В исследовании прошлых климатов (« палеоклиматология ») климатические косвенные данные представляют собой сохранившиеся физические характеристики прошлого, которые заменяют прямые метеорологические измерения [1] и позволяют ученым реконструировать климатические условия на протяжении более длительного периода истории Земли. Надежные глобальные записи климата начались только в 1880-х годах, и косвенные данные предоставляют ученым единственное средство для определения климатических закономерностей до начала ведения записей.
Большое количество климатических косвенных показателей было изучено из различных геологических контекстов. Примерами косвенных показателей являются измерения стабильных изотопов из ледяных кернов , темпы роста в годичных кольцах деревьев , видовой состав субфоссильной пыльцы в озерных отложениях или фораминифер в океанических отложениях, температурные профили скважин , а также стабильные изотопы и минералогия кораллов и карбонатных образований . В каждом случае косвенный показатель находился под влиянием определенного сезонного климатического параметра (например, летней температуры или интенсивности муссона) в то время, когда они были заложены или выросли. Интерпретация климатических косвенных показателей требует ряда дополнительных исследований, включая калибровку чувствительности косвенных показателей к климату и перекрестную проверку среди косвенных показателей. [2]
Прокси-данные можно комбинировать для создания температурных реконструкций, которые длиннее инструментальных температурных записей , и могут информировать обсуждения глобального потепления и истории климата. Географическое распределение прокси-записей, как и инструментальных записей, совсем не однородно, с большим количеством записей в северном полушарии. [3]
В науке иногда необходимо изучать переменную, которую нельзя измерить напрямую. Это можно сделать с помощью «прокси-методов», в которых измеряется переменная, коррелирующая с интересующей переменной, а затем используется для вывода значения интересующей переменной. Прокси-методы особенно полезны при изучении прошлого климата, за пределами времен, когда доступны прямые измерения температур.
Большинство записей прокси должны быть откалиброваны по независимым измерениям температуры или по более напрямую откалиброванному прокси в течение их периода перекрытия, чтобы оценить связь между температурой и прокси. Более длительная история прокси затем используется для реконструкции температуры из более ранних периодов.
Ледяные керны представляют собой цилиндрические образцы из ледяных щитов в Гренландии , Антарктике и Северной Америке . [4] [5] Первые попытки извлечения были предприняты в 1956 году в рамках Международного геофизического года . В качестве первоначального средства извлечения Лаборатория исследований и инжиниринга холодных регионов армии США использовала модифицированный электродрель длиной 80 футов (24 м) в 1968 году в Кэмп-Сенчури , Гренландия , и на станции Берд , Антарктида . Их оборудование могло пробурить 15–20 футов (4,6–6,1 м) льда за 40–50 минут. Образцы керна были 4+1 ⁄ 4 дюйма (110 мм) в диаметре и от 10 до 20 футов (6,1 м) в длину. Более глубокие образцы длиной от 15 до 20 футов (6,1 м) не были редкостью. Каждая последующая буровая бригада совершенствует свой метод с каждой новой попыткой. [6]
Соотношение между изотопологами молекул воды 16 O и 18 O в ледяном керне помогает определить прошлые температуры и накопления снега . [4] Более тяжелый изотоп ( 18 O) легче конденсируется при понижении температуры и легче выпадает в виде осадков , в то время как более легкий изотоп ( 16 O) нуждается в более холодных условиях для осаждения. Чем дальше на север нужно идти, чтобы найти повышенные уровни изотополога 18 O, тем теплее период. [ необходимо дополнительное объяснение ] [7]
Помимо изотопов кислорода, вода содержит изотопы водорода – 1 H и 2 H, обычно называемые H и D (для дейтерия ), – которые также используются для температурных прокси. Обычно ледяные керны из Гренландии анализируются на δ 18 O, а керны из Антарктиды – на δ-дейтерий. [ почему? ] Те керны, которые анализируются на оба, показывают отсутствие согласия. [ необходима цитата ] (На рисунке δ 18 O относится к захваченному воздуху, а не ко льду. δD относится к льду.)
