Svaret på klimagåten ligger i det dype vannet i havområdene rundt Antarktis

I det nye arbeidet finner forskerne at denne tidligere uforklarlige klimaovergangen sammenfaller med bevis for mindre blanding mellom dyp og overflatevann i Sørishavet. Det nye studiet bekrefter at Antarktis-regionen spiller en avgjørende rolle i perioder med klimaendringer. 
Studiet er ledet av professor Samuel Jaccard, ved universitetet i Bern, som sammen med gode kollegaer fra Princeton universitetet, Max Planck instituttet for Kjemi i Mainz, Cambridge universitetet, British Antarctic Survey og Universitetet i Bergen har satt sammen nye biter i klimapuslespillet fra fortiden.

Løsningen på en klimagåte 
En analyse av marine sedimenter samlet fra en marin kjerne i norsk territorialfarvann utenfor Bouvetøya fra et vanndyp på mer enn 2 km gir svar på en av gåtene i jordens klimahistorie: den midt-pleistosene-klimaovergangen (MPT) som begynte for rundt en million år siden. Etter MPT ble istidene både forlenget og intensivert, og frekvensen av når istidene oppstod økte fra 40.000 år til 100.000 år. Studien, som publiseres i tidsskriftet Science, viser at en av nøklene til å forstå denne klimagåten ligger i det dype vannet i havområdene rundt Antarktis.

Havvannet inneholder 60 ganger mer karbon enn atmosfæren. Derfor spiller små variasjoner i konsentrasjonen av karbondioksid (CO2) i havvannet en stor rolle  når klima går fra en kald istid til en varm mellomistid. I det nye studiet sporer forskerne utviklingen av blanding mellom dyp og  overflatevann i Sørishavet 1.5 millioner år tilbake. Blanding eller miksing av vannmassene er en viktig faktor i det globale klimasystemet, fordi CO2 i havet føres til overflaten via havstrømmer og går ut i atmosfæren. 
Resultatene i det nye studiet viser at denne blandingen mellom dyp og overflate vannmasser var betydelig redusert på slutten av den midt-pleistosene-klimaovergangen for ca. 600 000 år siden. Dette førte til at mengden CO2 som frigjøres fra havet ble redusert, noe som igjen påvirket drivhuseffekten og intensiverte istidene

Studien kaster dermed også lys på det klimaforskere kaller tilbakekobling, eller tilbakekoblingsmekanismer, som er prosesser der en størrelse i et system endres, noe som får en annen størrelse til å forandre seg, med den konsekvens at den andre størrelsen i sin tur endre den første.  Ved klimaendringer kan effekten av endret klimapådriv forsterkes eller dempes, noe som akselerere eller senker pågående klimaendringer.

Rekonstruksjon av fortidsklima gir bedre forståelse av global oppvarming
«Dynamikken i det globale klimasystemet er svært komplekst og konsentrasjoner av atmosfæriske drivhusgasser, spesielt CO2, spiller en viktig rolle», sier Kikki Kleiven. –Konsentrasjonen er knyttet til utslipp på grunn av menneskelige aktiviteter, men også til naturlige fenomener og spesielt til avgassing av CO2 innholdet i havet. Blanding av vannmasser spiller en meget viktig rolle i dette tilfellet, fordi det bringer oppløst CO2 fra dypvannet til overflaten, hvor det overføres til atmosfæren og bidrar til drivhuseffekten. En bedre forståelse av disse fenomenene er avgjørende, fordi de også er en faktor i dagens globale oppvarming. 

Ved hjelp av små mikrofossile skjell i leiren, foraminiferer, kunne forskerne rekonstruere forskjellen i saltholdighet og temperatur mellom overflate og dypvannet i kjernematerialet fra Sørishavet. Disse to faktorene er blant annet med på å bestemmer hvor intens vannmassene blandes. Resultatene viser at overflatevannet under istidene ble både kaldere og mindre salt—noe som førte til at blanding av lag i vannmassene ble redusert. 

— Når mengden CO2 som frigjøres av havet til atmosfæren ble redusert, bidro dette til å redusere drivhuseffekten og forlenge det kalde istidsklimaet, og innlede en periode med global nedkjøling. —Dette er et typisk eksempel hvordan en prosess forsterker den neste som en kontinuerlig tilbakekobling: blanding mellom dypvann og overflate avtar, og nedbør og smelte fra isdekker på land blir liggende som et lag på overflaten av havet og holder seg der i lengre tid; dette reduserer saltholdigheten og tettheten ved vannoverflaten, noe som igjen forsterker dempningen av blandeprosessen. 

