Changes in Earth's orbit are known to influence climate shifts from cold glacials to warm interglacials. How the vast West Antarctic ice sheet responds to these fluctuations is uncertain but, because its collapse could raise sea levels by about 5 metres, of great interest. Naish et al. have analysed the AND-1B ocean sediment core, extracted from beneath the Ross Ice Shelf as part of the ANDRILL drilling project, and find evidence that the ice sheet collapsed periodically during the early Pliocene (3-5 million years ago), when atmospheric CO2 levels were similar to, or slightly higher than today's. The pattern of collapse suggests an influence of approximately 40,000-year cycles in the tilt of Earth's rotational axis (obliquity). Also in this issue of Nature, in a numerical modelling study focused on the past 5 million years in Antarctica, David Pollard and Robert DeConto combine ice sheet (land-supported) and ice shelf (water-supported) modelling approaches to simulate the movement of the grounding line — the border between land and sea ice. Their results show that over the past 5 million years, the West Antarctic ice sheet transitioned between full, intermediate, and collapsed states in just a few thousand years. This means that the ice sheet is likely to disintegrate if ocean temperatures in the area rise by 5 C. The response of the vast West Antarctic Ice Sheet (WAIS) to climate shifts due to changes in Earth's orbit is uncertain, but there is potential for several metres of sea level change. Naish and co-authors extracted a sediment core from beneath the Ross Ice Shelf and found evidence that the WAIS periodically collapsed during the early Pliocene (3-5 million years ago); and the pattern of collapse suggests an influence of ∼40,000-year cycles in the tilt of Earth's rotational axis. Thirty years after oxygen isotope records from microfossils deposited in ocean sediments confirmed the hypothesis that variations in the Earth’s orbital geometry control the ice ages1, fundamental questions remain over the response of the Antarctic ice sheets to orbital cycles2. Furthermore, an understanding of the behaviour of the marine-based West Antarctic ice sheet (WAIS) during the ‘warmer-than-present’ early-Pliocene epoch (∼5–3 Myr ago) is needed to better constrain the possible range of ice-sheet behaviour in the context of future global warming3. Here we present a marine glacial record from the upper 600 m of the AND-1B sediment core recovered from beneath the northwest part of the Ross ice shelf by the ANDRILL programme and demonstrate well-dated, ∼40-kyr cyclic variations in ice-sheet extent linked to cycles in insolation influenced by changes in the Earth’s axial tilt (obliquity) during the Pliocene. Our data provide direct evidence for orbitally induced oscillations in the WAIS, which periodically collapsed, resulting in a switch from grounded ice, or ice shelves, to open waters in the Ross embayment when planetary temperatures were up to ∼3 °C warmer than today4 and atmospheric CO2 concentration was as high as ∼400 p.p.m.v. (refs 5, 6). The evidence is consistent with a new ice-sheet/ice-shelf model7 that simulates fluctuations in Antarctic ice volume of up to +7 m in equivalent sea level associated with the loss of the WAIS and up to +3 m in equivalent sea level from the East Antarctic ice sheet, in response to ocean-induced melting paced by obliquity. During interglacial times, diatomaceous sediments indicate high surface-water productivity, minimal summer sea ice and air temperatures above freezing, suggesting an additional influence of surface melt8 under conditions of elevated CO2.

Surface samples, mostly from abyssal sediments of the South Atlantic, from parts of the equatorial Atlantic, and of the Antarctic Ocean, were investigated for clay content and clay mineral composition. Maps of relative clay mineral content were compiled, which improve previous maps by showing more details, especially at high latitudes. Large-scale relations regarding the origin and transport paths of detrital clay are revealed. High smectite concentrations are observed in abyssal regions, primarily derived from southernmost South America and from minor sources in Southwest Africa. Near submarine volcanoes of the Antarctic Ocean (South Sandwich, Bouvet Island) smectite contents exhibit distinct maxima, which is ascribed to the weathering of altered basalts and volcanic glasses. The illite distribution can be subdivided into five major zones including two maxima revealing both South African and Antarctic sources. A particularly high amount of Mg- and Fe-rich illites are observed close to East Antarctica. They are derived from biotite-bearing crystalline rocks and transported to the west by the East Antarctic Coastal Current. Chiorite and well-crystallized dioctaedral illite are typical minerals enriched within the Subantarctic and Polarfrontal-Zone but of minor importance off East Antarctica. Kaolinite dominates the clay mineral assemblage at low latitudes, where the continental source rocks (West Africa, Brazil) are mainly affected by intensive chemical weathering. Surprisingly, a slight increase of kaolinite is observed in the Enderby Basin and near the Filchner-Ronne Ice shelf. The investigated area can be subdivided into ten, large-scale clay facies zones with characteristic possible source regions and transport paths. Clay mineral assemblages of the largest part of the South Atlantic, especially of the western basins are dominated by chlorite and illite derived from the Antarctic Peninsula and southernmost South America and supported by advection within the Circumantarctic Deep Water flow. In contrast, the East Antarctic provinces are relatively small. Assemblages of the eastern basins north of 30°S are strongly influenced by African sources, controlled by weathering regimes on land and by a complex interaction of wind, river and deep ocean transport. The strong gradient in clay mineral composition at the Brazilian slope indicate a relatively low contribution of tropically derived assemblages to the western basins.