Пузырьки воздуха во льду, содержащие захваченные парниковые газы, такие как углекислый газ и метан , также помогают определить прошлые изменения климата. [4]
С 1989 по 1992 год в рамках Европейского проекта по бурению ледяных кернов в Гренландии проводилось бурение в центральной Гренландии в точке с координатами 72° 35' с.ш., 37° 38' з.д. Возраст льдов в этом керне составлял 3840 лет на глубине 770 м, 40 000 лет на глубине 2521 м и 200 000 лет или более на глубине 3029 м в коренной породе . [8] Ледяные керны в Антарктиде могут раскрыть климатические данные за последние 650 000 лет. [4]
Карты местоположений и полный список мест бурения ледяных кернов в США можно найти на веб-сайте Национальной лаборатории ледяных кернов . [5]
Дендроклиматология — это наука об определении прошлого климата по деревьям, в первую очередь по свойствам годичных колец деревьев . Годичные кольца деревьев шире, когда условия благоприятствуют росту, и уже, когда времена трудные. Двумя основными факторами являются температура и влажность/доступность воды. Было показано, что другие свойства годичных колец, такие как максимальная плотность поздней древесины (MXD), являются лучшими косвенными показателями, чем простая ширина кольца. Используя годичные кольца деревьев, ученые оценили многие местные климаты за сотни и тысячи лет до этого. Объединив несколько исследований годичных колец деревьев (иногда с другими записями косвенных показателей климата), ученые оценили прошлые региональные и глобальные климаты (см. Температурные показатели за последние 1000 лет ).
Палеоклиматологи часто используют листовые зубы для реконструкции среднегодовой температуры в климате прошлого, и они используют размер листа в качестве показателя среднегодового количества осадков. [9] В случае реконструкций среднегодовых осадков некоторые исследователи полагают, что тафономические процессы приводят к тому, что в летописи окаменелостей более мелкие листья представлены в избытке, что может искажать реконструкции. [10] Однако недавние исследования показывают, что летопись окаменелостей листьев может быть не столь значительно смещена в сторону мелких листьев. [ 11] Новые подходы извлекают данные, такие как содержание CO2 в атмосфере прошлого, из устьиц ископаемых листьев и изотопного состава, измеряя клеточные концентрации CO2 . Исследование 2014 года смогло использовать соотношения изотопов углерода-13 для оценки количества CO2 за последние 400 миллионов лет, результаты указывают на более высокую чувствительность климата к концентрациям CO2 . [ 12]
Температуры скважин используются в качестве температурных прокси. Поскольку теплопередача через землю медленная, измерения температуры на разных глубинах скважины, скорректированные с учетом эффекта восходящего тепла изнутри Земли, могут быть « инвертированы » (математическая формула для решения матричных уравнений) для получения неуникальной серии значений температуры поверхности. Решение «неуникально», поскольку существует несколько возможных реконструкций температуры поверхности, которые могут дать тот же профиль температуры скважины. Кроме того, из-за физических ограничений реконструкции неизбежно «размываются» и становятся еще более размытыми дальше во времени. При реконструкции температур около 1500 г. н. э. скважины имеют временное разрешение в несколько столетий. В начале 20-го века их разрешение составляет несколько десятилетий; следовательно, они не обеспечивают полезной проверки инструментальной записи температуры . [13] [14] Однако они в целом сопоставимы. [3] Эти подтверждения дали палеоклиматологам уверенность в том, что они могут измерить температуру 500 лет назад. Это подтверждается шкалой глубины около 492 футов (150 метров) для измерения температур 100-летней давности и 1640 футов (500 метров) для измерения температур 1000-летней давности. [15]
Скважины имеют большое преимущество перед многими другими прокси-данными, поскольку не требуют калибровки: они являются фактическими температурами. Однако они регистрируют температуру поверхности, а не температуру вблизи поверхности (1,5 метра), используемую для большинства «поверхностных» погодных наблюдений. Они могут существенно отличаться в экстремальных условиях или при наличии поверхностного снега. На практике считается, что влияние на температуру скважины в целом невелико. Вторым источником ошибок является загрязнение скважины грунтовыми водами, которое может повлиять на температуру, поскольку вода «переносит» с собой более современные температуры. Считается, что этот эффект в целом невелик и более применим на очень влажных участках. [13] Он не применяется в ледяных кернах, где участок остается замороженным в течение всего года.
