Le fluttuazioni dei parametri orbitali della Terra sono considerate l'innesco di fluttuazioni climatiche a lungo termine come le ere glaciali. Ciò include la variazione dell'angolo di inclinazione dell'asse terrestre con un ciclo di circa 40, 000 anni. Gli scienziati marini di Kiel guidati dal GEOMAR Helmholtz Center for Ocean Research Kiel hanno dimostrato, utilizzando un nuovo modello, che anche le interazioni biogeochimiche tra oceano e atmosfera potrebbero essere responsabili delle fluttuazioni climatiche su questa scala temporale.

La storia climatica della Terra è segnata da cambiamenti periodici che sono solitamente attribuiti alla radiazione solare che raggiunge la superficie terrestre. Questa insolazione non è costante nel tempo geologico ma modulata da cambiamenti ciclici nei parametri orbitali della Terra. Uno dei parametri chiave che influenzano l'insolazione è l'inclinazione dell'asse di rotazione terrestre (obliquità) che cambia periodicamente nel tempo con una durata del ciclo di circa 40 000 anni. Le firme chimiche e isotopiche dei sedimenti che si sono depositati durante il Cretaceo e altri periodi della storia della Terra documentano cambiamenti regolari della temperatura e del ciclo del carbonio su questa scala temporale. Si ritiene che i cicli di 40 kyr osservati negli archivi geologici climatici siano il risultato di cambiamenti di insolazione innescati dall'obliquità che influenzano la temperatura superficiale, la circolazione dell'oceano e dell'atmosfera, il ciclo idrologico, la biosfera, e infine il ciclo del carbonio. Uno dei problemi con questa teoria standard è che i cambiamenti nell'insolazione globale sono molto piccoli e devono essere amplificati da meccanismi di feedback positivo poco conosciuti per influenzare il clima globale.

Un gruppo di scienziati di Kiel, La Germania propone una prospettiva molto diversa che emerge da un nuovo modello numerico della biosfera marina. Simula il ricambio della biomassa di plancton nell'oceano e risolve le reazioni di ossidazione e riduzione microbica associate che controllano le scorte permanenti di ossigeno disciolto, solfuro, nutrienti e plancton nell'oceano. Nei loro esperimenti modello gli scienziati hanno sorprendentemente trovato un ciclo climatico autosufficiente di 40 kyr utilizzando il modello biogeochimico integrato in un modello di circolazione dell'Oceano Cretaceo senza applicare la forzatura dell'obliquità.

"Nel nostro modello, il ciclo del carbonio è ampiamente controllato dal plancton che vive nell'oceano di superficie, " spiega il Prof. Dr. Klaus Wallmann di GEOMAR, autore principale dello studio che è stato recentemente pubblicato in Geoscienze naturali . Il plancton consuma CO . atmosferica ₂ tramite fotosintesi e da microrganismi che hanno degradato la biomassa del plancton e rilasciato CO ₂ rientrare nell'atmosfera. Dal momento che CO ₂ è un potente gas serra, la CO . biologica ₂ il turnover influenza le temperature superficiali e il clima globale. La crescita del plancton è controllata da nutrienti che prendono parte a una serie di reazioni di ossidazione e riduzione microbica.

"Abbiamo integrato questo nuovo modello biogeochimico in un modello di circolazione dell'Oceano Cretaceo, e crea un ciclo climatico autosufficiente di 40 kyr senza applicare la forzatura dell'obliquità, " afferma il dottor Sascha Flögel, coautore di GEOMAR. "Dal nostro punto di vista, il ciclo è indotto da una rete di feedback positivi e negativi che sono radicati nel turnover dell'azoto dipendente dall'ossigeno, fosforo, ferro e zolfo nell'oceano. I dati chimici e isotopici registrati nei sedimenti depositati nell'Oceano Cretaceo mostrano cambiamenti periodici coerenti con i risultati del modello, "Flögel continua

In questo nuovo punto di vista sui cambiamenti climatici, la relazione tra cause ed effetti è radicalmente diversa dalla teoria orbitale standard. La biosfera marina piuttosto che l'insolazione sta dettando il ritmo e l'ampiezza controllando la pressione parziale di CO ₂ nell'atmosfera. "La nostra nuova teoria è supportata da osservazioni e coerente con la nostra comprensione dei cicli biogeochimici nell'oceano, " secondo il prof. Wallmann.

"Tuttavia, l'obliquità e altri parametri orbitali possono anche influenzare il cambiamento climatico globale quando i loro delicati effetti sull'insolazione sono amplificati da meccanismi di feedback positivo. Pertanto, il cambiamento climatico periodico documentato nella documentazione geologica può riflettere sia il respiro della biosfera che la risposta del sistema terrestre all'orbitale esterno e alla forzatura dell'insolazione, " riassume il Prof. Dr. Wolfgang Kuhnt della Kiel University che ha partecipato a questo studio.