antarktyda została ostatecznie odcięta od południowego krańca Ameryki Południowej, aby utworzyć Przejście Drake’a, Antarktyda została całkowicie otoczona przez Ocean Południowy. Potężny Antarktyczny Prąd Okołobiegunowy zaczął omiatać całą drogę wokół kontynentu, skutecznie izolując Antarktydę od większości ciepła z globalnych oceanów i prowokując chłodzenie na dużą skalę.

Półkula północna jest bardziej problematyczna. Z rdzeni osadowych i innych danych wiemy, że aż do około 5 milionów lat temu, Ameryka Północna i Południowa nie były połączone. Ogromna luka – Central American Seaway – pozwalała wodzie tropikalnej płynąć między Oceanem Atlantyckim a Spokojnym.

Rosnąca liczba dowodów sugeruje, że powstanie Przesmyku Panamskiego oddzieliło Ocean Atlantycki od Spokojnego i zasadniczo zmieniło globalną cyrkulację oceaniczną. Zamknięcie Środkowoamerykańskiej Drogi Morskiej początkowo mogło ocieplić klimat Ziemi, ale następnie ustanowiło scenę dla zlodowacenia na półkuli północnej 2,7 miliona lat temu.

Przewoźnik oceaniczny

Podstawowym elementem dzisiejszego systemu klimatycznego jest podobny do przenośnika wzór cyrkulacji oceanicznej, który rozprowadza ogromne ilości ciepła i wilgoci wokół naszej planety. Ta globalna cyrkulacja jest napędzana przez zatapianie zimnych, słonych – a zatem gęstych – wód oceanicznych.

W dzisiejszym oceanie ciepłe, słone wody powierzchniowe z Karaibów, Zatoki Meksykańskiej i równikowego Atlantyku płyną na północ w Prądzie Zatokowym. Gdy ciepła woda osiąga wysokie szerokości północnoatlantyckie, oddaje ciepło i wilgoć do atmosfery, pozostawiając zimną, słoną, gęstą wodę, która opada na dno oceanu. Woda ta płynie na dużych głębokościach, w kierunku południowym i pod Prądem Zatokowym, do Oceanu Południowego, a następnie przez Ocean Indyjski i Spokojny. Ostatecznie, woda miesza się z cieplejszą wodą i wraca do Atlantyku, aby zakończyć circulation.

Głównym motorem tej globalnej cyrkulacji, często nazywany Ocean Conveyor, jest różnica w zawartości soli między Atlantyku i Oceanu Spokojnego. Zanim istniał Przesmyk Panamski, wody powierzchniowe Pacyfiku wpływały do Atlantyku. Ich wody mieszały się, z grubsza równoważąc zasolenie obu oceanów.

Około 5 milionów lat temu, płyty północnoamerykańska, południowoamerykańska i karaibska zaczęły się zbiegać. Stopniowe shoaling Central American Seaway zaczął ograniczać wymianę wody między Pacyfiku i Atlantyku, a ich salinities diverged.

Parowanie w tropikalnych Atlantyku i Karaibów opuścił wody oceaniczne tam bardziej słone i umieścić świeże pary wodnej do atmosfery. Wiatry handlowe przenosiły parę wodną ze wschodu na zachód przez nisko położony Przesmyk Panamski i osadzały świeżą wodę w Pacyfiku poprzez opady deszczu. W rezultacie Pacyfik stał się stosunkowo świeższy, podczas gdy zasolenie powoli i stale rosło na Atlantyku.

W wyniku zamknięcia Seaway, Prąd Zatokowy zintensyfikował się. Transportował on więcej ciepłych, słonych mas wody do wysokich północnych szerokości geograficznych, gdzie arktyczne wiatry chłodziły je, aż stały się wystarczająco gęste, by zatonąć na dnie oceanu. Przenośnik oceaniczny toczył się, ciągnąc jeszcze więcej wód Prądu Zatokowego na północ.

Odwrócenie Prądu Zatokowego

Jak to powoduje powstawanie lodu na północy?

Peter Weyl wysunął w 1968 roku hipotezę, że zamknięcie cieśniny środkowoamerykańskiej i intensyfikacja Prądu Zatokowego przyniosły na półkulę północną składnik krytyczny dla wzrostu pokrywy lodowej – wilgoć. Teoria Weyla zakładała, że zamknięcie Środkowoamerykańskiej Drogi Morskiej i nagromadzenie soli na Atlantyku zbiegło się z rozwojem północnych lądolodów między 3,1 a 2,7 miliona lat temu.

Wątpliwości co do tej hipotezy pojawiły się w 1982 roku, kiedy Lloyd Keigwin znalazł w osadach oceanicznych dowody na to, że zamknięcie Przesmyku Panamskiego wpłynęło na cyrkulację oceaniczną ponad milion lat wcześniej. Wykazał on, że kontrast zasolenia między Atlantykiem a Pacyfikiem zaczął się rozwijać już 4,2 miliona lat temu.

W 1998 roku Gerald Haug i Ralf Tiedemann potwierdzili badania Keigwina za pomocą danych o wyższej rozdzielczości pochodzących z rdzeni osadowych. Jeśli zasolenie zmieniło się już 4,2 miliona lat temu, to dlaczego zlodowacenie rozpoczęło się dopiero 2,7 miliona lat temu? Wręcz przeciwnie, Ziemia doświadczyła ciepłego okresu między 4,5 mln a 2,7 mln lat temu.

