Палеоклиматология ( британское написание , palaeoclimatology ) — научное изучение климата, существовавшего до изобретения метеорологических приборов , когда ещё не было данных прямых измерений. [1] Поскольку инструментальные записи охватывают лишь малую часть истории Земли , реконструкция древнего климата важна для понимания естественных изменений и эволюции современного климата.
Палеоклиматология использует различные косвенные методы из наук о Земле и жизни для получения данных, ранее сохраненных в породах , отложениях , скважинах , ледяных щитах , кольцах деревьев , кораллах , раковинах и микроископаемых . В сочетании с методами датирования косвенных данных палеоклиматические записи используются для определения прошлых состояний атмосферы Земли .
Научная область палеоклиматологии достигла зрелости в 20 веке. Известные периоды, изучаемые палеоклиматологами, включают частые оледенения , которые претерпевала Земля, быстрые похолодания, такие как поздний дриас , и быстрое потепление во время палеоцен-эоценового термического максимума . Исследования прошлых изменений в окружающей среде и биоразнообразии часто отражают текущую ситуацию, в частности влияние климата на массовые вымирания и биотическое восстановление и текущее глобальное потепление . [2] [3]
Представления об изменении климата, скорее всего, развились в Древнем Египте , Месопотамии , долине Инда и Китае , где наблюдались длительные периоды засух и наводнений. [4] В семнадцатом веке Роберт Гук предположил, что окаменелости гигантских черепах, найденных в Дорсете, могут быть объяснены только некогда более теплым климатом, который, по его мнению, можно было объяснить сдвигом земной оси. [4] В то время окаменелости часто объясняли как следствие библейского потопа. [5] Систематические наблюдения за солнечными пятнами были начаты астрономом-любителем Генрихом Швабе в начале XIX века, положив начало обсуждению влияния Солнца на климат Земли. [4]
Научное изучение палеоклиматологии начало формироваться в начале 19 века, когда открытия об оледенениях и естественных изменениях в прошлом климата Земли помогли понять парниковый эффект . Только в 20 веке палеоклиматология стала единой научной областью. До этого различные аспекты истории климата Земли изучались различными дисциплинами. [5] В конце 20 века эмпирические исследования древнего климата Земли начали сочетаться с компьютерными моделями все большей сложности. В этот период также возникла новая цель: поиск древних аналоговых климатов, которые могли бы предоставить информацию о текущем изменении климата . [5]
Палеоклиматологи используют широкий спектр методов для определения древнего климата. Используемые методы зависят от того, какую переменную необходимо реконструировать (это может быть температура , осадки или что-то еще) и как давно возник интересующий климат. Например, глубоководная морская летопись, источник большинства изотопных данных, существует только на океанических плитах, которые в конечном итоге субдуцируются ; самый старый оставшийся материал имеет возраст 200 миллионов лет . Более старые отложения также более подвержены повреждению диагенезом . Это связано с миллионами лет разрушения, которым подвергались скальные образования, такими как давление, тектоническая активность и потоки жидкости. Эти факторы часто приводят к отсутствию качества или количества данных, что приводит к снижению разрешения и уверенности в данных с течением времени.
Конкретные методы, используемые для выводов о древних климатических условиях, включают использование кернов озерных осадков и спелеотем. Они используют анализ слоев осадков и образований роста горных пород соответственно, среди методов элементного датирования с использованием кислорода, углерода и урана.
Метод прямых количественных измерений — это наиболее прямой подход к пониманию изменения климата. Сравнение последних данных со старыми данными позволяет исследователю получить базовое понимание изменений погоды и климата в пределах области. У этого метода есть недостаток. Данные о климате начали регистрироваться только в середине 1800-х годов. Это означает, что исследователи могут использовать только данные за 150 лет. Это бесполезно при попытке картирования климата области 10 000 лет назад. Здесь можно использовать более сложные методы. [8]
Горные ледники и полярные ледяные шапки / ледниковые щиты предоставляют много данных в палеоклиматологии. Проекты по бурению ледяных кернов в ледяных шапках Гренландии и Антарктиды дали данные, охватывающие несколько сотен тысяч лет, более 800 000 лет в случае проекта EPICA .
