Den långa fördröjningstiden har alltid förbryllat forskarna: Varför täcktes Antarktis av massiva istäcken för 34 miljoner år sedan, medan Ishavet fick sin platåglaciär först för cirka 3 miljoner år sedan?
Sedan slutet av den extremt varma, dinosauriedominerade kritaperioden för 65 miljoner år sedan har de värmebärande växthusgaserna i atmosfären stadigt minskat (med det onormala undantaget under det senaste århundradet) och planeten i sin helhet har kylts ner stadigt. Så varför frös inte båda polerna samtidigt?
Svaret på paradoxen ligger i det komplexa samspelet mellan kontinenterna, haven och atmosfären. Likt pusselbitar har jordens rörliga tektoniska plattor arrangerat om sig själva på jordklotets yta – de har flyttat konfigurationen av de mellanliggande oceanerna, ändrat cirkulationen i haven och orsakat förändringar i klimatet.
Utvecklingen av istäcken på det södra halvklotet för cirka 34 miljoner år sedan verkar ganska okomplicerad. Superkontinenten Gondwana bröts sönder och delades upp i delar som blev Afrika, Indien, Australien, Sydamerika och Antarktis. Passager öppnades mellan dessa nya kontinenter, vilket gjorde att haven kunde flöda mellan dem.
När Antarktis slutligen skildes från Sydamerikas sydspets för att skapa Drakepassagen blev Antarktis helt omgiven av Södra oceanen. Den kraftfulla antarktiska cirkumpolära strömmen började svepa hela vägen runt kontinenten, vilket effektivt isolerade Antarktis från det mesta av värmen från de globala oceanerna och framkallade en storskalig nedkylning.
Det norra halvklotet är mer problematiskt. Från sedimentkärnor och andra uppgifter vet vi att Nord- och Sydamerika inte var sammankopplade förrän för cirka 5 miljoner år sedan. En enorm klyfta – den centralamerikanska sjövägen – gjorde det möjligt för tropiskt vatten att flöda mellan Atlanten och Stilla havet.
En växande mängd bevis tyder på att bildandet av Panamas lutning delade upp Atlanten och Stilla havet och förändrade den globala havscirkulationen i grunden. Stängningen av den centralamerikanska sjövägen kan till en början ha värmt upp jordens klimat, men sedan lagt grunden för nedisning på norra halvklotet för 2,7 miljoner år sedan.
Ocean Conveyor
En grundläggande beståndsdel i dagens klimatsystem är ett transportbandsliknande cirkulationsmönster i haven som distribuerar stora mängder värme och fukt runt vår planet. Denna globala cirkulation drivs av att kallt, salt och därför tätt havsvatten sjunker ner.
I dagens hav strömmar varmt, salt ytvatten från Karibien, Mexikanska golfen och ekvatorialatlanten norrut i Golfströmmen. När det varma vattnet når höga nordatlantiska breddgrader avger det värme och fukt till atmosfären och lämnar kvar kallt, salt och tätt vatten som sjunker till havsbotten. Detta vatten strömmar på djupet, söderut och under Golfströmmen, till södra oceanen och sedan genom Indiska oceanen och Stilla havet. Så småningom blandas vattnet med varmare vatten och återvänder till Atlanten för att slutföra cirkulationen.
Den viktigaste motorn i denna globala cirkulation, som ofta kallas Ocean Conveyor, är skillnaden i salthalt mellan Atlanten och Stilla havet. Innan Panamasjön existerade strömmade stillahavets ytvatten ut i Atlanten. Deras vatten blandades, vilket i stort sett balanserade de två oceanernas salthalt.
För ungefär 5 miljoner år sedan började de nordamerikanska, sydamerikanska och karibiska plattorna konvergera. Den centralamerikanska sjöfartsleden började gradvis att bli mindre och mindre vattenutbyte mellan Stilla havet och Atlanten, och deras salthalter skiljde sig åt.
Förångningen i den tropiska delen av Atlanten och Karibien gjorde att havsvattnet där blev saltare och att färsk vattenånga hamnade i atmosfären. Passadvindarna förde vattenånga från öst till väst över den lågt liggande Isthmus of Panama och avsatte sötvatten i Stilla havet genom nederbörd. Som ett resultat av detta blev Stilla havet relativt fräschare, medan salthalten långsamt och stadigt ökade i Atlanten.
Som ett resultat av att sjövägen stängdes intensifierades Golfströmmen. Den transporterade fler varma, salta vattenmassor till höga nordliga latituder, där arktiska vindar kylde dem tills de blev tillräckligt täta för att sjunka till havsbotten. Ocean Conveyor rullade och drog ännu mer vatten från Golfströmmen norrut.
Golfströmmen vände uppåt
Hur blir isen i norr?
Peter Weyl ställde 1968 den hypotesen att stängningen av den centralamerikanska sjöfartsleden och intensifieringen av Golfströmmen skulle ha fört med sig en kritisk ingrediens för tillväxt av inlandsisen till det norra halvklotet – fuktighet. Weyls teori utgick från att stängningen av den centralamerikanska sjövägen och uppbyggnaden av salt i Atlanten sammanföll med tillväxten av nordliga istäcken för 3,1 till 2,7 miljoner år sedan.
Men tvivel om denna hypotes dök upp 1982, när Lloyd Keigwin hittade bevis i havssediment för att stängningen av Panamasjön hade påverkat cirkulationen i haven mer än en miljon år tidigare. Han visade att salthaltskontrasten mellan Atlanten och Stilla havet hade börjat utvecklas redan för 4,2 miljoner år sedan.
