stringtranslate.com

Палеоокеанография

Палеоокеанография — это изучение истории океанов в геологическом прошлом с точки зрения циркуляции, химии , биологии , геологии и закономерностей седиментации и биологической продуктивности. Палеоокеанографические исследования с использованием моделей окружающей среды и различных прокси позволяют научному сообществу оценить роль океанических процессов в глобальном климате путем реконструкции прошлого климата в различные интервалы времени. Палеоокеанографические исследования также тесно связаны с палеоклиматологией .

Источник и методы информации

Палеоокеанография использует так называемые прокси- методы как способ получения информации о прошлом состоянии и эволюции мировых океанов. Несколько геохимических прокси-инструментов включают длинноцепочечные органические молекулы (например, алкеноны ), стабильные и радиоактивные изотопы и следы металлов. [1] Кроме того, осадочные керны, богатые окаменелостями и ракушками (тесты), также могут быть полезны; область палеоокеанографии тесно связана с седиментологией и палеонтологией .

Температура поверхности моря

Данные о температуре поверхности моря (ТПМ) можно извлечь из кернов глубоководных отложений, используя соотношения изотопов кислорода и соотношение магния к кальцию (Mg/Ca) в выделениях раковин планктона, длинноцепочечных органических молекул, таких как алкенон, тропических кораллов вблизи поверхности моря и раковин моллюсков. [2]

Соотношения изотопов кислорода (δ 18 O) полезны для реконструкции SST из-за влияния температуры на соотношение изотопов. Планктон поглощает кислород при построении своих раковин и будет меньше обогащаться δ 18 O при формировании в более теплых водах, при условии, что они находятся в термодинамическом равновесии с морской водой. [3] Когда эти раковины оседают, они тонут и образуют отложения на дне океана, δ 18 O которых можно использовать для определения прошлых SST. [4] Однако соотношения изотопов кислорода не являются идеальными прокси. Объем льда, захваченного континентальными ледяными щитами, может оказывать влияние на δ 18 O. Пресная вода, характеризующаяся более низкими значениями δ 18 O, оказывается захваченной континентальными ледяными щитами, так что во время ледниковых периодов δ 18 O морской воды повышается, и раковины кальцита, образованные в эти времена, будут иметь большее значение δ 18 O. [5] [6]

Замещение магния вместо кальция в раковинах CaCO 3 может быть использовано в качестве прокси для SST, в котором раковины сформировались. Соотношения Mg/Ca имеют несколько других влияющих факторов, помимо температуры, таких как жизненные эффекты, очистка раковин и эффекты посмертного и постдепонирующего растворения, и это лишь некоторые из них. [2] Помимо других влияний, соотношения Mg/Ca успешно количественно определили тропическое похолодание, которое произошло во время последнего ледникового периода. [7]

Алкеноны — это длинноцепочечные сложные органические молекулы, производимые фотосинтезирующими водорослями. Они чувствительны к температуре и могут быть извлечены из морских отложений. Использование алкенонов представляет собой более прямую связь между SST и водорослями и не зависит от знания биотических и физико-химических термодинамических отношений, необходимых в исследованиях CaCO 3. [8] Еще одним преимуществом использования алкенонов является то, что они являются продуктом фотосинтеза, требующим образования на солнечном свете верхних поверхностных слоев. Таким образом, он лучше регистрирует SST вблизи поверхности. [2]

Температура придонной воды

Наиболее часто используемым прокси для определения истории температуры глубоководных районов являются соотношения Mg/Ca в бентосных фораминиферах и остракодах . Температуры, выведенные из соотношений Mg/Ca, подтвердили охлаждение глубинных районов океана на 3 °C во время ледниковых периодов позднего плейстоцена. [2] Одним из примечательных исследований является исследование Лира и др. [2002], которые работали над калибровкой температуры придонной воды по соотношениям Mg/Ca в 9 местах, охватывающих различные глубины от шести различных бентосных фораминифер (в зависимости от местоположения). [9] Авторы нашли уравнение калибровки температуры придонной воды по соотношениям Mg/Ca, которое принимает экспоненциальную форму:

