Lungul decalaj a nedumerit întotdeauna oamenii de știință: De ce Antarctica a devenit acoperită de straturi masive de gheață în urmă cu 34 de milioane de ani, în timp ce Oceanul Arctic și-a dobândit calota de gheață abia în urmă cu aproximativ 3 milioane de ani?

De la sfârșitul Erei Cretacice, extrem de caldă, dominată de dinozauri, în urmă cu 65 de milioane de ani, gazele cu efect de seră care captează căldura din atmosferă au scăzut în mod constant (cu excepția anormală a ultimului secol), iar planeta, în ansamblu, s-a răcit în mod constant. Așadar, de ce nu au înghețat ambii poli în același timp?

Răspunsul la acest paradox se află în interacțiunea complexă dintre continente, oceane și atmosferă. Ca piesele unui puzzle, plăcile tectonice în mișcare ale Pământului s-au rearanjat pe suprafața globului – schimbând configurațiile oceanelor intermediare, modificând circulația oceanică și provocând schimbări în climă.

Dezvoltarea calotelor de gheață în emisfera sudică în urmă cu aproximativ 34 de milioane de ani pare destul de simplă. Supercontinentul Gondwana s-a destrămat, separându-se în subsecțiuni care au devenit Africa, India, Australia, America de Sud și Antarctica. Pasajele s-au deschis între aceste noi continente, permițând oceanelor să curgă între ele.

Când Antarctica a fost în cele din urmă despărțită de vârful sudic al Americii de Sud pentru a crea Pasajul Drake, Antarctica a devenit complet înconjurată de Oceanul Sudic. Puternicul Curent Circumpolar Antarctic a început să măture tot în jurul continentului, izolând efectiv Antarctica de cea mai mare parte a căldurii din oceanele globale și provocând o răcire pe scară largă.

Hemisfera nordică este mai problematică. Din carote de sedimente și alte date, știm că, până acum aproximativ 5 milioane de ani, America de Nord și America de Sud nu erau conectate. O breșă uriașă – Calea maritimă a Americii Centrale – permitea apei tropicale să circule între Oceanul Atlantic și Pacific.

Un număr tot mai mare de dovezi sugerează că formarea Istmului Panama a divizat Oceanul Atlantic și Pacific și a schimbat fundamental circulația oceanică globală. Este posibil ca închiderea Căii Maritime Central-Americane să fi încălzit inițial clima Pământului, dar apoi a pregătit terenul pentru glaciațiune în emisfera nordică în urmă cu 2,7 milioane de ani.

Transportorul oceanic

Un element fundamental al sistemului climatic actual este un model de circulație oceanică de tip transportor care distribuie cantități mari de căldură și umiditate în jurul planetei noastre. Această circulație globală este propulsată de scufundarea apelor oceanice reci, sărate – și, prin urmare, dense.

În oceanul de astăzi, apa de suprafață caldă și sărată din Caraibe, Golful Mexic și Atlanticul ecuatorial curge spre nord în Curentul Golfului. Pe măsură ce apa caldă ajunge la latitudini înalte ale Atlanticului de Nord, cedează căldură și umiditate în atmosferă, lăsând apă rece, sărată și densă care se scufundă pe fundul oceanului. Această apă curge în adâncime, spre sud și sub Curentul Golfului, spre Oceanul Sudic, apoi prin Oceanul Indian și Oceanul Pacific. În cele din urmă, apa se amestecă cu apă mai caldă și se întoarce în Atlantic pentru a finaliza circulația.

Propulsorul principal al acestei circulații globale, adesea numită Transportatorul Oceanic, este diferența de conținut de sare dintre Oceanul Atlantic și Oceanul Pacific. Înainte de existența Istmului Panama, apele de suprafață ale Pacificului se scurgeau în Atlantic. Apele lor se amestecau, echilibrând aproximativ salinitatea celor două oceane.

Cu aproximativ 5 milioane de ani în urmă, plăcile Americii de Nord, Americii de Sud și Caraibelor au început să converge. Umflarea treptată a Canalului maritim al Americii Centrale a început să restricționeze schimbul de apă între Pacific și Atlantic, iar salinitatea lor a devenit divergentă.

