Mahdollinen selitys jääkauden alhaiselle hiilidioksidipitoisuudelle

Viime jääkauden aikainen vähäinen ilmakehän hiilidioksidipitoisuus on tähän mennessä ollut vailla tyydyttävää selitystä. Uuden tutkimuksen mukaan selitys saattaa olla merijään lisääntymisen aiheuttamien suolavesitaskujen vajoaminen syvään mereen, mikä on voimistanut meren kerrostuneisuutta ja vähentänyt veden vaihtumista pinnan ja pohjan välillä. Veden vaihdon vähennyttyä pohjaan vajoava hiili ei pääse enää takaisin ilmakehään ja näin ilmakehän hiilidioksidipitoisuus vähenee.


Suolataskumekanismin simulaatiossa vähenevä ilmakehän hiilidioksidipitoisuus.

Viime jääkauden ollessa huipussaan noin 21 000 vuotta sitten maapallon ilmasto oli hyvin kylmä. Pohjoisella pallonpuoliskolla oli valtavia jäätiköitä. Samaan aikaan ilmakehän hiilidioksidipitoisuus oli alhainen (noin 190 ppmv, eli tilavuuden miljoonasosaa, kun esiteollisen ajan hiilidioksidipitoisuus oli noin 280 ppmv).

Jääkauden ilmasto voidaan selittää laajojen jäätiköiden läsnäololla, maapallon ratamuutoksilla ja alhaisella hiilidioksidipitoisuudella. Näistä alhainen hiilidioksidipitoisuus on ollut hankalin selittää. Ehdotetut selitykset eivät ole olleet täysin tyydyttäviä. Alhaisen hiilidioksidipitoisuuden aiheuttajaksi on ehdotettu merijään laajuuden vaihteluita, tuuliolosuhteiden muutoksia ja merten biologisen toiminnan kiihtymistä monista eri syistä. Suurimmalla osalla ehdotetuista mekanismeista on kuitenkin vain pieni vaikutus ilmakehän hiilidioksidipitoisuuteen.

Yksi viime jääkauden huipun ominaispiirteistä oli se, että syvässä meressä olevassa hiilessä oli vain vähän hiilen isotooppia 13 (hiili-13). Tämä on erityisesti vaikeuttanut selityksen löytymistä alhaiselle hiilidioksidipitoisuudelle. Osa hiili-13:n alhaisesta määrästä on selitettävissä sillä, että jääkauden alettua maapallon kasvillisuusmuutoksien takia ilmakehään vapautui enemmän hiilen isotooppia 12, minkä takia hiili-13:n osuus meressä laski. Jääkauden huipun simulaatioissa on ollut vaikeaa tuottaa samanaikaisesti sekä alhainen ilmakehän hiilidioksidipitoisuus että vähäinen hiili-13:n osuus syvässä meressä.

Mikä tahansa selitys onkin alhaiselle ilmakehän hiilidioksidipitoisuudelle, yleisesti ajatellaan selityksen löytyvän merestä. Meri oli jääkauden aikaan maapallon suurin hiilivarasto. Lisäksi meren lisäksi on vain kaksi muuta mahdollista paikkaa, josta selitys voisi löytyä. Ne ovat ilmakehä ja biosfääri, joissa molemmissa hiilivarasto kuitenkin laski jääkauden aikaan. Meri näyttäisi siis olevan ainoa paikka, jossa hiilivarasto saattoi lisääntyä jääkauden aikana.

Havaintojen mukaan jääkauden aikainen syvä meri oli suolaisempi ja kylmempi kuin nykyään. Tämä viittaa siihen, että syvä meri oli enemmän kerrostunutta kuin nykyään. Kerrostuneisuus vaikuttaa merivirtauksiin ja myös hiilen kiertoon ehkäisemällä syvän veden ja pintaveden vaihtumista keskenään ja pitäen näin syvään mereen vajoavan hiilen siellä. Hiili-13:n vähäisyys syvässä meressä edellyttää tutkimuksien mukaan juuri voimakasta kerrostuneisuutta. Malleilla on ollut tähän mennessä vaikeuksia saada simulaatioissa ilmakehän hiilidioksidipitoisuus tarpeeksi alas niin, että samalla kerrostuneisuus säilyy. Hienostuneemmilla malleilla se ei ole onnistunut ollenkaan. Tarvitaankin mekanismi, joka vähentää ilmakehän hiilidioksidipitoisuutta tehokkaasti ja samalla säilyttää kerrostuneisuuden syvässä meressä.