Более 600 скважин на всех континентах использовались в качестве прокси для реконструкции температур поверхности. [14] Самая высокая концентрация скважин существует в Северной Америке и Европе . Глубина их бурения обычно составляет от 200 до более 1000 метров в земной коре или ледяном щите. [15]
Небольшое количество скважин было пробурено в ледяных щитах; чистота льда там позволяет проводить более длительные реконструкции. Температуры скважин в Центральной Гренландии показывают «потепление за последние 150 лет примерно на 1°C ± 0,2°C, которому предшествовало несколько столетий прохладных условий. Этому предшествовал теплый период, центрированный около 1000 г. н. э., который был теплее, чем в конце 20-го века примерно на 1°C». Скважина в ледяной шапке Антарктиды показывает, что «температура в 1 г. н. э. [была] примерно на 1°C теплее, чем в конце 20-го века». [16]
Температуры скважин в Гренландии стали причиной важного пересмотра реконструкции изотопной температуры, показав, что прежнее предположение о том, что «пространственный наклон равен временному наклону», было неверным.
Кольца скелета океанических кораллов , или полосы, также разделяют палеоклиматологическую информацию, подобно кольцам деревьев. В 2002 году был опубликован отчет о результатах исследований докторов Лизы Грир и Питера Сварта, сотрудников Университета Майами в то время, в отношении стабильных изотопов кислорода в карбонате кальция кораллов. Более низкие температуры, как правило, заставляют кораллы использовать более тяжелые изотопы в своей структуре, в то время как более высокие температуры приводят к тому, что в структуру кораллов встраивается больше нормальных изотопов кислорода . Более плотная соленость воды также имеет тенденцию содержать более тяжелый изотоп. Образец кораллов Грир из Атлантического океана был взят в 1994 году и датирован 1935 годом. Грир вспоминает свои выводы: «Когда мы смотрим на усредненные годовые данные с 1935 по 1994 год, мы видим, что они имеют форму синусоиды . Они периодические и имеют значительную закономерность состава изотопов кислорода , которая достигает пика примерно каждые двенадцать-пятнадцать лет». Температура поверхностных вод совпала, достигая пика каждые двенадцать с половиной лет. Однако, поскольку регистрация этой температуры практикуется только последние пятьдесят лет, корреляцию между зарегистрированной температурой воды и структурой кораллов можно провести только до определенного момента времени. [17]
Пыльцу можно найти в отложениях. Растения производят пыльцу в больших количествах, и она чрезвычайно устойчива к гниению. Можно определить вид растения по его пыльцевому зерну. Определенное растительное сообщество области в относительное время из этого слоя отложений предоставит информацию о климатических условиях. Обилие пыльцы данного вегетационного периода или года частично зависит от погодных условий предыдущих месяцев, поэтому плотность пыльцы дает информацию о краткосрочных климатических условиях. [18] Изучение доисторической пыльцы — это палинология .
Динофлагелляты встречаются в большинстве водных сред, и в течение своего жизненного цикла некоторые виды производят высокоустойчивые цисты с органическими стенками для периода покоя, когда условия окружающей среды не подходят для роста. Их глубина обитания относительно невелика (зависит от проникновения света) и тесно связана с диатомовыми водорослями, которыми они питаются. Их закономерности распределения в поверхностных водах тесно связаны с физическими характеристиками водоемов, а прибрежные сообщества также можно отличить от океанических сообществ. Распределение диноцист в отложениях было относительно хорошо задокументировано и способствовало пониманию средних условий морской поверхности, которые определяют закономерности распределения и обилие таксонов ( [19] ). Несколько исследований, включая [20] и [21] , собрали коробчатые и гравитационные керны в северной части Тихого океана, проанализировав их на предмет палинологического содержания, чтобы определить распределение диноцист и их связь с температурой поверхности моря, соленостью, продуктивностью и апвеллингом. Аналогичным образом [22] и [23] используют керн, взятый в 1992 году на глубине 576,5 м в центральной части бассейна Санта-Барбара, для определения океанографических и климатических изменений в этом районе за последние 40 тысяч лет.
