曼恩研究小组的科学家们在时间上前后驱动了一个气候模型，并发现了上新世-更新世冰川发展的重要路径依赖性。
气候模拟界对过去300万年的冰期和间冰期旋回尤其感到烦恼，在此期间，北半球在有大冰原和没有大冰原的时期交替进行。
从大约125万年前到75万年前，在更新世时期，发生了一次被称为中更新世过渡（MPT）的冰川旋回变化。在此期间，冰期/间冰期旋回从每4.1万年发生一次转变为每10万年发生一次，旋回的幅度和不对称性增加。科学家们正在努力了解这些变化发生的原因，考虑到日照强迫 —— 地球从太阳接收能量的变化 —— 本身并不能解释这种变化。
冰川演化中的路径依赖
现在，来自宾夕法尼亚大学艺术与科学学院曼恩研究小组和波茨坦气候影响研究所的科学家们发现，在上新世-更新世冰川的进化中，有很强的路径依赖性，也被称为滞后行为。这意味着，冰川的演变不仅是二氧化碳水平和太阳输出等因素的函数，而且还受到先前事件的限制。
他们表明，风化岩（阻止大冰原生长的沉积物）和火山喷发（火山喷发向大气中释放二氧化碳）的逐渐减少是产生MPT所必需的。他们的发现发表在《美国国家科学院院刊》上。
“我们在这项研究中看到的是，在火山喷发量相同的情况下，模型计算出大气中二氧化碳的浓度不同。这表明碳循环的行为不是线性的，而是取决于它的初始状态，”第一作者、曼恩研究小组的博士后朱迪特·卡里略说。
气候科学家迈克尔·e·曼恩说，这些结果表明，现在采取行动防止目前的冰盖崩溃还为时不晚。
研究人员解释说，这个模型决定了火山释放的二氧化碳去了哪里。卡里略说，这可以帮助科学家更好地预测人类造成的温室气体排放的影响。
基于模型的研究和发现
本研究采用了中等复杂程度的CLIMBER-2地球系统模型，包括大气、海洋、冰盖和碳循环组分。曼恩解释说，这个模型允许研究人员进行数百万年的模拟，这是最复杂和详细的模型不可能做到的。波茨坦研究所的马泰奥·威利特（Matteo Willeit）是该论文的合著者，他领导了一项2019年的研究，使用该模型重现了上新世-更新世冰川/间冰期旋回的主要特征。
在这项新研究中，研究人员以2019年的论文为基础，在过去的300万年里，通过向前和向后推动模型，测试不同的风化层结构，以评估它们对MPT的影响。结果表明，枯竭的风化层和降低的二氧化碳水平是产生10万年锯齿状循环的必要条件，但二氧化碳比风化层枯竭的速度更根本地决定了MPT的开始。
作者总结道：“我们发现这种进化是路径依赖的，具体来说，是不可逆转的。在以现代前工业化条件开始的实验中，并利用地球轨道和构造强迫的时间反转将模型推回到过去，上新世晚期和更新世早期的温暖、相对无冰的条件无法重现。”
曼恩补充说，这一发现可能有更广泛的含义。他说：“事实上，冰盖的范围不仅取决于时间方向上的二氧化碳浓度，也就是说，气候是处于冷却阶段还是变暖阶段，这提供了一点好消息。即使冰盖的范围大大缩小，海平面也比几百万年前二氧化碳水平高得多，但冰盖的崩塌可能还没有锁定。如果我们能迅速大幅降低碳排放，我们就有了一点缓冲。”
研究人员警告说，由于模拟是基于单一模型，并且由于对冰期/间冰期循环的长期模拟仍处于起步阶段，他们的结果并不是对气候系统行为的明确描述，但“应该被认为是提供了值得通过多种建模框架进一步研究的动力行为的证据。”他们指出，这项工作的下一个有价值的步骤是将模拟进一步扩展到中新世，那时二氧化碳水平甚至更高。
卡里略说，曼恩研究小组目前正在努力更好地了解碳循环是如何工作的，以及为什么会发生滞后行为，并正在使用一个具有更高空间分辨率的新版本的攀登者，以更好地分析格陵兰冰盖。
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