Многонациональный консорциум, Европейский проект по исследованию ледяных кернов в Антарктиде (EPICA), пробурил ледяной керн в Куполе C на восточно-антарктическом ледяном щите и извлек лед возрастом около 800 000 лет. [9] Международное сообщество по исследованию ледяных кернов под эгидой Международного партнерства в области изучения ледяных кернов (IPICS) определило приоритетный проект по получению старейших возможных записей ледяных кернов из Антарктиды, записей ледяных кернов, уходящих в прошлое на 1,5 миллиона лет назад. [10]
Климатическую информацию можно получить, изучив изменения в росте деревьев. Обычно деревья реагируют на изменения климатических переменных, ускоряя или замедляя рост, что, в свою очередь, обычно отражается большей или меньшей толщиной годичных колец. Однако разные виды реагируют на изменения климатических переменных по-разному. Годичные кольца деревьев создаются путем сбора информации со многих живых деревьев в определенной области. Это делается путем сравнения количества, толщины, границ колец и сопоставления образцов годичных колец деревьев.
Различия в толщине, отображаемые в годичных кольцах деревьев, часто могут указывать на качество условий окружающей среды и пригодность оцениваемых видов деревьев. Различные виды деревьев будут демонстрировать различные реакции роста на изменения климата. Оценка нескольких деревьев в пределах одного вида, наряду с одной из деревьев в пределах разных видов, позволит провести более точный анализ изменяющихся переменных в пределах климата и того, как они повлияли на окружающие виды. [11]
Более старая неповрежденная древесина, которая избежала гниения, может продлить время, охваченное записью, сопоставляя изменения глубины колец с современными образцами. Используя этот метод, некоторые области имеют записи годичных колец, датируемые несколькими тысячами лет. Более старая древесина, не связанная с современной записью, может быть датирована, как правило, с помощью радиоуглеродных методов. Запись годичных колец может быть использована для получения информации об осадках, температуре, гидрологии и пожаре, соответствующих определенной области.
В более длительном масштабе времени геологам приходится обращаться к осадочным отложениям для получения данных.
В более длительном масштабе времени в летописи горных пород могут быть признаки подъема и падения уровня моря , и могут быть идентифицированы такие особенности, как «окаменелые» песчаные дюны . Ученые могут получить представление о долгосрочном климате, изучая осадочные породы , возраст которых составляет миллиарды лет. Разделение истории Земли на отдельные периоды в значительной степени основано на видимых изменениях в слоях осадочных пород, которые разграничивают основные изменения условий. Часто они включают основные изменения климата.
Коралловые «кольца» имеют схожие свидетельства роста с таковыми у деревьев, и, таким образом, могут быть датированы аналогичными способами. Основное различие заключается в их среде и условиях в тех, на которые они реагируют. Примерами таких условий для кораллов являются температура воды, приток пресной воды, изменения pH и волновые возмущения. Отсюда специализированное оборудование, такое как прибор Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR), может быть использовано для получения температуры поверхности моря и солености воды за последние несколько столетий. δ 18 O кораллиновых красных водорослей является полезным прокси-сервером объединенной температуры поверхности моря и солености поверхности моря в высоких широтах и тропиках, где многие традиционные методы ограничены. [12] [13]
В климатической геоморфологии одним из подходов является изучение реликтовых форм рельефа для выведения древних климатов. [14] Поскольку климатическая геоморфология часто рассматривается как тема исторической геологии, ее часто рассматривают как тему прошлых климатов . [15] Доказательства этих прошлых климатов, которые необходимо изучить, можно найти в формах рельефа, которые они оставляют после себя. Примерами таких форм рельефа являются ледниковые формы рельефа (морены, полосы), пустынные особенности (дюны, пустынные мостовые) и прибрежные формы рельефа (морские террасы, береговые хребты). [16] Климатическая геоморфология имеет ограниченное применение для изучения недавних ( четвертичных , голоценовых ) крупных изменений климата, поскольку они редко различимы в геоморфологических записях. [17]
