Les artikkelen på engelsk på Carbon Brief.org

Jordens klima har vært ganske stabilt de siste 11 000 årene, og har spilt en viktig rolle i utviklingen av menneskelig sivilisasjon.Før det opplevde jorden en istid som varte i titusenvis av år.De siste millioner årene av jordens historie har vært preget av en serie istider brutt opp av relativt korte perioder med varmere temperaturer.

Disse istidene utløses og avsluttes av langsomme endringer i jordens bane.Men endrede atmosfæriske konsentrasjoner av CO2 spiller også en nøkkelrolle i å drive både avkjøling under begynnelsen av istider og oppvarming ved slutten av istidene.Den globale gjennomsnittstemperaturen var rundt 4C kjøligere under siste istid enn den er i dag.Det er en reell risiko for at verden, hvis utslippene fortsetter å øke, varmes mer dette århundret enn den gjorde mellom midten av siste istid for 20 000 år siden og i dag.I denne forklaringen utforsker Carbon Brief hvordan den siste istiden gir sterke bevis på rollen CO2 spiller som en "kontrollknapp" for jordens klima.Den fungerer også som en advarsel om hvordan klimaet kan oppleve store endringer fra relativt små "påvirkninger" utenfor.

Milankovitch sykler

Jorden har opplevd en rekke perioder i løpet av de siste millioner årene hvor store kontinentalis har dekket store deler av den nordlige halvkule.Disse istidene er assosiert med et stort fall i globale temperaturer – 4C eller mer under dagens nivåer – med mye større endringer over land og på høye breddegrader.Disse istidene er preget av "interglasiale" perioder hvor temperaturene stiger til rundt dagens nivåer.

Den siste istiden fant sted for mellom 120 000 og 11 500 år siden, mens den nåværende interglasiale perioden - holocen - forventes å vare i ytterligere titusenvis av år (og menneskelig aktivitet kan utilsiktet forsinke starten på neste istid ytterligere).Istidssykluser er først og fremst drevet av periodiske endringer i jordens bane.

Tre distinkte banesykluser – kalt Milankovitch-sykluser etter oppdageren deres, den serbiske forskeren Dr Milutin Milankovitch – samhandler for å endre fordelingen av innkommende solenergi på måter som dramatisk kan påvirke jordens klima.Når disse syklusene fører til at de nordlige breddegrader får mindre sol om sommeren, gjør det at isdekker begynner å utvide seg.Disse innlandsisene reflekterer igjen mer innkommende sollys tilbake til verdensrommet, noe som resulterer i en "positiv tilbakemelding" som driver ytterligere regional kjøling.

De nordlige breddegradene betyr mye mer enn de sørlige breddegradene – i hvert fall i løpet av de siste millioner årene – siden den inneholder mer landareal (som lettere kan bli isdekket enn havene) og fordi Antarktis har holdt seg dekket av is.

Drivhusgasser

Disse endringene i fordelingen av solenergi over jordoverflaten er ikke nok til å forklare de dramatiske endringene i klimaet under istider, spesielt utenfor områder med høy breddegrad.Endringer i atmosfæriske klimagasskonsentrasjoner – og spesielt CO2 – spiller en stor rolle i utviklingen av kalde forhold under istider og varme forhold under mellomistider.

I dette tilfellet er ikke CO2 den umiddelbare årsaken til istider;snarere fungerer det som en tilbakemelding for å forsterke endringer initiert av orbitale variasjoner.Det er en velkjent sammenheng mellom temperaturer og CO2-konsentrasjoner over isperioder.

Figuren øverst her på siden viser både temperaturer (rød linje) – rekonstruert fra hydrogenisotopanalyse – og atmosfæriske CO2-konsentrasjoner (blå linje) fra luftbobler fanget i antarktisk is de siste 800 000 årene.(Disse eldgamle luftboblene får man tilgang til ved å bore iskjerner ned gjennom isdekker og isbreer. Iskjerner er bare ett eksempel på "proxy-data", der klimainformasjon fra en fjern fortid samles inn fra indirekte bevis som er låst opp i ulike former på tvers avjorden.)Antarktis rekonstruert lufttemperatur (rød linje) ved Dome Fuji-stedet Antarktis ved bruk av isotopmodellering fra Uemura et al (2018) og Antarktis sammensatte iskjerne-atmosfæriske CO2-data (blå linje) fra Bereiter et al (2014).Data spenner over perioden fra 800 000 f.Kr. til 1980 e.Kr.