где Mg/Ca — это соотношение Mg/Ca, обнаруженное в бентосных фораминиферах, а BWT — это температура придонной воды. [10]

Отчеты об осадках

Записи осадочных пород могут многое рассказать нам о нашем прошлом и помочь сделать выводы о будущем. Хотя эта область палеоокеанографии не является новой, некоторые исследования относятся к 1930-м годам и ранее. [11]    Современные исследования реконструкции временной шкалы продвинулись вперед с использованием методов сканирования кернов осадочных пород. Эти методы позволили проводить исследования, аналогичные тем, которые проводились с записями ледяных кернов в Антарктиде. [12] Эти записи могут информировать об относительной численности организмов, присутствующих в определенное время, с использованием методов палеопродуктивности, таких как измерение общей численности диатомовых водорослей. [13] Записи также могут информировать об исторических погодных условиях и циркуляции океана, как описано Дешампом и др. в их исследовании записей осадочных пород с Чукотско-Аляскинского и канадского побережья Бофорта. [14]

Соленость

Соленость — более сложная величина для выведения из палеоданных. Избыток дейтерия в записях керна может обеспечить лучшее заключение о солености морской поверхности, чем изотопы кислорода, а некоторые виды, такие как диатомовые водоросли, могут обеспечить полуколичественную запись солености из-за относительного обилия диатомовых водорослей, которые ограничены определенными режимами солености. [15] Произошли изменения в глобальном водном цикле и балансе солености океанов: Северная Атлантика стала более соленой, а субтропические Индийский и Тихий океаны стали менее солеными. [16] [17] С изменениями в водном цикле также произошли изменения в вертикальном распределении соли и галоклинов. [18] Крупные вторжения пресной воды и изменение солености также могут способствовать сокращению площади морского льда. [19]

Циркуляция океана

Несколько методов-прокси использовались для вывода о прошлой циркуляции океана и ее изменениях. Они включают в себя соотношения изотопов углерода , соотношения кадмия / кальция (Cd/Ca), изотопы протактиния / тория ( 231 Pa и 230 Th), активность радиоуглерода (δ 14 C), изотопы неодима ( 143 Nd и 144 Nd) и сортируемый ил (фракция глубоководных осадков между 10 и 63 мкм). [2] Используются прокси-методы изотопов углерода и соотношения кадмия/кальция, поскольку изменчивость их соотношений частично обусловлена ​​изменениями в химии придонных вод, которая, в свою очередь, связана с источником формирования глубоководных вод. [20] [21] Однако эти соотношения зависят от биологических, экологических и геохимических процессов, которые усложняют выводы о циркуляции.

Все включенные прокси полезны для вывода поведения меридиональной опрокидывающей циркуляции . [2] Например, МакМанус и др. [2004] использовали изотопы протактиния / тория ( 231 Pa и 230 Th), чтобы показать, что Атлантическая меридиональная опрокидывающая циркуляция была почти (или полностью) отключена во время последнего ледникового периода. [22] 231 Pa и 230 Th оба образуются в результате радиоактивного распада растворенного урана в морской воде, причем 231 Pa способен поддерживаться в водной толще дольше, чем 230 Th: 231 Pa имеет время пребывания ~100–200 лет, в то время как 230 Th имеет время пребывания ~20–40 лет. [22] В сегодняшнем Атлантическом океане и текущей опрокидывающей циркуляции перенос 230 Th в Южный океан минимален из-за его короткого времени пребывания, а перенос 231 Pa высок. Это приводит к относительно низким отношениям 231 Па / 230 Th, найденным МакМанусом и др. [2004] в ядре на 33 с. ш. 57 з. д. и глубине 4,5 км. Когда опрокидывающая циркуляция прекращается (как предполагалось) во время ледниковых периодов, отношение 231 Па / 230 Th повышается из-за отсутствия выноса 231 Па в Южный океан. МакМанус и др. [2004] также отмечают небольшой рост отношения 231 Па / 230 Th во время события позднего дриаса , другого периода в истории климата, который, как полагают, испытал ослабление опрокидывающей циркуляции. [22]

