När nivåerna av växthusgasen koldioxid stiger och värmer världen, kommer Antarktis is att bli mer sårbar för cykler i astronomisk skala, särskilt lutningen på vår planet är när den snurrar runt sin axel.
Ny forskning upptäcker att över 30 miljoner år av historia svarade Antarktisens isplattor starkt på vinkeln på jordens lutning på sin axel när isen sträcker sig ut i haven, samverkar med strömmar som kan få varmvatten att hoppa vid sina marginaler och leda till ökade smältande. Effekten av lutningen toppade när koldioxidnivåerna liknade vad forskarna förutspår för nästa århundrade, om människor inte får utsläpp under kontroll.
När koldioxidnivåerna skjuter över 400 delar per miljon kommer klimatet att bli mer känsligt för jordens lutning eller snedighet, rapporterade forskare 14 januari i tidskriften Nature Geoscience.
"Verkligen kritisk är mängden koldioxid i atmosfären," säger studiens medförfattare Stephen Meyers, en paleoclimatologist vid University of Wisconsin, Madison.
Ett scenario med hög koldioxid och hög lutningsvinkel kan vara särskilt förödande för den miltjocka isen som täcker Antarktis.
Rekonstruera det förflutna
Under cirka 40 000 år lutar jordens axel fram och tillbaka "som en gungstol", sade Meyers. För närvarande är denna snedhet cirka 23,4 grader, men den kan vara så liten som 22,1 grader eller så mycket som 24,5 grader.
Lutningen betyder för när och var solljus träffar världen och kan därmed påverka klimatet.
För att rekonstruera en historia av hur Antarktisens is har reagerat på denna lutning, använde Meyers och hans medförfattare några källor till information om jordens klimatförflutna. En källa var kalciumkarbonat från havsbotten, kvarlämnat av encelliga organismer som kallas bentisk foraminifera. Dessa organismer utsöndrar ett kalciumkarbonatskal runt sig själva och låser sig i en global, kontinuerlig registrering av havens och atmosfärens kemi.
Sedimentregister från hela Antarktis gav en annan källa till klimathistoria - en specialitet av studiens medförfattare och paleoklimatolog Richard Levy från GNS Science och Victoria University of Wellington i Nya Zeeland. Dessa sediment, som borrades från havsbotten i långa, kolumniga kärnor, håller också ett register över det förflutna. En glaciär tappar till exempel en distinkt blandning av lera, sand och grus där den sitter. Dessa kärnor ger en mycket detaljerad bild av var isarna en gång var, sa Meyers, men det finns luckor i posten.
Iscykler
Med data från båda källorna sammansatte forskarna en historia om Antarktis från 34 miljoner till 5 miljoner år sedan. De första stora isskivorna på Antarktis bildades för 34 miljoner år sedan, sa Levy, och året runt havsisen blev normen för bara 3 miljoner år sedan, då koldioxidnivåerna sjönk under 400 delar per miljon.
Från cirka 34 miljoner år sedan till cirka 25 miljoner år sedan var koldioxid mycket hög (600 till 800 ppm) och det mesta av Antarktisens is var landbaserad, inte i kontakt med havet. Kontinentens is framåt och reträtt var relativt okänsliga för planetens lutning vid denna tid, fann forskarna. Mellan cirka 24,5 miljoner och cirka 14 miljoner år sedan sjönk atmosfärisk koldioxid till mellan 400 och 600 ppm. Isark kom ofta fram i havet, men det var inte så mycket flytande havsis. Vid denna tidpunkt blev planeten ganska känslig för lutningen av jordens axel.
Mellan 13 miljoner och 5 miljoner år sedan sjönk koldioxidnivåerna igen och gick så lågt som 200 ppm. Flytande havsis blev mer framträdande och bildade en skorpa över öppet hav på vintern och tunnades bara på sommaren. Känsligheten för jordens lutning minskade.
Det är inte helt klart varför denna förändring i känslighet för snedighet inträffar, sa Levy till Live Science, men skälet verkar innebära kontakten mellan isen och havet. Vid tider med hög lutning värms de polära områdena och temperaturskillnaderna mellan ekvatorn och polerna blir mindre extrema. Detta förändrar i sin tur vind- och strömmönster - som till stor del drivs av denna temperaturskillnad - vilket i slutändan ökar flödet av varmt havsvatten till Antarktis kant.
När is är mestadels landbaserad, berör inte detta flöde isen. Men när islagren är jordade mot havsbotten, i kontakt med strömmarna, betyder flödet av varmt vatten mycket. Flytande havsis verkar blockera en del av flödet, vilket minskar isarkens tendens att smälta. Men när koldioxidnivåerna är tillräckligt höga för att flytande havsis smälter, finns det inget som hindrar de varma strömmarna. Det är när jordens lutning verkar vara viktigast, som inträffade mellan 24,5 och 14 miljoner år sedan.
Denna historia stavar problem för Antarktis framtid. Under 2016 hoppade nivån på koldioxid i jordens atmosfär över 400 ppm, permanent. Förra gången i jordens geologiska historia att koldioxid var så hög, fanns det ingen året runt is på Antarktis, sade Levy. Om utsläppen fortsätter som de är kommer isen att vakla, sa Levy, "och vi kommer att hoppa tillbaka till en värld som inte har funnits i miljoner år."
"Antarktis sårbara marinbaserade islager kommer att känna effekten av vår nuvarande relativt höga lutning, och havets uppvärmning vid Antarktis marginaler kommer att förstärkas," sade han.
På måndag (14 januari) rapporterade en annan grupp forskare att mängden antarktisk smälta redan är sex gånger snabbare än för bara några decennier sedan. Forskarna fann att kontinenten förlorade cirka 40 gigaton is per år mellan 1979 och 1990. Mellan 2009 och 2017 förlorade den i genomsnitt 252 gigatoner is per år.
Forskarna undersöker nu de små variationerna i känslighet för jordens lutning som inträffar över de tre breda mönstren som de hittade, men huvudmeddelandet är redan klart, sade Levy.
"Antarktis havsis är helt klart viktigt," sade han. "Vi måste driva på och ta reda på sätt att uppfylla utsläppsmålen."