Mens CO2-konsentrasjonene gir en god representasjon av globale gjennomsnittsverdier – ettersom CO2 er en godt blandet klimagass – er det viktig å merke seg at temperaturrekonstruksjonen vist her kun representerer Antarktis.Det er sterke bevis fra klimafullmektiger rundt om i verden i løpet av den siste istiden globalt som viser at temperaturene falt betydelig mindre – rundt halvparten så mye – som temperaturene i Antarktis.Endringer i omløpssykluser forårsaker ikke umiddelbart økning eller fall i atmosfærisk CO2.Snarere utløser den første økningen i isdekket i områder med høy breddegrad tilbakemeldinger som får atmosfærisk CO2 til å falle ved starten av istidene.

Dette skjer på en rekke måter.Ettersom isdekkene vokser, endrer havnivået seg dramatisk, og faller rundt 120 meter sammenlignet med dagens nivåer og eksponerer store landområder som for tiden er under vann og lar voksende vegetasjon ta opp mer CO2.Kaldere havvann løser opp mer CO2, og absorberer mer fra atmosfæren, selv om dette er noe oppveid av effekten av høyere saltholdighet på havets CO2-absorpsjon – ettersom ferskvann fra snø fryser til isdekker.I tillegg maler istidens isbreer opp steiner til støv som gir næringsstoffer til livet i havet, og bidrar til å øke mengden karbon i dyphavet når planter blir spist og synker ned i havet.

Utvidet havis dekker også områder av havet der oppstrømning bidrar til å bringe dyphavs-CO2 tilbake til overflaten, og begrenser mengden CO2 som kan frigjøres fra havene tilbake til atmosfæren.Endringer i havsirkulasjonen drevet av vind, fordampning og saltholdighet spiller også en rolle i reduksjonen av CO2 assosiert med utbruddet av isbreen.Til slutt påvirker fallende havnivå også veksten av korallrev og andre havøkosystemer som påvirker mengden CO2 som er lagret i havet.

Som professor Richard Alley, professor i geovitenskap ved Penn State University, sier til Carbon Brief:

Effekten av banetrekkene på det totale sollyset som når jorden er nesten null;solskinnet flyttes bare mellom områder og årstider.Men hele verden avkjøles til en istid, og hele verden varmes opp fra en istid, til tross for at halvparten av verden får mindre sol når den andre halvparten får mer.Og så langt krever alle forklaringene på dette effekten av CO2, som på en vakker måte forklarer det.En fersk studie av Dr Daniel Baggenstos ved Universitetet i Bern og kolleger undersøkte det relative bidraget til forskjellige faktorer under overgangen fra siste istid til den nåværende mellomistidperioden.De fant at albedo – endret reflektivitet av overflaten når isdekkene krymper – var den største faktoren som var ansvarlig for omtrent halvparten av oppvarmingen, mens endrede CO2-konsentrasjoner og andre drivhusgasser var ansvarlig for 37 %, mens reduksjoner i mengden reflekterende støv ogandre aerosoler i atmosfæren utgjorde de resterende 13 %.

Lags og fører

Mye diskusjon på nettet om rollen til CO2 i istider – og tilhørende argumenter fra de som er skeptiske til klimaendringer – har fokusert på det faktum at CO2 henger etter temperaturene under «deglasiasjon» ved slutten av istidene.På noen måter er dette imidlertid akkurat det vi forventer;Det var ingen mennesker som brente fossilt brensel under slutten av siste istid, så CO2 fungerte mer som en tilbakemelding til baneendringer i stedet for klimapådrivelsen som den er i dag.Som Alley forteller Carbon Brief:

"Det er ingen måte for banene å endre CO2 direkte - litt mer sol i den nordlige sommeren smelter is, men får ikke CO2 til å endre seg umiddelbart.Så CO2 må være en tilbakemelding.Fordi mengden solskinn – og mengden av is – har direkte og umiddelbare effekter på temperaturen, bør det være steder på jorden der enhver endring i CO2 henger etter i stedet for å lede årsaken og temperaturendringen.Dette burde ikke plage noen.Det gjør det ofte, men det burde det ikke.Analogien jeg noen ganger bruker er at hvis jeg bruker for mye på kredittkortet mitt og setter meg i gjeld, vil renter slå inn og gjøre gjelden min større.Rentene henger med gjeld – først setter jeg meg i gjeld, så betaler jeg renter, så går jeg videre i gjeld.Stort sett alle forstår at dette er en fornuftig, om enn ubehagelig situasjon.Når banene påvirker is og temperatur, endrer dette andre ting som igjen påvirker CO2, som igjen påvirker temperaturen noe mer – tilsvarende fornuftig hvis hele historien er forstått.»