В области геохронологии ученые работают над определением возраста определенных прокси. Для недавних архивов прокси колец деревьев и кораллов можно подсчитать отдельные годичные кольца и определить точный год. Радиометрическое датирование использует свойства радиоактивных элементов в прокси. В более старом материале большая часть радиоактивного материала распалась, и соотношение различных элементов будет отличаться от более новых прокси. Одним из примеров радиометрического датирования является радиоуглеродное датирование . В воздухе космические лучи постоянно преобразуют азот в определенный радиоактивный изотоп углерода, 14 C. Когда растения затем используют этот углерод для роста, этот изотоп больше не пополняется и начинает распадаться. Соотношение «нормального» углерода и углерода-14 дает информацию о том, как долго растительный материал не контактировал с атмосферой. [18]
Знания о точных климатических событиях уменьшаются по мере накопления данных, но некоторые примечательные климатические события известны:
Первая атмосфера состояла бы из газов в солнечной туманности , в основном водорода . Кроме того, вероятно, были бы простые гидриды, такие как те, что сейчас встречаются в газовых гигантах, таких как Юпитер и Сатурн , в частности, водяной пар, метан и аммиак . По мере того, как солнечная туманность рассеивалась, газы вырывались, частично уносимые солнечным ветром . [19]
Следующая атмосфера, состоящая в основном из азота , углекислого газа и инертных газов, была создана путем выделения газов при вулканизме , дополненных газами, образовавшимися во время поздней интенсивной бомбардировки Земли огромными астероидами . [19] Большая часть выбросов углекислого газа вскоре растворилась в воде и образовала карбонатные отложения.
Были найдены отложения, связанные с водой, возраст которых составляет 3,8 миллиарда лет. [20] Около 3,4 миллиарда лет назад азот был основной частью тогдашней стабильной «второй атмосферы». Влияние жизни следует принимать во внимание довольно рано в истории атмосферы, поскольку намеки на ранние формы жизни датируются периодом от 3,5 до 4,3 миллиарда лет назад. [21] Тот факт, что это не полностью соответствует на 30% более низкому солнечному сиянию (по сравнению с сегодняшним днем) раннего Солнца, был описан как « парадокс слабого молодого Солнца ».
Геологическая летопись, однако, показывает постоянно относительно теплую поверхность в течение всего раннего периода температур Земли, за исключением одной холодной ледниковой фазы около 2,4 миллиарда лет назад. В позднем архейском эоне начала развиваться кислородосодержащая атмосфера, по-видимому, из фотосинтезирующих цианобактерий (см. Великое событие оксигенации ), которые были обнаружены в виде окаменелостей строматолитов 2,7 миллиарда лет назад. Ранняя базовая изотопия углерода ( пропорции изотопного отношения ) очень соответствовала тому, что обнаруживается сегодня, что позволяет предположить, что фундаментальные особенности углеродного цикла были установлены еще 4 миллиарда лет назад.
Постоянная перестройка континентов тектоникой плит влияет на долгосрочную эволюцию атмосферы, перенося углекислый газ в крупные континентальные карбонатные хранилища и из них. Свободный кислород не существовал в атмосфере до примерно 2,4 миллиарда лет назад, во время Великого события оксигенации , и его появление обозначено концом полосчатых железистых образований . До тех пор весь кислород, произведенный фотосинтезом, потреблялся окислением восстановленных материалов, в частности железа. Молекулы свободного кислорода не начинали накапливаться в атмосфере, пока скорость производства кислорода не начала превышать доступность восстановительных материалов. Этот момент был переходом от восстановительной атмосферы к окислительной . O 2 демонстрировал значительные колебания, пока не достиг устойчивого состояния более 15% к концу докембрия. [22] Следующим временным промежутком был фанерозойский эон, в течение которого начали появляться формы жизни, дышащие кислородом .
