Oude oceaanverwarming onthult nieuwe inzichten in de stabiliteit van het West-Antarctische IJsblad
Detail van de onderzochte boorkern. De sedimentlagen bieden informatie over geologische en oceanische veranderingen tijdens het Marine Isotope Stage 11, ongeveer 400.000 jaar geleden. De kern komt van IODP-locatie U1540 in de Pacifische sector van de Zuidelijke Oceaan.
Het West-Antarctische IJsblad (WAIS) is een van de meest dynamische gebieden van het Antarctische continent. Een groot deel van de ondergrond ligt onder zeeniveau, waardoor de regio bijzonder gevoelig is voor oceaanverwarming. Het begrijpen van de ontwikkeling van de WAIS is essentieel voor het anticiperen op toekomstige zeespiegelveranderingen. Indien de WAIS volledig zou smelten, zou de wereldwijde zeespiegel met meer dan 4 meter kunnen stijgen.
Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van de Universiteit van Kiel (CAU) heeft nu voor het eerst systematisch onderzocht hoe de WAIS reageerde op temperatuurstijgingen in de Zuidelijke Oceaan tijdens een natuurlijke warme periode, het Marine Isotope Stage 11 (MIS 11), ongeveer 400.000 jaar geleden. De resultaten, gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications, bieden waardevolle inzichten in de omstandigheden waaronder de WAIS in het geologische verleden instabiel werd en welke parallellen dit zou kunnen hebben voor huidige en toekomstige opwarmingsscenario’s.
“Onze resultaten tonen aan dat het West-Antarctische IJsblad gevoelig is geweest voor opwarming in de Zuidelijke Oceaan, vooral in het circumpolaire diep water,” zegt de eerste auteur Lena Jebasinski, een promovenda aan het Instituut voor Aardwetenschappen aan de Universiteit van Kiel. “Dit is een belangrijk waarschuwingssignaal, aangezien we momenteel vergelijkbare trends in de temperatuurontwikkeling in de regio waarnemen, die de stabiliteit van het Antarctische ijsblad op korte of lange termijn in gevaar zouden kunnen brengen. De omstandigheden van toen en de huidige ontwikkelingen vertonen duidelijke parallellen.”
Inzicht in de warme periode van de toekomst
De bestudeerde warme fase, die ongeveer 400.000 jaar geleden plaatsvond, staat bekend als Marine Isotope Stage 11 (MIS 11). Beschouwd als een van de langste en meest stabiele warme perioden van de afgelopen miljoen jaar, wordt het vaak gebruikt in klimaatonderzoek als referentieperiode voor het heden en de toekomst. Gedurende deze tijd waren de globale temperaturen tot 2°C hoger dan de pre-industriële niveaus, terwijl de CO₂-concentraties vergelijkbaar waren met die in de pre-industriële periode. De zeespiegels waren ongeveer zes tot 13 meter hoger dan vandaag, wat suggereert dat het West-Antarctische IJsblad op dat moment aanzienlijk was teruggetrokken.
Sporen in de oceaanbodem: aanwijzingen van fossiele microschelpjes
Het internationale onderzoeksteam uit Duitsland, de VS en het VK onderzocht de chemische samenstelling van fossiele foraminifera, kleine eencellige mariene organismen die zijn bewaard in sedimentkernen uit de Pacifische sector van de Zuidelijke Oceaan. Deze kalkhoudende schelpen slaan informatie op over eerdere omgevingsomstandigheden. De onderzoekers vonden terugkerende fasen tijdens MIS 11 waarin het diep water in de Pacifische Zuidelijke Oceaan lagere zuurstofconcentraties had, bekend als zuurstofminimum evenementen. Deze fasen vielen meestal samen met een opwarming van het opkomende circumpolaire diep water.
