Дендроклиматология — это наука об определении прошлого климата по деревьям (в первую очередь свойствам годичных колец деревьев ). Годичные кольца деревьев шире, когда условия благоприятствуют росту, и уже, когда времена трудные. 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.
Годичные кольца деревьев особенно полезны в качестве климатических прокси , поскольку их можно хорошо датировать с помощью дендрохронологии , т. е. сопоставления колец от образца к образцу. Это позволяет расширять прошлое, используя образцы погибших деревьев, даже используя образцы из зданий или из археологических раскопок. Еще одним преимуществом годичных колец является то, что они четко разграничены в годовых приращениях, в отличие от других методов-прокси, таких как бурение скважин . Кроме того, годичные кольца деревьев реагируют на множественные климатические эффекты (температуру, влажность, облачность), так что можно изучать различные аспекты климата (не только температуру). Однако это может быть палкой о двух концах.
Наряду с преимуществами дендроклиматологии существуют некоторые ограничения: факторы , затрудняющие обработку данных, географический охват, кольцевое разрешение и трудности сбора данных. В этой области были разработаны различные методы для частичной корректировки этих проблем. [ необходима цитата ]
Существует множество климатических и неклиматических факторов, а также нелинейных эффектов, которые влияют на ширину годичных колец. Методы изоляции отдельных факторов (представляющих интерес) включают ботанические исследования для калибровки влияния роста и выборку «ограниченных насаждений» (тех, которые, как ожидается, в основном будут реагировать на переменную, представляющую интерес).
Климатические факторы, влияющие на деревья, включают температуру, осадки, солнечный свет и ветер. Чтобы различать эти факторы, ученые собирают информацию из «ограничительных насаждений». Примером ограничивающего насаждения является верхняя граница леса: здесь деревья, как ожидается, будут больше подвержены изменению температуры (которая «ограничена»), чем изменению осадков (которых в избытке). И наоборот, более низкие границы леса, как ожидается, будут больше подвержены изменению осадков, чем изменению температуры. Это не идеальный обходной путь, поскольку на деревья по-прежнему влияют многочисленные факторы даже в «ограничительном насаждении», но он помогает. Теоретически сбор образцов из близлежащих ограничивающих насаждений разных типов (например, верхняя и нижняя границы леса на одной горе) должен позволить математически решить для нескольких климатических факторов [ требуется ссылка ] .
Неклиматические факторы включают почву, возраст деревьев, пожар, конкуренцию между деревьями, генетические различия, лесозаготовки или другие нарушения человеком, воздействие травоядных (особенно выпас овец), вспышки вредителей, болезни и концентрацию CO 2. Для факторов, которые изменяются случайным образом в пространстве (от дерева к дереву или от насаждения к насаждению), лучшим решением является сбор достаточного количества данных (больше образцов) для компенсации мешающего шума. Возраст деревьев корректируется с помощью различных статистических методов: либо подгонка кривых сплайна к общей записи о деревьях, либо использование деревьев похожего возраста для сравнения за разные периоды (региональная стандартизация кривой). Тщательное обследование и выбор места помогают ограничить некоторые мешающие эффекты, например, выбор участков, нетронутых современным человеком. [ необходима цитата ]
В целом климатологи предполагают линейную зависимость ширины кольца от интересующей переменной (например, влажности). Однако, если переменная достаточно сильно изменится, реакция может выровняться или даже стать противоположной. Домашний садовод знает, что можно поливать комнатное растение как под водой, так и под водой. Кроме того, возможно, что могут возникнуть эффекты взаимодействия (например, «температура, умноженная на осадки», может влиять на рост, а также на температуру и осадки сами по себе. Кроме того, «ограничительный насаждение» помогает в некоторой степени изолировать интересующую переменную. Например, на верхней границе деревьев, где дерево «ограничено холодом», маловероятно, что нелинейные эффекты высокой температуры («перевернутый квадрат») будут иметь численно значимое влияние на ширину кольца в течение вегетационного периода. [ необходима цитата ]
Ботанические исследования могут помочь оценить влияние сопутствующих переменных и в некоторых случаях направлять поправки на них. Эти эксперименты могут быть либо такими, где все переменные роста контролируются (например, в теплице [ нужна ссылка ] ), либо частично контролируются (например, эксперименты FACE [Free Airborne Concentration Enhancement] — добавить ссылку), либо где условия в природе контролируются. В любом случае важно, чтобы несколько факторов роста были тщательно зарегистрированы, чтобы определить, что влияет на рост. (Вставьте ссылку на статью Fennoscandanavia [ нужна ссылка ] ). С этой информацией можно точнее понять реакцию ширины кольца, а выводы из исторических (неконтролируемых) колец деревьев становятся более определенными. По идее, это похоже на принцип предельного насаждения, но он более количественный — как калибровка.