Подобно их исследованию других косвенных показателей, палеоклиматологи изучают изотопы кислорода в содержании океанических осадков . Аналогично они измеряют слои варвы (отложенный мелкий и крупный ил или глина) [24], прослаивающие озерные отложения. На озерные варвы в первую очередь влияют:
Диатомовые водоросли , фораминиферы , радиолярии , остракоды и кокколитофориды являются примерами биотических косвенных показателей условий озер и океанов, которые обычно используются для реконструкции прошлых климатов. Распределение видов этих и других водных существ, сохранившихся в отложениях, является полезными косвенными показателями. Оптимальные условия для видов, сохранившихся в отложениях, служат подсказками. Исследователи используют эти подсказки, чтобы выяснить, какими были климат и окружающая среда, когда существа умерли. [26] Соотношения изотопов кислорода в их раковинах также могут использоваться в качестве косвенных показателей температуры. [27]
Океанская вода в основном состоит из H 2 16 O с небольшими количествами HD 16 O и H 2 18 O, где D обозначает дейтерий , т. е. водород с дополнительным нейтроном. В Венском стандарте средней океанической воды (VSMOW) отношение D к H составляет 155,76x10 −6 , а O-18 к O-16 составляет 2005,2x10 −6 . Фракционирование изотопов происходит во время изменений между конденсированной и паровой фазами: давление пара более тяжелых изотопов ниже, поэтому пар содержит относительно больше более легких изотопов, а когда пар конденсируется, осадки преимущественно содержат более тяжелые изотопы. Разница с VSMOW выражается как δ 18 O = 1000‰ ; и похожая формула для δD. Значения δ для осадков всегда отрицательные. [28] Основное влияние на δ оказывает разница между температурой океана, где влага испаряется, и местом, где выпадают окончательные осадки; поскольку температура океана относительно стабильна, значение δ в основном отражает температуру, где выпадают осадки. Принимая во внимание, что осадки образуются над слоем инверсии , мы получаем линейную зависимость:
δ 18 O = аТ + б
Это эмпирически калибруется из измерений температуры и δ как a = 0,67 ‰ /°C для Гренландии и 0,76 ‰ /°C для Восточной Антарктиды . Калибровка изначально проводилась на основе пространственных изменений температуры, и предполагалось, что это соответствует временным изменениям. [29] Совсем недавно термометрия скважин показала, что для ледниково-межледниковых изменений a = 0,33 ‰ /°C, [30] подразумевая, что ледниково-межледниковые изменения температуры были в два раза больше, чем считалось ранее.
Исследование, опубликованное в 2017 году, поставило под сомнение предыдущую методологию реконструкции палеотемператур океана 100 миллионов лет назад, предположив, что в то время она была относительно стабильной и намного холоднее. [31]
Новый климатический прокси, полученный из торфа ( лигниты , древний торф) и почв, мембранные липиды, известные как глицериндиалкилглицеринтетраэфир (ГДГТ), помогают изучать палеоэкологические факторы, которые контролируют относительное распределение по-разному разветвленных изомеров ГДГТ . Авторы исследования отмечают: «Эти разветвленные мембранные липиды производятся пока неизвестной группой анаэробных почвенных бактерий». [32] По состоянию на 2018 год [обновлять]существует десятилетие исследований, демонстрирующих, что в минеральных почвах степень метилирования бактерий (brGDGTs) помогает рассчитывать среднегодовые температуры воздуха. Этот метод прокси использовался для изучения климата раннего палеогена , на границе мелового и палеогенового периодов, и исследователи обнаружили, что годовые температуры воздуха над сушей и в средних широтах составляли в среднем около 23–29 °C (± 4,7 °C), что на 5–10 °C выше большинства предыдущих результатов. [33] [34]
Мастерство алгоритмов, используемых для объединения записей прокси в общую реконструкцию температуры полушария, может быть проверено с помощью техники, известной как « псевдопрокси ». В этом методе выходные данные климатической модели отбираются в местах, соответствующих известной сети прокси, и полученная запись температуры сравнивается с (известной) общей температурой модели. [35]
{{cite book}}
: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ){{cite book}}
: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )