Палеоклиматология ( британское написание , palaeoclimatology ) — научное исследование климата , предшествовавшее изобретению метеорологических инструментов , когда не было данных прямых измерений. [1] Поскольку инструментальные записи охватывают лишь небольшую часть истории Земли , реконструкция древнего климата важна для понимания естественных изменений и эволюции нынешнего климата.
Палеоклиматология использует различные прокси- методы наук о Земле и жизни для получения данных, ранее сохранившихся в горных породах , отложениях , скважинах , ледяных щитах , годичных кольцах , кораллах , ракушках и микроокаменелостях . В сочетании с методами датирования прокси-серверов палеоклиматические записи используются для определения прошлых состояний атмосферы Земли .
Научная область палеоклиматологии достигла зрелости в 20 веке. Известные периоды, изучаемые палеоклиматологами, включают частые оледенения , которым подвергалась Земля, явления быстрого охлаждения, такие как Младший 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 массовое вымирание и восстановление биотики, а также нынешнее глобальное потепление . [2] [3]
Представления об изменении климата, скорее всего, возникли 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, найденные в Дорсете , можно объяснить только некогда более теплым климатом, который, по его мнению, можно объяснить смещением оси Земли. [4] В то время окаменелости часто объясняли следствием библейского потопа. [5] Систематические наблюдения солнечных пятен, начатые астрономом-любителем Генрихом Швабе в начале 19 века, положили начало обсуждению влияния Солнца на климат Земли. [4]
Научное исследование палеоклиматологии начало формироваться в начале 19 века, когда открытия об оледенениях и естественных изменениях климата Земли в прошлом помогли понять парниковый эффект . Лишь в XX веке палеоклиматология стала единой научной областью. Раньше различные аспекты истории климата Земли изучались различными дисциплинами. [5] В конце 20-го века эмпирические исследования древнего климата Земли начали сочетаться с компьютерными моделями все большей сложности. В этот период также возникла новая цель: найти древние аналоги климата, 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 восстановить (это может быть температура , осадки или что-то еще) и как давно возник интересующий климат. Например, глубоководные морские летописи, источник большинства изотопных данных, существуют только на океанических плитах, которые в конечном итоге погружаются ; возраст самого старого оставшегося материала составляет 200 миллионов лет . Более старые отложения также более склонны к разрушению в результате диагенеза . Разрешение и достоверность данных со временем уменьшаются.
Горные ледники и полярные ледяные шапки / ледяные щиты предоставляют много данных в палеоклиматологии. Проекты по сбору кернов льда в ледяных шапках Гренландии и Антарктиды позволили получить данные за несколько сотен тысяч лет, а в случае проекта EPICA — за более чем 800 000 лет .
Многонациональный консорциум, Европейский проект по отбору кернов льда в Антарктиде (EPICA), пробурил ледяной керн в Куполе C на ледниковом щите Восточной Антарктики и извлек лед примерно 800 000 лет назад. [6] Международное сообщество ледяных кернов под эгидой Международного партнерства в области исследований ледяных кернов (IPICS) определило приоритетный проект по получению самой старой возможной записи ледяных кернов из Антарктиды, количество ледяных кернов достигает или приближается к 1,5 миллионам. много лет назад. [7]
Климатическую информацию можно получить, понимая изменения в росте деревьев. Как правило, деревья реагируют на изменения климатических переменных ускорением или замедлением роста, что, в свою очередь, обычно отражается в большей или меньшей толщине годичных колец. Однако разные виды по-разному реагируют на изменения климатических переменных. Запись годичных колец устанавливается путем сбора информации со многих живых деревьев на определенной территории.
Более старая неповрежденная древесина, избежавшая гниения, может продлить время записи, сопоставив изменения глубины кольца с современными образцами. Используя этот метод, в некоторых районах есть записи годичных колец, датируемые несколькими тысячами лет. Более старую древесину, не связанную с современными записями, обычно можно датировать с помощью радиоуглеродных методов. Запись годичных колец может использоваться для получения информации об осадках, температуре, гидрологии и пожарах, соответствующих определенной территории.