Onder bepaalde omstandigheden komt dit water in contact met het Antarctische ijsblad aan de basis van de ijsschotsen. Een dergelijke opwarming bevordert het smelten van de ijsschotsen en verzwakt zo de ijsstabiliteit van het achterland. De resulterende toename van smeltwater dat de oceaan binnenkomt, heeft waarschijnlijk de vorming van dichte Antarctische bodemwater verminderd, een cruciaal onderdeel van de wereldwijde omwentelingscirculatie. “Dit zou kunnen verklaren waarom het West-Antarctische IJsblad tijdens de bestudeerde warme periode aanzienlijk kleiner was dan vandaag, en waarom de wereldwijde zeespiegels aanzienlijk hoger waren dan nu,” legt Jebasinski uit, een paleoklimatoloog die haar proefschrift over dit onderwerp schrijft.
Innovatieve methodologie biedt een blik in het verleden
Om de omgevingsomstandigheden in de Zuidelijke Oceaan tijdens deze periode te reconstrueren, combineerde het onderzoeksteam verschillende geochemische methoden. Ze onderzochten voornamelijk foraminifera. Onder zuurstofarme omstandigheden worden vaste uraniumverbindingen afgezet rond de schelpen van deze kleine mariene organismen in het sediment. Deze handtekening stelde de onderzoekers in staat om conclusies te trekken over eerdere zuurstoftekorten in het bodemwater van de centrale Pacifische Zuidelijke Oceaan. Daarnaast bepaalden de onderzoekers de neodymiumisotoopverhoudingen, een biologisch onafhankelijke indicator van de circulatie van watermassa’s. Dit toont aan dat de waargenomen zuurstofminimum evenementen te wijten zijn aan fysieke veranderingen in de oceaan en niet aan fluctuaties in biologische activiteit. Bovendien werden de foraminifera-schelpen geanalyseerd op indicatoren van de bodemwatertemperatuur.
Door deze methoden te combineren, kon het team een gedetailleerd beeld schetsen van de interacties tussen de temperatuur van circumpolaire tussenliggende wateren, zuurstofgehalte en oceaancirculatie tijdens de warme periode 400.000 jaar geleden.
Wijdverspreide instabiliteit van het West-Antarctische IJsblad
“Tot nu toe konden deze zuurstofminimum evenementen alleen in het Atlantische deel van de Zuidelijke Oceaan worden gedetecteerd. Onze gegevens tonen nu voor het eerst aan dat de Pacifische sector ook tegelijkertijd beïnvloed kan zijn. De instabiliteit van het West-Antarctische IJsblad op dat moment moet daarom aanzienlijk groter zijn geweest dan eerder werd aangenomen,” legt professor Julia Gottschalk uit, hoofd van de werkgroep Paleoceanografie en Mariene Geologie aan de Universiteit van Kiel en co-auteur van de studie.
Als de huidige trends van opwarming in de Zuidelijke Oceaan aanhouden, zullen verstoringen in de massabalans van de WAIS en de vorming van Antarctisch bodemwater waarschijnlijk in de toekomst frequenter worden.
Deze nieuwe bevindingen zijn gebaseerd op sedimentkernen die zijn verkregen tijdens Expeditie 383 “Dynamics of the Pacific Antarctic Circumpolar Current (DYNAPACC)”, aan boord van het onderzoeksschip JOIDES Resolution in 2019, als onderdeel van het International Ocean Discovery Program (IODP). Professor Gottschalk, hoofd van de werkgroep Paleoceanografie en Mariene Geologie aan de Universiteit van Kiel, was direct betrokken bij de expeditie. “Zulke lange boorkernen zijn unieke archieven van ons klimaatsysteem. We kunnen uit hen afleiden hoe nauw de oceaan en het ijs in de zuidelijke hoge breedten met elkaar verweven zijn geweest gedurende duizenden jaren,” zegt Gottschalk. “Inzicht in deze vroegere processen biedt cruciale informatie over hoe Antarctica, en dus de wereldwijde zeespiegels, zou kunnen reageren op warmere klimatologische omstandigheden dan die welke we vandaag ervaren.”
Naast de Universiteit van Kiel omvat de nieuwe studie onderzoekers van het Alfred Wegener Instituut voor Pool- en Marien Onderzoek (Bremerhaven), de Universiteit van Delaware (Newark, VS), de Columbia Climate School van Columbia University (New York, VS) en de Universiteit van Portsmouth (VK).