Ten globalny okres ciepły, zwany środkowoplioceńskim okresem ciepłym, mógł być również związany z zamknięciem Środkowoamerykańskiej Drogi Morskiej i wynikającą z tego zmianą układu globalnej cyrkulacji oceanicznej. Wzmocniony przenośnik oceaniczny mógł spowodować silniejszy przepływ głębokich wód z Atlantyku do północnego Pacyfiku, który jest końcem linii dla cyrkulacji głębinowej.

Podczas podróży do północnego Pacyfiku te głębokie wody wzbogaciły się w składniki odżywcze i dwutlenek węgla. W Subarctic Pacific, te głębokie wody mogły upwelled, wzrost do powierzchni oświetlonej słońcem, aby zapewnić składniki do iskry ogromne zakwity fitoplanktonu. Wielkie obfitości krzemionki i opal (zachowany materiał z fitoplanktonu muszli) w osadach dna morskiego są dowody zarówno zakwitów i silny upwelling.

The upwelling może być tak silny, jednak, że fitoplankton nie nadąża z upwelling- to znaczy, więcej dwutlenku węgla upwelled niż został wykorzystany przez fitoplankton. W konsekwencji nadmiar dwutlenku węgla „wyciekł” z powrotem do atmosfery, dodając gaz cieplarniany, który ocieplił planetę.

Skrócenie przenośnika

Co zamknęło Środkowo-Plioceński Okres Ciepły około 2,7 miliona lat temu? I co ostatecznie spowodowało zlodowacenie północnej półkuli mniej więcej w tym samym czasie – lecz prawie 2 miliony lat po uformowaniu się Przesmyku Panamskiego?

Pierwotna teoria Weyla o silniejszym, pełnym wilgoci Prądzie Zatokowym zrodziła kolejne kłopotliwe pytanie: Jak Prąd Zatokowy – który transportuje nie tylko wilgoć, ale i ciepło do północnego Atlantyku – mógł doprowadzić do znacznego ochłodzenia półkuli północnej i powstania lodu?

Neal Driscoll i Gerald Haug zaproponowali jedno rozwiązanie. Postulowali oni, że wilgoć niesiona na północ przez Prąd Zatokowy była transportowana przez przeważające zachodnie wiatry do Eurazji. Spadł jako deszcz lub śnieg, w końcu złożenie więcej słodkiej wody do Oceanu Arktycznego – albo bezpośrednio, lub przez wielkich syberyjskich rzek, które opróżniają do Arctic Ocean.

Dodana słodka woda ułatwiłoby tworzenie lodu morskiego, który odbija światło słoneczne i ciepło z powrotem w przestrzeń. To będzie również działać jako bariera blokując ciepło przechowywane w oceanie z ucieczki do atmosfery nad Arktyką. Oba te zjawiska spowodowałyby dalsze ochłodzenie wysokich szerokości geograficznych. Dodatkowo, wody arktyczne wpływające z powrotem do północnego Atlantyku stałyby się mniej zimne i słone – krótko mówiąc, zmniejszyłyby wydajność pasa oceanicznego jako globalnej pompy ciepła do regionów północnoatlantyckich.

Przechył w kierunku zlodowacenia

Te warunki wstępne – wilgoć plus arktyczne jądro chłodzenia – uczyniłyby system klimatyczny bardzo podatnym na wzrost pokrywy lodowej. Nawet niewielkie zmiany w globalnym środowisku byłyby wystarczające, by przechylić szalę i doprowadzić do początku zlodowacenia na półkuli północnej.

Taka właśnie zmiana nastąpiła między 3,1 a 2,5 miliona lat temu, gdy oś Ziemi wahała się tak, że nachylenie planety względem Słońca było mniejsze niż dzisiejszy kąt 23,45 stopnia. Mniejsze nachylenie Ziemi zmniejszyłoby ilość i intensywność promieniowania słonecznego uderzającego w półkulę północną, prowadząc do chłodniejszych lat i mniejszego topnienia zimowych śniegów.

Początek zlodowacenia półkuli północnej wpłynął również na subarktyczny Pacyfik. Doprowadziło to do powstania około 2,7 milionów lat temu słodkiej wody pokrywa na powierzchni oceanu, zwany halocline. Ta arktyczna haloklina stworzyłaby barierę dla upwellingu, który zablokował bogate w dwutlenek węgla głębokie wody przed wypłynięciem na powierzchnię. Wyciek” wyłapującego ciepło dwutlenku węgla do atmosfery został powstrzymany, co spowodowało dalsze ochłodzenie planety.

Wiele innych mechanizmów sprzężenia zwrotnego ocean-atmosfera, wynikających z otwierania i zamykania oceanicznych wrót, pozostaje niedoskonale zrozumianych. A naukowcy badają również konsekwencje innych oceanicznych wrót.

Mark Cane i Peter Molnar, na przykład, zasugerowali, że wypiętrzenie i ruch Wysp Indonezyjskich między 5 a 3 milionami lat temu zasadniczo przekierowałyby mniej ciepłej wody z Południowego Pacyfiku i więcej chłodniejszej wody z Północnego Pacyfiku przez Indonezyjski Seaway. Konsekwencją mogło być to, że Pacyfik zmienił się z bardziej trwałych warunków El Niño-podobnych (które przenoszą ciepło z tropików na wysokie szerokości geograficzne) na bardziej La Niña-podobny stan (który ograniczyłby transfer ciepła i ochłodziłby półkulę północną).

Wnioski z tych rozległych zmian geologicznych i geograficznych są zarówno elegancko proste, jak i frustrująco złożone. Otwarcie i zamknięcie dróg morskich ma głęboki wpływ na dystrybucję słodkiej wody, składników odżywczych i energii w globalnym oceanie. Sprzężenie tych zmieniających się oceanów ze zmieniającą się atmosferą nieuchronnie oznacza zmieniający się klimat.

.