В более долгосрочном масштабе геологи должны обращаться за данными к осадочной летописи.
В более долгосрочном масштабе летопись горных пород может демонстрировать признаки повышения и падения уровня моря , а также могут быть идентифицированы такие особенности, как «окаменелые» песчаные дюны . Ученые могут получить представление о долгосрочном климате, изучая осадочные породы, возраст которых составляет миллиарды лет. Деление истории Земли на отдельные периоды во многом основано на видимых изменениях в слоях осадочных пород, которые определяют основные изменения условий. Часто они включают в себя серьезные изменения климата.
Коралловые «кольца» похожи на кольца деревьев, за исключением того, что они реагируют на разные факторы, такие как температура воды, приток пресной воды, изменения pH и воздействие волн. Отсюда определенное оборудование можно использовать для определения температуры поверхности моря и солености воды за последние несколько столетий. δ 18 O коралловых красных водорослей является полезным показателем совокупной температуры поверхности моря и солености поверхности моря в высоких широтах и тропиках, где многие традиционные методы ограничены . [8] [9]
В рамках климатической геоморфологии один из подходов заключается в изучении реликтовых форм рельефа , чтобы сделать вывод о древнем климате. [10] Из-за частого беспокойства по поводу климата прошлого, климатическая геоморфология иногда считается темой исторической геологии . [11] Климатическая геоморфология имеет ограниченное применение для изучения недавних ( четвертичных , голоценовых ) крупных изменений климата, поскольку они редко различимы в геоморфологических данных. [12]
В области геохронологии ученые работают над определением возраста определенных косвенных данных. Для недавних прокси-архивов годичных колец и кораллов можно подсчитать отдельные годовые кольца и определить точный год. Радиометрическое датирование использует свойства радиоактивных элементов в качестве заменителей. В более старом материале большая часть радиоактивного материала распадется, и пропорции различных элементов будут отличаться от более новых. Одним из примеров радиометрического датирования является радиоуглеродное датирование . В воздухе космические лучи постоянно преобразуют азот в специфический радиоактивный изотоп углерода 14 С. 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. [13]
Знания о точных климатических явлениях уменьшаются по мере того, как летопись возвращается в прошлое, но известны некоторые примечательные климатические явления:
Первая атмосфера состояла бы из газов солнечной туманности , в первую очередь из водорода . Кроме того, вероятно, существовали простые гидриды, подобные тем, которые сейчас обнаруживаются у газовых гигантов, таких как Юпитер и Сатурн , в частности, водяной пар, метан и аммиак . Когда солнечная туманность рассеялась, газы должны были уйти, частично унесенные солнечным ветром . [14]
Следующая атмосфера, состоящая в основном из азота , углекислого газа и инертных газов, образовалась в результате газовыделения в результате вулканизма , дополненного газами, образовавшимися во время поздней тяжелой бомбардировки Земли огромными астероидами . [14] Большая часть выбросов углекислого газа вскоре растворилась в воде и образовала карбонатные отложения.
Связанные с водой отложения были обнаружены еще 3,8 миллиарда лет назад. [15] Около 3,4 миллиарда лет назад азот составлял основную часть тогдашней стабильной «второй атмосферы». Влияние жизни должно быть принято во внимание довольно скоро в истории атмосферы, поскольку намеки на ранние формы жизни были датированы уже 3,5 миллиарда лет назад. [16] Тот факт, что это не совсем соответствует 30% снижению солнечной радиации (по сравнению с сегодняшним днем) раннего Солнца, был описан как «парадокс слабого молодого Солнца ».
Геологические данные, однако, показывают, что поверхность постоянно была относительно теплой во время всей ранней регистрации температуры Земли, за исключением одной холодной ледниковой фазы около 2,4 миллиарда лет назад. В конце архейского периода начала развиваться кислородосодержащая атмосфера, по-видимому, из-за фотосинтезирующих цианобактерий (см. «Великое событие оксигенации »), которые были обнаружены в виде окаменелостей строматолитов 2,7 миллиарда лет назад. Ранняя основная изотопия углерода ( пропорции соотношений изотопов ) во многом соответствовала тому, что наблюдается сегодня, что позволяет предположить, что фундаментальные особенности углеродного цикла были установлены еще 4 миллиарда лет назад.