— Våre observasjoner er relevant for dagens situasjon i Sørishavet, sier Kikki. —I de siste tiårene, med øket global oppvarming, har forskere observert at det sørlige vestavindsbeltet er blitt sterkere, noe som fremmer blanding mellom vannmassene og dermed frigjøring av oseanisk CO2 til atmosfæren. Men denne trenden kan kompenseres av andre effekter: For eksempel kan et varmere klima føre til økt nedbør og smelte fra isdekker, og dermed føre til  mer ferskvann i overflatevannmassene. —Men, det er vanskelig å forutse hva som vil skjer i sør. Vi trenger flere studier som rekonstruerer klima og  vi trenger klimasimuleringer for bedre å forstå hvordan sirkulasjonsdynamikken i Sørishavet vil utvikle seg i fremtiden. 

Studiet er et heidundranes klimaspleiselag 
De geologiske rekonstruksjonene av havmiksing ble utført på en 169 meter lang sedimentkjerne som ble boret under et to-måneders tokt i Sørishavet vinteren 1997-98. Havdypet kjernen ble hentet opp fra er 2800 meter og kjernematerialet ble fordelt mellom de ulike partnerne som er med på studiet. Kikki deltok selv på toktet i -97 som var i regi av International Ocean Discovery Program (IODP) som
Norge er medlem av gjennom Forskningsrådet. Toktet varte i over 2 måneder og gikk fra Cape Town i Sør Afrika til Punta Arenas i Chile.  

—Fordi det enorme boreskipet befant seg i 37 timer i norsk farvann ved Bouvetøya ble jeg spurt om å være Norsk observatør for Oljedirektoratet når jeg kun var en ung doktorgradsstudent, og nøt derfor godt av privilegier som eget rom på øverste dekk og flyseter langt framme. Men hverdagen om bord på RV Joides Resolution er ikke «business class» , det er beinhardt arbeid med 12 timers skift der du står på laboratoriet med kjernebeskrivelse, mikroskopering, prøvetagning og rapportskriving.
Skipet er verdens mest avanserte forskningsskip, et flytende laboratoriet som fylles med forskere i alle aldre fra 23 nasjoner og har et avansert teknisk og bore personell i tillegg.

—Jeg elsker livet til havs, og har til sammen vært over 6 måneder på tokt bare med dette toktprogrammet: i Sørishavet, i nord Atlanteren og i Stillehavet (i tillegg til flere andre internasjonale tokt). Materiale og forskning deles og du får venner, samarbeidspartnere, artikler og kanskje også en ektemann :) for livet. Også hjelper det på at jeg aldri blir sjøsyk!

Det er en god historie at vi nå kan spleise sammen delene av dette materialet over 20 år etter at vi var på tokt og tenke nytt om metoder og forskningsspørsmål forteller Kikki. En halv million år med leire som gikk til Cambridge i England, en halv million år som endte i kjelleren på Realfagbygget her på UiB og en halv million år som endte i Bern i Sveits har nå blitt til dette felles arbeidet som gikk rett gjennom fagfelle vurderingen i Science på første forsøk. Det understreker hvor internasjonal forskning er, og hvor viktig det er å reise ut når du er stipendiat og postdoc, bygge egne nettverk og få tilgang til unikt forskningsmateriale.
—Jeg er derfor veldig glad for at min tidligere PhD student, nå post doc her på instituttet, Nil Irvali, skal ut på tokt i det sørlige Stillhavet på samme forskningsskip nå til sommeren—med noen av mine aller beste havkompiser & venninner. Kjusa hon!

For mer info om forskningen les perspektivartikkelen publisert i Science

Referanse: Adam P. Hasenfratz, Samuel L. Jaccard, Alfredo Martinez-Garcia, Daniel M. Sigman, David A. Hodell, Derek Vance, Stefano Bernasconi, Helga (Kikki) F. Kleiven, F. Alexander Haumann, Gerald H. Haug: The residence time of Southern Ocean surface waters and the 100,000-year ice age cycle. (Science, 2019). doi:10.1126/science.aat7067