Evaporarea în Atlanticul tropical și în Caraibe a lăsat apele oceanice de acolo mai sărate și a introdus vapori de apă proaspătă în atmosferă. Vânturile albastre au transportat vaporii de apă de la est la vest prin Istmul Panama, situat la joasă altitudine, și au depozitat apă dulce în Pacific prin precipitații. Ca urmare, Pacificul a devenit relativ mai proaspăt, în timp ce salinitatea a crescut încet și constant în Atlantic.

Ca urmare a închiderii Căii Maritime, Curentul Golfului s-a intensificat. Acesta a transportat mai multe mase de apă caldă și sărată la latitudini nordice înalte, unde vânturile arctice le-au răcit până când au devenit suficient de dense pentru a se scufunda pe fundul oceanului. Transportatorul oceanic se rostogolea, atrăgând și mai multe ape din Curentul Golfului spre nord.

Revitalizarea Curentului Golfului

Cum se produce gheața în nord?

Peter Weyl a emis ipoteza în 1968 că închiderea Căii Maritime a Americii Centrale și intensificarea Curentului Golfului ar fi adus în emisfera nordică un ingredient critic pentru creșterea stratului de gheață – umiditatea. Teoria lui Weyl presupunea că închiderea Căii Maritime Central-Americane și acumularea de sare în Atlantic au coincis cu creșterea calotelor de gheață nordice între 3,1 și 2,7 milioane de ani în urmă.

Dar îndoielile cu privire la această ipoteză au apărut în 1982, când Lloyd Keigwin a găsit dovezi în sedimentele oceanice că închiderea Istmului Panama a influențat circulația oceanică cu mai mult de un milion de ani mai devreme. El a demonstrat că contrastul de salinitate dintre Atlantic și Pacific începuse deja să se dezvolte în urmă cu 4,2 milioane de ani.

În 1998, Gerald Haug și Ralf Tiedemann au confirmat cercetările lui Keigwin cu date de rezoluție mai mare din carote de sedimente. Dacă salinitatea se schimbase deja în urmă cu 4,2 milioane de ani, de ce nu a început glaciațiunea până acum 2,7 milioane de ani? Dimpotrivă, Pământul a cunoscut o perioadă caldă între 4,5 milioane și 2,7 milioane de ani în urmă.

Acea perioadă caldă globală, numită Perioada caldă a pliocenului mijlociu, ar fi putut fi legată și de închiderea Canalului maritim al Americii Centrale și de rearanjarea consecventă a circulației oceanice globale. Un Transportator Oceanic revigorat ar fi putut impulsiona un flux mai puternic de ape adânci dinspre Oceanul Atlantic spre Oceanul Pacific de Nord, care este capătul de linie al circulației oceanice de adâncime.

În călătoria lor spre Pacificul de Nord, aceste ape adânci s-au îmbogățit în nutrienți și dioxid de carbon. În Pacificul Subarctic, aceste ape de adâncime ar fi putut urca în sus, ridicându-se la suprafața luminată de soare pentru a furniza ingredientele care să declanșeze înfloriri enorme de fitoplancton. Abundența mare de siliciu și opal (materialul conservat din cochiliile fitoplanctonului) în sedimentele de pe fundul mării este o dovadă atât a înfloririi, cât și a puternicului flux ascendent.

Este posibil ca fluxul ascendent să fi fost atât de puternic, totuși, încât fitoplanctonul să nu fi ținut pasul cu fluxul ascendent – adică mai mult dioxid de carbon a urcat decât a fost folosit de fitoplancton. În consecință, excesul de dioxid de carbon s-a „scurs” înapoi în atmosferă, adăugând un gaz cu efect de seră care a încălzit planeta.

Curtarea scurtcircuitului de transport

Ce a oprit perioada caldă a pliocenului mijlociu cu aproximativ 2,7 milioane de ani în urmă? Și ce a cauzat în cele din urmă glaciațiunea emisferei nordice cam în același timp – dar la aproape 2 milioane de ani după ce s-a format Istmul Panama?