1998 bekräftade Gerald Haug och Ralf Tiedemann Keigwins forskning med data med högre upplösning från sedimentkärnor. Om salthalten hade förändrats redan för 4,2 miljoner år sedan, varför började då inte istiden förrän för 2,7 miljoner år sedan? Tvärtom upplevde jorden en värmeperiod mellan 4,5 miljoner och 2,7 miljoner år sedan.
Denna globala värmeperiod, som kallas den mellanpliocena värmeperioden, kan också ha varit relaterad till stängningen av den centralamerikanska sjövägen och den därav följande omläggningen av den globala cirkulationen i haven. En stärkt Ocean Conveyor kan ha drivit ett starkare flöde av djupvatten från Atlanten till norra Stilla havet, som är slutpunkten för djuphavscirkulationen.
På sin resa till norra Stilla havet blev dessa djupvatten berikade med näringsämnen och koldioxid. I det subarktiska Stilla havet kan dessa djupa vatten ha svämmat upp och stigit upp till den solbelysta ytan för att ge ingredienserna som utlöste enorma blomningar av fytoplankton. Stora mängder kiseldioxid och opal (det bevarade materialet från fytoplanktonskal) i sediment på havsbotten vittnar om både blomningen och det starka uppåtgående vattnet.
Det uppåtgående vattnet kan dock ha varit så starkt att fytoplanktonet inte höll jämna steg med det uppåtgående vattnet – det vill säga att det uppstod mer koldioxid än vad som förbrukades av fytoplanktonet. Följaktligen ”läckte” den överflödiga koldioxiden tillbaka till atmosfären och tillförde en växthusgas som värmde upp planeten.
Kortslutning av transportbandet
Vad stängde av den mellanpliocena värmeperioden för cirka 2,7 miljoner år sedan? Och vad var det som slutligen orsakade istiden på norra halvklotet vid ungefär samma tidpunkt – men nästan 2 miljoner år efter det att Panamasjön bildades?
Weyls ursprungliga teori om en starkare, fuktighetsfylld Golfström väckte en annan svårhanterlig fråga: Hur kunde Golfströmmen – som inte bara transporterar fukt utan även värme till Nordatlanten – leda till en kraftig nedkylning av norra halvklotet och isbildning?
Neal Driscoll och Gerald Haug föreslog en lösning. De postulerade att fukt som fördes norrut av Golfströmmen transporterades av de rådande västliga vindarna till Eurasien. Den föll som regn eller snö, vilket så småningom ledde till att mer sötvatten hamnade i Norra ishavet – antingen direkt eller via de stora sibiriska floderna som mynnar ut i Norra ishavet.
Det tillförda sötvattnet skulle ha underlättat bildandet av havsis, som reflekterade solljus och värme tillbaka ut i rymden. Den skulle också fungera som en barriär som hindrar den värme som lagrats i havet från att flyga ut i atmosfären ovanför Arktis. Båda dessa fenomen skulle ytterligare kyla ner de höga breddgraderna. Dessutom skulle det arktiska vattnet som flödar tillbaka till Nordatlanten ha blivit mindre kallt och salt – vilket skulle ha kortslutit effektiviteten hos Ocean Conveyor Belt som global värmepump till de nordatlantiska regionerna.
Tillfällningen mot isbildning
Dessa förutsättningar – fukt plus en arktisk kärna för avkylning – skulle ha gjort klimatsystemet mycket mottagligt för tillväxt av istäcken. Även blygsamma förändringar i den globala miljön skulle ha varit tillräckliga för att få vågskålen att tippa över och leda till början av en större isbildning på norra halvklotet.
En sådan förändring inträffade för 3,1 till 2,5 miljoner år sedan, då jordens axel fluktuerade så att planetens lutning mot solen var mindre än dagens vinkel på 23,45 grader. Mindre lutning mot jorden skulle ha minskat mängden och intensiteten av den solstrålning som träffar det norra halvklotet, vilket ledde till kallare somrar och mindre smältning av vintersnön.
Den begynnande nedisningen på det norra halvklotet påverkade också det subarktiska Stilla havet. Den ledde till att det för cirka 2,7 miljoner år sedan bildades ett sötvattenslock vid havets yta, en så kallad haloklin. Denna arktiska haloklin skulle ha skapat en barriär för uppströmsbildning, vilket hindrade djupa koldioxidhaltiga djupvatten från att stiga upp till ytan. ”Läckan” av värmeledande koldioxid till atmosfären stoppades, vilket ledde till att planeten kyldes ytterligare.
Många andra återkopplingsmekanismer mellan hav och atmosfär, som är resultatet av öppnandet och stängandet av oceaniska portar, är fortfarande ofullständigt förstådda. Forskare utforskar också konsekvenserna av andra oceaniska portar.
Mark Cane och Peter Molnar har till exempel föreslagit att de indonesiska öarnas upphöjning och förflyttning för 5 till 3 miljoner år sedan skulle ha lett om mindre varmt vatten från södra Stilla havet och mer kallt vatten från norra Stilla havet genom den indonesiska sjövägen. Konsekvensen kan ha varit att Stilla havet förändrades från mer permanenta El Niño-liknande förhållanden (som flyttar värme från tropikerna till höga breddgrader) till ett mer La Niña-liknande tillstånd (som skulle ha begränsat värmeöverföringen och kylt ned det norra halvklotet).
Lärdomarna från dessa enorma geologiska och geografiska förändringar är både elegant enkla och olidligt komplexa. Öppning och stängning av havsvägar har en djupgående inverkan på fördelningen av färskvatten, näringsämnen och energi i det globala havet. Kopplingen av dessa föränderliga hav med en föränderlig atmosfär innebär oundvikligen ett föränderligt klimat.