Количество кислорода в атмосфере колебалось в течение последних 600 миллионов лет, достигнув пика в 35% [23] в каменноугольный период, что значительно выше сегодняшних 21%. Два основных процесса управляют изменениями в атмосфере: растения используют углекислый газ из атмосферы , выделяя кислород, а распад пирита и вулканических извержений выделяют в атмосферу серу , которая окисляется и, следовательно, уменьшает количество кислорода в атмосфере. Однако вулканические извержения также выделяют углекислый газ, который растения могут преобразовывать в кислород. Точная причина изменения количества кислорода в атмосфере неизвестна. Периоды с большим количеством кислорода в атмосфере связаны с быстрым развитием животных. Сегодняшняя атмосфера содержит 21% кислорода, что достаточно много для быстрого развития животных. [24]
В 2020 году ученые опубликовали непрерывную, высокоточную запись изменений климата Земли за последние 66 миллионов лет и выделили четыре климатических состояния , разделенных переходами, которые включают изменение уровня парниковых газов и объемов полярных ледяных щитов. Они объединили данные из различных источников. Самое теплое климатическое состояние со времен вымирания динозавров, «Теплица», продолжалось с 56 до 47 миллионов лет и было примерно на 14 °C теплее средних современных температур. [25] [26]
Докембрий имел место между временем, когда Земля впервые образовалась 4,6 млрд лет назад , и 542 млн лет назад. Докембрий можно разделить на два эона, архей и протерозой, которые можно далее подразделить на эры. [27] Реконструкция докембрийского климата затруднена по разным причинам, включая малое количество надежных индикаторов и, как правило, не очень хорошо сохранившуюся или обширную ископаемую летопись (особенно по сравнению с фанерозойским эоном). [28] [29] Несмотря на эти проблемы, есть свидетельства ряда крупных климатических событий на протяжении всей истории докембрия: Великое событие оксигенации , которое началось около 2,3 млрд лет назад (начало протерозоя), обозначено биомаркерами , которые демонстрируют появление фотосинтезирующих организмов. Из-за высокого уровня кислорода в атмосфере из-за GOE, уровни CH4 быстро упали, что привело к охлаждению атмосферы, вызвав гуронское оледенение. В течение примерно 1 млрд лет после оледенения (2-0,8 млрд лет назад) Земля, вероятно, испытывала более высокие температуры, на что указывают микроископаемые фотосинтезирующие эукариоты, и уровни кислорода от 5 до 18% от текущего уровня кислорода на Земле. В конце протерозоя есть свидетельства глобальных оледенений различной степени тяжести, вызывающих « Землю-снежок ». [30] Земля-снежок подтверждается различными индикаторами, такими как ледниковые отложения, значительная континентальная эрозия, называемая Великим несогласием , и осадочные породы, называемые карбонатными покровами, которые образуются после эпизода дегляциации. [31]
Основными движущими силами доиндустриальных эпох были изменения Солнца, вулканический пепел и испарения, относительные движения Земли по направлению к Солнцу и тектонически вызванные эффекты, такие как основные морские течения, водоразделы и океанические колебания. В раннем фанерозое повышенные концентрации углекислого газа в атмосфере были связаны с приводом или усилением повышения глобальной температуры. [32] Ройер и др. 2004 [33] обнаружили чувствительность климата для остальной части фанерозоя, которая, как было рассчитано, была аналогична современному диапазону значений.
Разница в глобальных средних температурах между полностью ледниковой Землей и Землей без льда оценивается в 10 °C, хотя гораздо большие изменения будут наблюдаться в высоких широтах и меньшие в низких широтах. [ требуется ссылка ] Одним из требований для развития крупномасштабных ледяных щитов, по-видимому, является расположение континентальных массивов суши на полюсах или вблизи них. Постоянное перераспределение континентов тектоникой плит также может формировать долгосрочную эволюцию климата. Однако наличие или отсутствие массивов суши на полюсах недостаточно, чтобы гарантировать оледенение или исключить полярные ледяные шапки. Существуют доказательства прошлых теплых периодов в климате Земли, когда полярные массивы суши, подобные Антарктиде, были домом для лиственных лесов, а не ледяных щитов.
Относительно теплый локальный минимум между юрским и меловым периодами сопровождается усилением субдукции и вулканизма срединно-океанического хребта [34] из-за распада суперконтинента Пангея .