Når det er sagt, har forståelsen av sammenhengen mellom CO2 og temperatur ved slutten av istidene utviklet seg de siste årene med bedre rekonstruksjoner av både tidligere temperaturer og CO2-nivåer i iskjerner fra Antarktis.

Mens forskerne pleide å tro at CO2 etterskrev temperaturen med 600 til 1000 år under deglasiasjonen, har en rekke nyere studier antydet at etterslepet er betydelig mindre eller til og med for lite til å oppdage.Det er utfordrende å nøyaktig matche CO2-rekorder og temperaturrekorder fra iskjerner ettersom det er en forsinkelse mellom nytt snøfall på en isdekke (som fanger luftboblene) og deretter at snøen sakte komprimeres til is.

The figure below shows Antarctic temperatures (red line) and CO2 from recent proxy reconstructions (blue line) during the end of the last ice age – from 23,000BC to 8,500BC. While some periods might experience lags of a few hundred years, the relationship appears much more tightly coupled than was suggested by earlier reconstructions with larger uncertainties.

Antarctic

In addition, looking at temperature data from Antarctica alone also obscures a more nuanced global picture. 

A 2013 paper by Dr Jeremy Shakun of Boston College and colleagues examined a network of 80 climate proxy records around the world during the end of the last ice age. They found that while CO2 generally lagged temperatures in the southern hemisphere – consistent with Antarctic reconstructions – the same was not true for the rest of the world.

Both the northern hemisphere and overall global temperatures actually lagged CO2; in other words, for the world as a whole, warming happened after atmospheric CO2 concentrations increased. The reasons for this are complex and are driven in part by changes in ocean currents as ice ages end.

The figure below shows the results from the Shakun et al 2013 paper for different regions of the world, along with the uncertainties in their estimate across different climate proxy locations and time periods during the end of the last ice age. The orange values are for the southern hemisphere, the blue values show the northern hemisphere and the grey values show global temperature estimates. The count on the y-axis represents how many of the 1,000 simulations – which examined the sensitivity of the results to uncertainties in CO2 age datingand proxy temperature estimates – show a lag of that size.

The lags between increases in atmospheric CO2 concentrations and temperature for the global (grey), northern hemisphere (NH; blue) and southern hemisphere (SH; red) proxy stacks over the period from 20,000 to 10,000 years before present. Figure 2b in

Shakun et al 2013

.

Specifically, Shakun and colleagues argue that changes in orbital cycles triggered initial melting of ice sheets in the northern hemisphere. This caused large amounts of freshwater to pour into the oceans as ice sheets melted, disrupting the Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC), which, in turn, cooled the northern hemisphere and warmed the southern hemisphere. 

This southern hemisphere warming caused ocean releases of CO2, which, in turn, warmed the entire planet. Shakun et al suggest that the vast majority of the global warming at the end of the last ice age occurred after CO2 increased, though this warming was driven by a combination of albedo (reflectivity) changes and the greenhouse effect.

What can we learn from glacial cycles

The world of the past ice age was very different from today. It is not necessarily assumed that all the same forces are at work today because human emissions now drive climate changes. 

For example, the absence of large-scale sea ice cover in the Southern Ocean means that rising temperatures are not expected to drive ocean release of CO2 in the current climate – though the strength of the ocean CO2 sink is expected to decrease as the world continues to warm.

While there is a clear relationship between CO2 and temperature over the past million years, it is difficult to extrapolate to future changes to the Earth’s climate. For example, at the end of the last ice age atmospheric CO2 concentrations increased by around 50% while global temperatures increased by around 4C. If CO2 were the only factor at work, this would imply a very high sensitivity of the climate to CO2 – around 8C per doubling CO2, far higher than current estimates based on climate models and other lines of evidence. 

However, if CO2 only contributed around 35% of the warming at the end of the last ice age – with changing albedo from melting ice sheets playing a major role – this would imply a climate sensitivity of around 3C – much more in-line with current model estimates, though with a very large uncertainty given the limits to how accurately models simulate global changes over that period.

At the same time, the fact that CO2 played such an important role in amplifying initial orbital changes during ice ages further reaffirms its role as the major control knob of the Earth’s climate. 

The fact that relatively small changes in external forcings can drive such a large planetary response during ice ages should serve as a cautionary example. This is because human emissions of CO2 and other greenhouse gases push the Earth further out of the range of climate conditions that have characterised the past few million years.

Global temperatures were only around 4C colder during the last ice age than they are today. Under higher emissions scenarios with limited mitigation efforts, it is quite possible that the world may warm more in just over a century than it warmed over many thousands of years during the end of the last ice age.