A robust understanding of Antarctic Ice Sheet deglacial history since the Last Glacial Maximum is important in order to constrain ice sheet and glacial-isostatic adjustment models, and to explore the forcing mechanisms responsible for ice sheet retreat. Such understanding can be derived from a broad range of geological and glaciological datasets and recent decades have seen an upsurge in such data gathering around the continent and Sub-Antarctic islands. Here, we report a new synthesis of those datasets, based on an accompanying series of reviews of the geological data, organised by sector. We present a series of timeslice maps for 20 ka, 15 ka, 10 ka and 5 ka, including grounding line position and ice sheet thickness changes, along with a clear assessment of levels of confidence. The reconstruction shows that the Antarctic Ice sheet did not everywhere reach the continental shelf edge at its maximum, that initial retreat was asynchronous, and that the spatial pattern of deglaciation was highly variable, particularly on the inner shelf. The deglacial reconstruction is consistent with a moderate overall excess ice volume and with a relatively small Antarctic contribution to meltwater pulse 1a. We discuss key areas of uncertainty both around the continent and by time interval, and we highlight potential priorities for future work. The synthesis is intended to be a resource for the modelling and glacial geological community.

Dust deposition in the Southern Ocean constitutes a critical modulator of past global climate variability, but how it has varied temporally and geographically is underdetermined. Here, we present data sets of glacial-interglacial dust-supply cycles from the largest Southern Ocean sector, the polar South Pacific, indicating three times higher dust deposition during glacial periods than during interglacials for the past million years. Although the most likely dust source for the South Pacific is Australia and New Zealand, the glacial-interglacial pattern and timing of lithogenic sediment deposition is similar to dust records from Antarctica and the South Atlantic dominated by Patagonian sources. These similarities imply large-scale common climate forcings, such as latitudinal shifts of the southern westerlies and regionally enhanced glaciogenic dust mobilization in New Zealand and Patagonia.

Geological records from the Antarctic margin offer direct evidence of environmental variability at high southern latitudes and provide insight regarding ice sheet sensitivity to past climate change. The early to mid-Miocene (23-14 Mya) is a compelling interval to study as global temperatures and atmospheric CO2 concentrations were similar to those projected for coming centuries. Importantly, this time interval includes the Miocene Climatic Optimum, a period of global warmth during which average surface temperatures were 3-4 °C higher than today. Miocene sediments in the ANDRILL-2A drill core from the Western Ross Sea, Antarctica, indicate that the Antarctic ice sheet (AIS) was highly variable through this key time interval. A multiproxy dataset derived from the core identifies four distinct environmental motifs based on changes in sedimentary facies, fossil assemblages, geochemistry, and paleotemperature. Four major disconformities in the drill core coincide with regional seismic discontinuities and reflect transient expansion of grounded ice across the Ross Sea. They correlate with major positive shifts in benthic oxygen isotope records and generally coincide with intervals when atmospheric CO2 concentrations were at or below preindustrial levels (∼280 ppm). Five intervals reflect ice sheet minima and air temperatures warm enough for substantial ice mass loss during episodes of high (∼500 ppm) atmospheric CO2 These new drill core data and associated ice sheet modeling experiments indicate that polar climate and the AIS were highly sensitive to relatively small changes in atmospheric CO2 during the early to mid-Miocene.

Abstract The Antarctic Circumpolar Current (ACC) is Earth's largest current flowing around Antarctica at all depths and connecting major ocean basins, thus representing an important component of Earth's climate. However, the timing and key controls determining ACC flow path and its strength as a function of past climatic boundary conditions that ultimately resulted in its modern configuration remain unclear due to major uncertainties in paleoceanographic and tectonic reconstructions. Here we present a unique high‐resolution laser ablation‐derived late Cenozoic seawater lead isotope record obtained from a hydrogenetic ferromanganese crust from the Pacific sector of the Southern Ocean. Our Pb isotope data reveal that the ACC has experienced five stable circulation states since the early Miocene which were separated by four major transitions observed at 17.5‐14.6, 12, 10 and 5 Ma. We suggest that the relatively abrupt transitions between ACC circulation state were mainly induced by tectonic changes, whereas the impact of climatic changes was of secondary importance. According to our data the modern ACC configuration formed 5 million years ago, likely in response to the closure of the Panama Seaway. Since the Drake Passage (DP) has already been an open seaway since at least the late Miocene, our results demonstrate that DP opening was not the only factor affecting past ACC circulation. Our data also show that changes in the latitudinal position of the ACC were linked to the middle Miocene waxing and waning of the Antarctic ice sheets, which emphasizes the ACC's critical role as a key control of Antarctic glaciation.

One of Earth’s most fundamental climate shifts – the greenhouse-icehouse transition 34 Ma ago – initiated Antarctic ice-sheet build-up, influencing global climate until today. However, the extent of the ice sheet during the Early Oligocene Glacial Maximum (~33.7–33.2 Ma) that immediately followed this transition, a critical knowledge gap for assessing feedbacks between permanently glaciated areas and early Cenozoic global climate reorganization, is uncertain. Here, we present shallow-marine drilling data constraining earliest Oligocene environmental conditions on West Antarctica’s Pacific margin – a key region for understanding Antarctic ice sheet-evolution. These data indicate a cool-temperate environment, with mild ocean and air temperatures preventing West Antarctic Ice Sheet formation. Climate-ice sheet modeling corroborates a highly asymmetric Antarctic ice sheet, thereby revealing its differential regional response to past and future climatic change.