Проблема расхождения заключается в несоответствии между температурами, измеренными термометрами ( инструментальными температурами), с одной стороны, и температурами, реконструированными по плотности поздней древесины или ширине годичных колец, с другой стороны, на многих участках границы леса в северных лесах . [ необходима ссылка ]
В то время как визуализация и анализ данных из записей термометров в значительной степени указывают на существенную тенденцию к потеплению, годичные кольца из этих конкретных мест не показывают соответствующего изменения в их максимальной плотности поздней древесины или, в некоторых случаях, в их ширине. Это не относится ко всем таким исследованиям. [2] Там, где это применимо, температурный тренд, извлеченный только из годичных колец, не покажет никакого существенного потепления. Графики температуры, рассчитанные по инструментальным температурам и по этим косвенным показателям годичных колец, таким образом, «расходятся» друг от друга с 1950-х годов, откуда и происходит этот термин. Это расхождение поднимает очевидные вопросы о том, происходили ли другие, нераспознанные расхождения в прошлом, до эры термометров. [3] Существуют доказательства, указывающие на то, что расхождение вызвано деятельностью человека и, таким образом, ограничено недавним прошлым, но использование затронутых косвенных показателей может привести к переоценке прошлых температур, занижая текущую тенденцию к потеплению. Продолжаются исследования объяснений и способов примирения этого расхождения между анализом данных годичных колец и данными, основанными на термометрах. [2]
Деревья не покрывают Землю. Полярный и морской климат невозможно оценить по годичным кольцам. В пергумидных тропических регионах, Австралии и Южной Африке , деревья обычно растут круглый год и не показывают четких годичных колец. В некоторых лесных районах рост деревьев слишком сильно зависит от множества факторов (нет «предельного насаждения»), чтобы позволить четкую реконструкцию климата [ необходим пример ] . Трудность покрытия решается путем признания ее и использования других прокси (например, ледяных кернов, кораллов) в сложных областях. В некоторых случаях можно показать, что интересующий параметр (температура, осадки и т. д.) изменяется одинаково от области к области, например, путем изучения закономерностей в инструментальных записях. Тогда оправдано распространение выводов дендроклиматологии на области, где нет подходящих образцов годичных колец деревьев. [ необходима цитата ]
Годичные кольца деревьев показывают влияние на рост в течение всего сезона роста. Изменения климата глубоко в период покоя (зима) не будут зарегистрированы. Кроме того, разные периоды сезона роста могут быть важнее других (например, май против сентября) для ширины кольца. Однако в целом ширина кольца используется для вывода общего изменения климата в течение соответствующего года (приблизительно). Другая проблема — «память» или автокорреляция . Дереву, находящемуся под стрессом, может потребоваться год или два, чтобы восстановиться после тяжелого сезона. Эту проблему можно решить с помощью более сложного моделирования (термин «запаздывания» в регрессии) или путем снижения оценок навыков хронологий.
Годичные кольца деревьев должны быть получены из природы, часто из отдаленных регионов. Это означает, что для правильного картирования участков необходимы особые усилия. Кроме того, образцы должны быть собраны в сложных (часто на наклонной местности) условиях. Как правило, годичные кольца деревьев собираются с помощью ручного бура, что требует навыков для получения хорошего образца. Лучшие образцы получаются при рубке дерева и его разделении. Однако это сопряжено с большей опасностью и наносит ущерб лесу. Это может быть запрещено в некоторых районах, особенно с самыми старыми деревьями на нетронутых участках (которые наиболее интересны с научной точки зрения). Как и все экспериментаторы, дендроклиматологи должны иногда решать извлечь максимум пользы из несовершенных данных, а не делать повторный отбор проб. Этот компромисс усложняется, поскольку сбор образцов (в полевых условиях) и анализ (в лаборатории) могут быть значительно разделены во времени и пространстве. Эти проблемы сбора означают, что сбор данных не так прост или дешев, как традиционная лабораторная наука.
Первоначальная работа была сосредоточена на измерении ширины годичного кольца дерева — это просто измерить и можно связать с климатическими параметрами. Но ежегодный прирост дерева оставляет другие следы. В частности, максимальная плотность поздней древесины (MXD) — это еще один показатель, используемый для оценки экологических переменных. [4] Однако его сложнее измерить. Другие свойства (например, изотопный или химический анализ следов) также были опробованы, в частности, Л. М. Либби в ее статье 1974 года «Температурная зависимость соотношений изотопов в годичных кольцах». [5] Теоретически, многократные измерения на одном и том же кольце позволят дифференцировать сопутствующие факторы (например, осадки и температуру). Однако большинство исследований по-прежнему основаны на ширине колец в предельных насаждениях.
Измерение концентрации радиоуглерода в годичных кольцах деревьев оказалось полезным для воссоздания прошлой активности солнечных пятен , и теперь данные охватывают период более 11 000 лет. [6]