Кислотность, pH и щелочность

Соотношения изотопов бора (δ 11 B) можно использовать для вывода как недавних, так и тысячелетних изменений в масштабе времени кислотности, pH и щелочности океана, которые в основном вызваны концентрациями атмосферного CO 2 и концентрацией ионов бикарбоната в океане. Было обнаружено, что δ 11 B в кораллах из юго-западной части Тихого океана меняется в зависимости от pH океана, и это показывает, что климатические изменчивости, такие как тихоокеанская декадная осцилляция (PDO), могут модулировать влияние закисления океана из-за повышения концентрации атмосферного CO 2. [23] Другое применение δ 11 B в раковинах планктона может использоваться в качестве косвенного показателя концентрации атмосферного CO 2 за последние несколько миллионов лет. [24]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Хендерсон, Гидеон М. (октябрь 2002 г.). «Новые океанические прокси для палеоклимата». Earth and Planetary Science Letters . 203 (1): 1–13. Bibcode : 2002E&PSL.203....1H. doi : 10.1016/S0012-821X(02)00809-9.
  2. ^ abcdef Кронин, Томас М. (2010). Палеоклиматы: понимание изменения климата в прошлом и настоящем . Нью-Йорк: Columbia University Press. ISBN 9780231144940.
  3. ^ Юри, Гарольд К. (1947). «Термодинамические свойства изотопных веществ». Журнал химического общества (возобновление) : 562–81. doi :10.1039/JR9470000562. PMID  20249764.
  4. ^ Эмилиани, К. (1955). «Температуры плейстоцена». Журнал геологии . 63 (6): 538–578. Bibcode : 1955JG.....63..538E. doi : 10.1086/626295. JSTOR  30080906. S2CID  225042939.
  5. ^ Олауссон, Эрик (январь 1963 г.). «Свидетельства климатических изменений в североатлантических глубоководных кернах с замечаниями по изотопному палеотемпературному анализу». Progress in Oceanography . 3 : 221–252. Bibcode : 1963PrOce...3..221O. doi : 10.1016/0079-6611(65)90020-0.
  6. ↑ Шеклтон, Николас (1 июля 1967 г.). «Анализ изотопов кислорода и переоценка температур плейстоцена». Nature . 215 (5096): 15–17. Bibcode :1967Natur.215...15S. doi :10.1038/215015a0. S2CID  4221046.
  7. ^ Lea, DW (5 сентября 2003 г.). «Синхронность температур тропиков и высоких широт Атлантики в период последнего ледникового окончания». Science . 301 (5638): 1361–1364. Bibcode :2003Sci...301.1361L. doi :10.1126/science.1088470. PMID  12958356. S2CID  28169540.
  8. ^ Herbert, TD (2003). "Определение палеотемпературы алкенонов". В Holland, HD; Turekian, KK (ред.). Трактат по геохимии . Том 6 (1-е изд.). Oxford: Elsevier Science. стр. 391–432. Bibcode : 2003TrGeo...6..391H. doi : 10.1016/B0-08-043751-6/06115-6. ISBN 0-08-043751-6.
  9. ^ Биллапс, К.; Шраг, Д.П. (апрель 2003 г.). «Применение соотношений Mg/Ca бентосных фораминифер к вопросам изменения климата в кайнозое». Earth and Planetary Science Letters . 209 (1–2): 181–195. Bibcode : 2003E&PSL.209..181B. doi : 10.1016/S0012-821X(03)00067-0.
  10. ^ Лир, Кэролайн Х .; Розенталь, Яир; Слоуи, Ниалл (октябрь 2002 г.). «Mg/Ca-палеотермометрия бентосных фораминифер: пересмотренная калибровка керна-верхушки». Geochimica et Cosmochimica Acta . 66 (19): 3375–3387. Bibcode : 2002GeCoA..66.3375L. doi : 10.1016/S0016-7037(02)00941-9.
  11. ^ Пиггот, Чарльз Сноуден. «Образцы керна морского дна и их значение». The Scientific Monthly , т. 46, № 3, 1938, стр. 201–217. JSTOR , www.jstor.org/stable/16315. Доступ 24 марта 2021 г.
