Il riscaldamento globale causato dall'uomo è stato a lungo presentato come una catena relativamente semplice di causa ed effetto:gli esseri umani interrompono il ciclo del carbonio bruciando combustibili fossili, quindi aumentare la concentrazione di CO ₂ nell'atmosfera, che a sua volta porta a temperature più elevate in tutto il mondo. "Però, diventa sempre più chiaro che questa non è la fine della storia. Gli incendi boschivi diventano più frequenti in tutto il mondo, rilasciare ulteriore CO ₂ nell'atmosfera, e rafforzare ulteriormente il riscaldamento globale che in primo luogo ha aumentato il rischio di incendi boschivi. Questo è un esempio da manuale di ciò che gli scienziati del clima chiamano un meccanismo di feedback positivo, " sottolinea David De Vleeschouwer, un ricercatore post-dottorato presso MARUM—Center for Marine Environmental Sciences presso l'Università di Brema.

Per rivelare questo tipo di meccanismi di feedback del ciclo clima-carbonio in circostanze naturali, David De Vleeschouwer e colleghi hanno sfruttato i dati isotopici delle carote di sedimenti dell'oceano profondo. "Alcuni di questi nuclei contengono sedimenti fino a 35 milioni di anni. Nonostante la loro rispettabile età, questi sedimenti portano una chiara impronta dei cosiddetti cicli Milanković. I cicli di Milanković riguardano i cambiamenti ritmici nella forma dell'orbita terrestre (eccentricità), nonché all'inclinazione (obliquità) e all'orientamento (precessione) dell'asse di rotazione terrestre. Come un orologio astronomico, I cicli di Milanković generano cambiamenti nella distribuzione dell'insolazione solare sul pianeta, e quindi provocare un cambiamento climatico cadenzato, " spiega De Vleeschouwer. "Abbiamo esaminato la composizione isotopica del carbonio e dell'ossigeno dei microfossili all'interno del sedimento e per prima cosa abbiamo usato l'eccentricità, obliquità e cadenze di precessione come cronometri geologici. Quindi, abbiamo applicato un metodo statistico per determinare se i cambiamenti in un sistema isotopico portano o ritardano la variabilità nell'altro isotopo".

Il suo collega Maximilian Vahlenkamp aggiunge, "Quando un modello comune in entrambi i sistemi di isotopi si verifica solo un po' prima nel sistema del carbonio rispetto al sistema di isotopi dell'ossigeno, chiamiamo questo piombo isotopo di carbonio. Quindi deduciamo che il ciclo del carbonio ha esercitato il controllo sul sistema climatico al momento della deposizione dei sedimenti." Paleoclimatologi e paleoceanografi usano spesso gli isotopi del carbonio come indicatore delle perturbazioni del ciclo del carbonio, e gli isotopi dell'ossigeno come proxy per i cambiamenti nello stato climatico globale. I cambiamenti nella composizione isotopica di questi microfossili di acque profonde possono indicare, Per esempio, un aumento dello stoccaggio continentale di carbonio da parte di piante terrestri e suoli, o il raffreddamento globale con una crescita delle calotte glaciali.

"L'analisi sistematica e continua nel tempo dei lead e dei ritardi tra il ciclo del carbonio e il clima costituisce il carattere innovativo di questo studio. Il nostro approccio consente di sequenziare la storia della Terra ad alta risoluzione negli ultimi 35 milioni di anni, " afferma il prof Heiko Pälike. "Mostriamo che gli ultimi 35 milioni di anni possono essere suddivisi in tre intervalli, ciascuno con il suo specifico modus operandi del ciclo clima-carbonio." In media, gli autori hanno scoperto che gli isotopi dell'ossigeno determinano variazioni degli isotopi del carbonio. Ciò significa che, in condizioni naturali, le variazioni climatiche stanno in gran parte regolando le dinamiche del ciclo globale del carbonio. Però, il team di ricerca si è concentrato sui momenti in cui era vero il contrario. Infatti, De Vleeschouwer e colleghi hanno trovato alcuni esempi di periodi antichi durante i quali il ciclo del carbonio ha guidato il cambiamento climatico su circa 100, tempi di 000 anni, proprio come accade ora su tempi molto più brevi "ma ovviamente senza l'intervento umano, " afferma Pälike.

Durante l'intervallo più vecchio, tra 35 e 26 milioni di anni fa, il ciclo del carbonio ha preso il sopravvento sui cambiamenti climatici soprattutto durante i periodi di stabilità climatica. "I periodi di stabilità climatica nella documentazione geologica hanno spesso una causa astronomica. Quando l'orbita della Terra intorno al sole è vicina a un cerchio perfetto, gli estremi dell'insolazione stagionale vengono troncati e vengono applicati climi più uniformi, " spiega David De Vleeschouwer. "Tra 35 e 26 milioni di anni fa, tale configurazione astronomica sarebbe stata favorevole per un'espansione temporale della calotta antartica. Proponiamo che in tale scenario, l'intensità dell'erosione glaciale e del successivo disfacimento delle rocce è aumentata. Questo è importante, perché l'erosione delle rocce silicatiche rimuove CO ₂ dall'atmosfera, e quindi controlla in definitiva l'effetto serra."

Ma circa 26 milioni di anni fa, il modus operandi cambiò radicalmente. Il ciclo del carbonio ha preso il controllo del clima in periodi di volatilità climatica, non stabilità. "Riteniamo che questo cambiamento risalga al sollevamento delle montagne himalayane e a uno stato climatico dominato dai monsoni. Quando gli estremi dell'insolazione stagionale vengono amplificati attraverso un'orbita terrestre eccentrica, i monsoni possono diventare davvero intensi. I monsoni più forti consentono più agenti atmosferici chimici, la rimozione di CO ₂ dall'atmosfera e quindi un controllo del ciclo del carbonio sul clima".

I meccanismi proposti dagli autori non solo spiegano i modelli osservati negli isotopi di carbonio e ossigeno, forniscono anche nuove idee su come il sistema climatico e il ciclo del carbonio hanno interagito nel tempo. "Alcune ipotesi necessitano di ulteriori test con modelli numerici del clima e del ciclo del carbonio, ma la comprensione a livello di processo presentata in questo lavoro è importante perché fornisce uno sguardo al meccanismo del nostro pianeta in condizioni al contorno che sono fondamentalmente diverse da quelle odierne, " dice De Vleeschouwer. Inoltre, questo lavoro fornisce anche scenari che possono essere utilizzati per valutare la capacità dei modelli del ciclo clima-carbonio quando vengono spinti agli scenari estremi del passato geologico.