Постоянное перераспределение континентов в результате тектоники плит влияет на долгосрочную эволюцию атмосферы путем переноса углекислого газа в крупные континентальные хранилища карбонатов и обратно. Свободный кислород не существовал в атмосфере примерно 2,4 миллиарда лет назад, во время Великого события оксигенации , и о его появлении свидетельствует конец полосатых железных образований . До этого весь кислород, вырабатываемый в результате фотосинтеза, потреблялся на окисление восстановленных материалов, особенно железа. Молекулы свободного кислорода не начали накапливаться в атмосфере до тех пор, пока скорость производства кислорода не стала превышать наличие восстановительных материалов. Это был переход от восстановительной атмосферы к окислительной . O 2 демонстрировал значительные изменения, пока к концу докембрия не достиг устойчивого состояния более 15%. [17] Следующим промежутком времени стал фанерозойский эон, в течение которого начали появляться дышащие кислородом многоклеточные формы жизни .
Количество кислорода в атмосфере колебалось на протяжении последних 600 миллионов лет, достигая пика в 35% [18] в каменноугольный период, что значительно выше, чем сегодняшние 21%. Два основных процесса управляют изменениями в атмосфере: растения используют углекислый газ из атмосферы , выделяя кислород, а распад пирита и извержения вулканов выделяют в атмосферу серу , которая окисляет и, следовательно, уменьшает количество кислорода в атмосфере. Однако извержения вулканов также выделяют углекислый газ, который растения могут превращать в кислород. Точная причина изменения количества кислорода в атмосфере неизвестна. Периоды с повышенным содержанием кислорода в атмосфере связаны с быстрым развитием животных. Сегодняшняя атмосфера содержит 21% кислорода, что достаточно для быстрого развития животных. [19]
В 2020 году ученые опубликовали непрерывные высокоточные записи изменений климата Земли за последние 66 миллионов лет и определили четыре климатических состояния , разделенных переходами, которые включают изменение уровней парниковых газов и объемов полярных ледяных щитов. Они объединили данные из различных источников. Самое теплое климатическое состояние со времени вымирания динозавров, «Теплица», длилось от 56 до 47 млн лет назад и было на ~ 14 ° C теплее, чем средние современные температуры. [20] [21]
Климат позднего докембрия показал некоторые крупные явления оледенения , распространившиеся на большую часть Земли. В это время континенты были объединены в суперконтинент Родиния . Были обнаружены массивные залежи тиллитов и аномальные изотопные характеристики , что положило начало гипотезе Земли-снежка . Когда протерозойский эон подошел к концу, Земля начала нагреваться. К началу кембрия и фанерозоя формы жизни были в изобилии в результате кембрийского взрыва со средней глобальной температурой около 22 ° C.
Основными движущими силами доиндустриальной эпохи были изменения Солнца, вулканический пепел и испарения, относительные движения Земли к Солнцу, а также тектонически вызванные эффекты, такие как основные морские течения, водоразделы и океанские колебания. В раннем фанерозое увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере было связано с повышением глобальной температуры или его усилением. [22] Ройер и др. В 2004 году [23] была обнаружена чувствительность климата для остальной части фанерозоя, которая, по расчетам, была аналогична сегодняшнему современному диапазону значений.
Разница в глобальных средних температурах между полностью ледниковой Землей и Землей, свободной ото льда, оценивается в 10 °C, хотя гораздо большие изменения будут наблюдаться в высоких широтах и меньшие — в низких широтах. [ нужна цитата ] Одним из требований для развития крупномасштабных ледниковых щитов, по-видимому, является расположение континентальных земель на полюсах или вблизи них. Постоянное перераспределение континентов в результате тектоники плит также может влиять на долгосрочную эволюцию климата. Однако наличие или отсутствие суши на полюсах недостаточно, чтобы гарантировать оледенения или исключить полярные ледяные шапки. Существуют свидетельства прошлых теплых периодов в климате Земли, когда полярные суши, подобные Антарктиде, были домом для лиственных лесов, а не ледниковых щитов.