На долгосрочную эволюцию между жарким и холодным климатом наложилось множество краткосрочных колебаний климата, похожих на, а иногда и более суровых, на различные ледниковые и межледниковые состояния нынешнего ледникового периода . Некоторые из самых суровых колебаний, такие как палеоцен-эоценовый термический максимум , могут быть связаны с быстрыми изменениями климата из-за внезапных разрушений природных резервуаров метанового клатрата в океанах. [35]
Аналогичное, единичное событие вызванного сильного изменения климата после падения метеорита было предложено в качестве причины мел-палеогенового вымирания . Другими основными порогами являются пермско-триасовое и ордовикско-силурийское вымирание с различными предполагаемыми причинами.
Четвертичный геологический период включает современный климат. Цикл ледниковых периодов имел место в течение последних 2,2–2,1 млн лет (начиная с четвертичного периода в конце неогенового периода).
Обратите внимание на график справа на сильную 120 000-летнюю периодичность циклов и поразительную асимметрию кривых. Считается, что эта асимметрия является результатом сложных взаимодействий механизмов обратной связи. Было замечено, что ледниковые периоды углубляются прогрессивными шагами, но восстановление до межледниковых условий происходит одним большим шагом.
График слева показывает изменение температуры за последние 12 000 лет по данным из разных источников; толстая черная кривая — среднее значение.
Климатическое воздействие — это разница между лучистой энергией ( солнечным светом ), получаемой Землей, и исходящей длинноволновой радиацией обратно в космос. Такое радиационное воздействие количественно определяется на основе количества CO2 в тропопаузе в единицах ватт на квадратный метр поверхности Земли. [40] В зависимости от радиационного баланса входящей и исходящей энергии Земля либо нагревается, либо охлаждается. Радиационный баланс Земли возникает из-за изменений в солнечной инсоляции и концентрации парниковых газов и аэрозолей . Изменение климата может быть вызвано внутренними процессами в земной сфере и/или последующими внешними воздействиями. [41]
Одним из примеров того, как это может быть применено для изучения климатологии, является анализ того, как различные концентрации CO2 влияют на общий климат. Это делается с использованием различных прокси для оценки прошлых концентраций парниковых газов и сравнения их с текущими. Затем исследователи могут оценить их роль в прогрессировании изменения климата на протяжении всей истории Земли. [42]
Климатическая система Земли включает в себя атмосферу , биосферу , криосферу , гидросферу и литосферу , [43] и сумма этих процессов из сфер Земли влияет на климат. Парниковые газы действуют как внутреннее воздействие климатической системы. Особые интересы в климатологии и палеоклиматологии сосредоточены на изучении чувствительности климата Земли в ответ на сумму воздействий. Анализ суммы этих воздействий способствует способности ученых делать широкие окончательные оценки климатической системы Земли. Эти оценки включают доказательства для таких систем, как долгосрочная изменчивость климата (эксцентриситет, прецессия наклона), механизмы обратной связи (эффект льда-альбедо) и антропогенное влияние. [44]
Примеры:
В масштабах миллионов лет подъем горных хребтов и последующие процессы выветривания горных пород и почв, а также субдукция тектонических плит являются важной частью углеродного цикла . [47] [48] [49] Выветривание изолирует CO2 посредством реакции минералов с химическими веществами (особенно выветривание силикатов с CO2 ) и тем самым удаляет CO2 из атмосферы и снижает радиационное воздействие. Противоположным эффектом является вулканизм , ответственный за естественный парниковый эффект , выбрасывая CO2 в атмосферу, тем самым влияя на циклы оледенения (ледникового периода). Джим Хансен предположил, что люди выбрасывают CO2 в 10 000 раз быстрее, чем это делали естественные процессы в прошлом. [50]
Динамика ледникового покрова и положение континентов (и связанные с этим изменения растительности) были важными факторами в долгосрочной эволюции климата Земли. [51] Также существует тесная корреляция между CO 2 и температурой, где CO 2 имеет сильный контроль над глобальными температурами в истории Земли. [52]
Изменение климата может быть вызвано естественными внутренними процессами или внешними воздействиями, такими как модуляции солнечных циклов, извержения вулканов и постоянные антропогенные изменения в составе атмосферы или в землепользовании.