Teoria inițială a lui Weyl despre un Gulf Stream mai puternic și încărcat de umiditate a ridicat o altă întrebare dificilă: Cum ar putea Curentul Golfului – care transportă nu numai umiditate, ci și căldură în Atlanticul de Nord – să ducă la o răcire majoră a emisferei nordice și la formarea de gheață?

Neal Driscoll și Gerald Haug au propus o soluție. Ei au postulat că umiditatea transportată spre nord de către Curentul Golfului a fost transportată de vânturile predominante dinspre vest către Eurasia. Aceasta a căzut sub formă de ploaie sau zăpadă, depunând în cele din urmă mai multă apă dulce în Oceanul Arctic – fie direct, fie prin intermediul marilor râuri siberiene care se varsă în Oceanul Arctic.

Acesta adaos de apă dulce ar fi facilitat formarea gheții marine, care ar fi reflectat lumina soarelui și căldura înapoi în spațiu. De asemenea, ar fi acționat ca o barieră care ar fi blocat căldura stocată în ocean să scape în atmosfera de deasupra Arcticii. Ambele fenomene ar fi răcit și mai mult latitudinile înalte. În plus, apele arctice care ar fi revenit în Atlanticul de Nord ar fi devenit mai puțin reci și mai puțin sărate – scurtcircuitând eficiența benzii transportoare a oceanelor ca pompă de căldură globală către regiunile din Atlanticul de Nord.

Înclinația spre glaciațiune

Aceste condiții prealabile – umezeală plus un nucleu arctic pentru răcire – ar fi făcut ca sistemul climatic să fie foarte susceptibil la creșterea stratului de gheață. Chiar și schimbări modeste în mediul global ar fi fost suficiente pentru a înclina balanța și a duce la declanșarea unei glaciațiuni majore în emisfera nordică.

Exact o astfel de schimbare a avut loc între 3,1 și 2,5 milioane de ani în urmă, când axa Pământului a fluctuat astfel încât înclinarea planetei față de soare a fost mai mică decât unghiul actual de 23,45 grade. O înclinare mai mică a Pământului ar fi redus cantitatea și intensitatea radiațiilor solare care lovesc emisfera nordică, ceea ce a dus la veri mai reci și la o mai mică topire a zăpezilor din timpul iernii.

Începerea glaciațiunii din emisfera nordică a afectat, de asemenea, Pacificul subarctic. Aceasta a dus la formarea, în urmă cu aproximativ 2,7 milioane de ani, a unui capac de apă dulce la suprafața oceanului, numit haloclina. Acest haloclin arctic ar fi creat o barieră în calea fluxurilor ascendente, care a blocat ascensiunea la suprafață a apelor de adâncime bogate în dioxid de carbon. „Scurgerea” de dioxid de carbon captator de căldură în atmosferă a fost oprită, răcind și mai mult planeta.

Multe alte mecanisme de feedback ocean-atmosferă, rezultate din deschiderea și închiderea porților oceanice, rămân imperfect înțelese. Iar oamenii de știință explorează, de asemenea, ramificațiile altor porți oceanice.

Mark Cane și Peter Molnar, de exemplu, au sugerat că ridicarea și mișcarea insulelor indoneziene, între 5 și 3 milioane de ani în urmă, ar fi redirecționat în mod fundamental apa mai puțin caldă din Pacificul de Sud și mai multă apă mai rece din Pacificul de Nord prin Canalul maritim indonezian. Consecința ar fi putut fi că Pacificul a trecut de la condiții mai permanente de tip El Niño (care transferă căldura de la tropice la latitudini înalte) la o stare mai asemănătoare cu La Niña (care ar fi redus transferul de căldură și ar fi răcit emisfera nordică).

Lecțiile acestor vaste schimbări geologice și geografice sunt atât elegant de simple, cât și extrem de complexe. Deschiderea și închiderea căilor maritime are o influență profundă asupra distribuției de apă dulce, nutrienți și energie în oceanul global. Cuplarea acestor oceane în schimbare cu o atmosferă în schimbare înseamnă, în mod inevitabil, o climă în schimbare.

.