Относительно теплый локальный минимум между юрским и меловым периодами сопровождается усилением субдукции и вулканизма срединно-океанических хребтов [24] из-за распада суперконтинента Пангея .
На долгосрочную эволюцию между жарким и холодным климатом наложилось множество краткосрочных колебаний климата, подобных, а иногда и более серьезных, чем изменяющиеся ледниковые и межледниковые состояния нынешнего ледникового периода . Некоторые из наиболее серьезных колебаний, такие как палеоцен-эоценовый термический максимум , могут быть связаны с быстрыми изменениями климата из-за внезапного обрушения естественных клатратных резервуаров метана в океанах. [25]
Аналогичное единичное событие, вызванное серьезным изменением климата после падения метеорита, было предложено в качестве причины мел-палеогенового вымирания . Другими важными порогами являются пермско-триасовое и ордовикско-силурийское вымирания, причины которых предполагаются по разным причинам.
Четвертичный геологический период включает современный климат. За последние 2,2–2,1 миллиона лет существовал цикл ледниковых периодов (начиная с четвертичного периода в позднем неогеновом периоде).
Обратите внимание на график справа на сильную 120 000-летнюю периодичность циклов и поразительную асимметрию кривых. Считается, что эта асимметрия является результатом сложного взаимодействия механизмов обратной связи. Было замечено, что ледниковые периоды углубляются постепенно, но восстановление межледниковых условий происходит в один большой шаг.
График слева показывает изменение температуры за последние 12 000 лет по различным источникам; толстая черная кривая — среднее значение.
Воздействие на климат — это разница между лучистой энергией ( солнечным светом ), получаемой Землей, и исходящей длинноволновой радиацией обратно в космос. Такое радиационное воздействие количественно определяется на основе количества CO 2 в тропопаузе в единицах ватт на квадратный метр на поверхности Земли. [30] В зависимости от радиационного баланса поступающей и исходящей энергии Земля либо нагревается, либо охлаждается. Радиационный баланс Земли возникает в результате изменения солнечной инсоляции и концентрации парниковых газов и аэрозолей . Изменение климата может быть вызвано внутренними процессами в земной сфере и/или следствием внешних воздействий. [31]
Климатическая система Земли включает атмосферу , биосферу , криосферу , гидросферу и литосферу [32] , и сумма этих процессов в сферах Земли - это то, что влияет на климат. Парниковые газы действуют как внутреннее воздействие климатической системы. Особый интерес в области климатологии и палеоклиматологии сосредоточен на изучении чувствительности климата Земли в ответ на сумму воздействий.
Примеры:
В масштабах миллионов лет поднятие горных хребтов и последующие процессы выветривания горных пород и почв, а также субдукция тектонических плит являются важной частью углеродного цикла . [34] [35] [36] Выветривание связывает CO 2 за счет реакции минералов с химическими веществами (особенно силикатное выветривание с CO 2 ) и тем самым удаляет CO 2 из атмосферы и снижает радиационное воздействие. Противоположным эффектом является вулканизм , ответственный за естественный парниковый эффект , путем выброса CO 2 в атмосферу, влияя таким образом на циклы оледенения (ледникового периода). Джим Хансен предположил, что люди выделяют CO 2 в 10 000 раз быстрее, чем естественные процессы в прошлом. [37]
Динамика ледникового покрова и положение континентов (и связанные с ними изменения растительности) были важными факторами долгосрочной эволюции климата Земли. [38] Существует также тесная корреляция между CO 2 и температурой, где CO 2 имеет сильный контроль над глобальными температурами в истории Земли. [39]
Изменение климата может быть вызвано естественными внутренними процессами или внешними воздействиями, такими как модуляция солнечных циклов, извержения вулканов и стойкие антропогенные изменения в составе атмосферы или землепользовании.