Uudessa tutkimuksessa on arvioitu, onko merijään muodostuessa syntyvän hyvin suolaisen meriveden nopea vajoaminen syvään mereen hyvä selitys sekä alhaiselle ilmakehän hiilidioksidipitoisuudelle että syvän meren hiilen vähäiselle hiili-13 -pitoisuudelle jääkauden huipun aikana. Tätä selitystä on aiemmin ehdotettu, mutta nyt sitä testattiin ensimmäisen kerran hienostuneemmalla mallilla.

Merijään muodostuessa syntyy sen ohessa hyvin suolaista merivettä, koska merijää koostuu enimmäkseen makeasta vedestä. Tällaiset erittäin suolaisen veden ”taskut” ovat suolapitoisuutensa vuoksi tiheämpiä kuin ympäröivä normaalisuolainen vesi. Nykyään Etelämantereen alueella muodostuvat suolavesitaskut yleensä sekoittuvat jäätikön vähäsuolaisten sulavesien kanssa Etelämantereen mannerjalustan päällä, mutta jääkauden huipun aikaan vallitsi erilainen tilanne. Meren pinta oli paljon alempana ja Etelämantereen napajäätikkö ulottui pidemmälle merelle. Näiden vuoksi alue, jossa suolavesitaskuja syntyy, oli lähempänä mannerjalustan reunaa. Suolavesitaskujen sekoittuminen jäätikön sulavesien kanssa oli tuolloin huomattavasti vähäisempää ja lisääntyneen merijään muodostuksen myötä myös suolavesitaskuja syntyi enemmän kuin nykyään. Niinpä suolavesitaskujen suolainen vesi pääsi kertymään mannerjalustan reunalle ja valumaan siitä syvään mereen. Tämä mekanismi antaisi suoran yhteyden meren pinnalta syvään mereen ja samalla aiheuttaisi voimakasta kerrostuneisuutta syvään mereen.

Tässä uudessa tutkimuksessa suolataskumekanismi toteutettiin ilmastomalliin (CLIMBER-2), joka on melko kehittynyt, mutta sopii silti vielä tässä tutkimuksessa tarvittavaan pitkän ajan simulaatioon. Suolataskumekanismin toiminnan mittasuhteet ovat kuitenkin niin pienet, että ilmastomallin erottelukyky ei riitä mekanismin kuvaamiseen. Siksi mekanismi on toteutettava parametrisoinnin avulla. Suolalle ja muutamalle muulle kemikaalille määritettiin merijään syntymisessä syrjäytyvä määrä ja lisäksi siitä aiheutuva pohjaan vajoava määrä. Malliin luotiin lisäksi viime jääkauden aikaiset olosuhteet. Simulaatioiden tuloksia verrattiin sitten viime jääkaudesta olemassaolevaan havaintomateriaaliin.

Simulaatioiden perusteella suolataskumekanismi näyttäisi vähentävän ilmakehän hiilidioksidipitoisuutta. Parhaimmillaan vähennys on hiukan yli 50 ppmv, jos kaikki jäätymisestä aiheutuva suola vajoaa syvään mereen. Ilmakehän hiilidioksidipitoisuus laskisi tässä tapauksessa siis noin 250 ppmv:n paikkeille.