  12. ^ SL Jaccard, ED Galbraith, DM Sigman, GH Haug, Всеобъемлющая связь между антарктическими ледяными кернами и записями субарктических тихоокеанских осадочных пород за последние 800 тысяч лет, Quaternary Science Reviews, том 29, выпуски 1–2, 2010, страницы 206–212, ISSN 0277–3791, doi : 10.1016/j.quascirev.2009.10.007.
  13. ^ Sjunneskog, C., F. Taylor 2002. Послеледниковая летопись морских диатомовых водорослей Палмер-Дип, Антарктический полуостров (ODP Leg 178, Site 1098) 1. Общая численность диатомовых водорослей. VL - 17. DO - 10.1029/2000PA000563. Палеокеанография
  14. ^ Deschamps, Charles-Edouard & Montero-Serrano, Jean & St-Onge, Guillaume & Poirier, André. (2019). Изменения в глубоководной циркуляции в голоцене, выведенные из аутигенных изотопов Nd и Hf в записях осадков с Чукотско-Аляскинского и канадского побережья Бофорта. Ключевые моменты. Палеоокеанография и палеоклиматология. 34. 10.1029/2018PA003485.
  15. ^ Bauch, Henning A.; Polyakova, Yelena I. (июнь 2003 г.). "Диатомовые водоросли, полученные соленостью на арктической сибирской окраине: последствия для моделей речного стока в голоцене" (PDF) . Палеоокеанография . 18 (2): н/д. Bibcode : 2003PalOc..18.1027B. doi : 10.1029/2002PA000847.
  16. ^ Ю, Л. Глобальная связь между водным циклом океана и поверхностной соленостью. J. Geophys. Res. -Oceans 116 , C10025 (2011).
  17. ^ Виноградова, Н. и Понте, Р. В поисках следов недавней интенсификации круговорота океанской воды. J. Clim. 30 , 5513–5528 (2017).
  18. ^ Лю, Ч., Лян, Х., Понте, Р. М. и др. Вертикальное перераспределение соли и слоистые изменения солености мирового океана. Nat Commun 10, 3445 (2019).
  19. ^ Гусс, Х. и Цунц, В.: Десятилетние тенденции в площади морского льда Антарктиды в конечном итоге контролируются обратной связью лед–океан, Криосфера, 8, 453–470, doi :10.5194/tc-8-453-2014, 2014.
  20. ^ Lehman, Scott J.; Keigwin, Lloyd D. (30 апреля 1992 г.). «Внезапные изменения в циркуляции в Северной Атлантике во время последней дегляциации». Nature . 356 (6372): 757–762. Bibcode :1992Natur.356..757L. doi :10.1038/356757a0. S2CID  4351664.
  21. ^ Oppo, DW ; Lehman, SJ (19 февраля 1993 г.). «Циркуляция средних глубин субполярной Северной Атлантики во время последнего ледникового максимума». Science . 259 (5098): 1148–1152. Bibcode :1993Sci...259.1148O. doi :10.1126/science.259.5098.1148. PMID  17794395. S2CID  23996710.
  22. ^ abc McManus, JF; Francois, R.; Gherardi, J.-M.; Keigwin, LD; Brown-Leger, S. (22 апреля 2004 г.). «Коллапс и быстрое возобновление атлантической меридиональной циркуляции, связанные с дегляциальными изменениями климата». Nature . 428 (6985): 834–837. Bibcode :2004Natur.428..834M. doi :10.1038/nature02494. PMID  15103371. S2CID  205210064.
  23. ^ Pelejero, C. (30 сентября 2005 г.). «Изменчивость pH коралловых рифов от доиндустриального до современного периода». Science . 309 (5744): 2204–2207. Bibcode :2005Sci...309.2204P. doi :10.1126/science.1113692. PMID  16195458. S2CID  129883047.
  24. ^ Пирсон, Пол Н.; Палмер, Мартин Р. (17 августа 2000 г.). «Концентрация углекислого газа в атмосфере за последние 60 миллионов лет». Nature . 406 (6797): 695–699. Bibcode :2000Natur.406..695P. doi :10.1038/35021000. PMID  10963587. S2CID  205008176.

Внешние ссылки