Simulaatioiden avulla tutkittiin myös, mitkä aineet itse asiassa aiheuttavat ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden vähenemisen suolataskumekanismissa. Osoittautui, että suolalla itsellään oli suurin vaikutus (noin 60 %) hiilidioksidipitoisuuden vähenemiseen. Kuten yllä on mainittu, suola voimistaa meren kerrostuneisuutta, mikä estää syvän meren ja pinnan välistä veden vaihtumista. Näin pohjaan vajoavan orgaanisen aineksen hiili ei pääse enää palaamaan pintavesiin ja sitä kautta takaisin ilmakehään. Niinpä ilmakehän hiilidioksidipitoisuus laskee orgaaniseen ainekseen sitoutuneen hiilen kasautuessa pikku hiljaa meren pohjaan.

On myös toinen merkittävä tapa, jolla suolataskumekanismi vähentää ilmakehän hiilidioksidipitoisuutta. Kun meren suolapitoisuus vähenee, meren ilmakehästä ottama hiilidioksidimäärä kasvaa. Suolataskumekanismi muuttaa suolan jakaumaa meressä siirtäen suolaa pinnasta pohjaan ja näin laskee meren pintavesien suolapitoisuutta ja meri alkaa ottamaan enemmän hiilidioksidia ilmakehästä. Tämän tavan vaikutus kokonaisvähennyksestä on kolmas- tai neljäsosan luokkaa.

Yllä esitettiin suolataskumekanismin vähentävän ilmakehän hiilidioksidipitoisuutta parhaimmillaan yli 50 ppmv. Tämä on silti vasta puolet tarvittavasta vähennyksestä. Asiassa on kuitenkin vielä yksi seikka, joka saattaa parantaa tilannetta. Meren voimakas kerrostuneisuus vähentää pystysuuntaisen vedenvaihdon lisäksi myös vaakatasossa tapahtuvaa veden liikettä. Kun tämä asia lisättiin simulaatioihin, suolataskumekanismin aiheuttama ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden vähennys lisääntyi voimakkaasti. Ilman suolataskumekanismia vähentyneen vaakasuuntaisen veden liikkeen vaikutus ilmakehän hiilidioksidipitoisuuteen on kuitenkin hyvin pieni. Kun nämä kaksi laitetaan yhteen, ne voimistavat toisiaan. Syy tähän on se, että vaakasuuntaisen veden sekoittumisen väheneminen vähentää entisestään myös pystysuuntaista veden sekoittumista ja pohjaan vajoava hiilipitoinen aines jää sinne entistä tehokkaammin. Tällä tavalla suolataskumekanismi vähentää ilmakehän hiilidioksidipitoisuutta jo lähes havaintoja vastaavalla tavalla.

Hiili-13:n tapauksessa simulaatiot näyttäisivät tuottavan suolavesitaskulla melko hyvin havaintoja vastaavan tilanteen, jossa hiili-13 vähenee syvässä meressä. Tämä kuitenkin riippuu siitä, miten suuri osuus jäätymisestä syntyneestä suolasta kulkeutuu syvään mereen. Tilanne vastaa havaintoja, kun suolasta noin kaksi kolmasosaa tai enemmän vajoaa syvään mereen. Vaakasuuntaisen sekoittumisen väheneminen vähentää myös hiili-13:n osuutta syvän meren hiilivarannoissa.

Suolataskumekanismi vaikuttaa siis tärkeältä osalta viime jääkauden aikaisen hiilen kierron mysteerien selvityksessä. Suolataskumekanismi tuskin on kuitenkaan ainoa mekanismi, vaan jääkauden huipun vähäinen ilmakehän hiilidioksidipitoisuus on lopulta todennäköisesti monen tekijän summa.

Lähde: Bouttes, N., Paillard, D., and Roche, D. M.: Impact of brine-induced stratification on the glacial carbon cycle, Clim. Past, 6, 575-589, doi:10.5194/cp-6-575-2010, 2010. [tiivistelmä, koko artikkeli]

Mainokset

Vastaa

Täytä tietosi alle tai klikkaa kuvaketta kirjautuaksesi sisään:

WordPress.com-logo

Olet kommentoimassa WordPress.com -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Twitter-kuva

Olet kommentoimassa Twitter -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Facebook-kuva

Olet kommentoimassa Facebook -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Google+ photo

Olet kommentoimassa Google+ -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Muodostetaan yhteyttä palveluun %s

%d bloggers like this: