Палеотермометр — это методология, которая обеспечивает оценку температуры окружающей среды во время формирования природного материала. Большинство палеотермометров основаны на эмпирически откалиброванных прокси-соотношениях, таких как методы годичных колец или TEX 86. Изотопные методы, такие как метод δ 18 O или метод слипшихся изотопов , способны обеспечить, по крайней мере в теории, прямые измерения температуры.
Изотопное отношение 18 O к 16 O, обычно в фораминных тестах или ледяных кернах. Высокие значения означают низкие температуры. Осложняется объемом льда - больше льда означает более высокую δ 18 Oценности.
Океанская вода в основном состоит из H 2 16 O с небольшими количествами HD 16 O и H 2 18 O. В стандартной средней океанической воде (SMOW) отношение D к H равно155,8 × 10 −6 и 18 O/ 16 O составляет2005 × 10 −6 . Фракционирование 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, осадок преимущественно содержит более тяжелые изотопы. Отличие от SMOW выражается как
и аналогичная формула для δD . δ 18 OЗначения осадков всегда отрицательны. Основное влияние на δ 18 Oпредставляет собой разницу между температурой океана, где влага испарилась, и местом, где произошло окончательное выпадение осадков; поскольку температура океана относительно стабильна, δ 18 OЗначение в основном отражает температуру, где происходит выпадение осадков. Учитывая, что осадки образуются над слоем инверсии , у нас остается линейная зависимость:
который эмпирически калибруется по измерениям температуры и δ 18 Oкак =0,67‰/°C для Гренландии и0,76‰/°C для Восточной Антарктиды . Первоначально калибровка проводилась на основе пространственных изменений температуры, и предполагалось, что это соответствует временным изменениям (Jouzel and Merlivat, 1984). Совсем недавно термометрия скважин показала, что для ледниково-межледниковых изменений a =0,33‰/°C (Cuffey et al., 1995), что означает, что изменения температуры в ледниково-межледниковый период были вдвое больше, чем считалось ранее.
Магний (Mg) включен в кальцитовые раковины (панцири) планктонных и бентосных фораминифер как микроэлемент. [1] Поскольку включение Mg в качестве примеси в кальцит является эндотермическим, большее его количество включается в растущий кристалл при более высоких температурах. [2] Таким образом, высокое отношение Mg/Ca подразумевает высокую температуру, хотя экологические факторы могут искажать сигнал. Mg имеет длительное время пребывания в океане, и поэтому можно в значительной степени игнорировать влияние изменений в морской воде Mg/Ca на сигнал. [3] Отношения Mg/Ca иногда могут недооценивать температуру морской воды из-за растворения раковин фораминифер, что снижает значения Mg/Ca. [4]
Стронций (Sr) входит в состав кораллового арагонита, [5] [6], и хорошо известно, что точное соотношение Sr/Ca в скелете коралла показывает обратную корреляцию с температурой морской воды во время ее биоминерализации. [7] [8]
Распределение органических молекул в морских отложениях отражает температуру.
Характерные размеры листьев, формы и распространенность таких особенностей, как кончики капель («листовая или лиственная физиогномия»), различаются между тропическими лесами (многие виды с крупными листьями с гладкими краями и кончиками капель) и умеренными лиственными лесами (меньшие классы размеров листьев обычны, зубчатые края обычны), и часто непрерывно изменяются между участками вдоль климатических градиентов, например, от жаркого к холодному климату или от высокого к низкому количеству осадков. [9] Эти различия между участками вдоль экологических градиентов отражают адаптивные компромиссы, предпринимаемые присутствующими видами для баланса потребности в захвате световой энергии, управлении притоком и потерей тепла, при этом максимизируя эффективность газообмена, транспирации и фотосинтеза . Количественный анализ современной растительной листовой физиогномии и климатических реакций вдоль экологических градиентов был в значительной степени одномерным , но многомерные подходы интегрируют множественные характеристики листьев и климатические параметры. Температура была оценена (с разной степенью точности) с использованием физиогномики листьев для позднемеловой и кайнозойской листовой флоры, в основном с использованием двух основных подходов: [10]
Одномерный подход , основанный на наблюдении, что доля древесных двудольных видов с гладкими (т.е. не зубчатыми) краями листьев (0 ≤ P margin ≤ 1) в растительности изменяется пропорционально среднегодовой температуре (MAT [11] ). [12] Требует разделения ископаемой флоры на морфотипы (т.е. «виды»), но не требует их идентификации. Исходное уравнение регрессии LMA было выведено для лесов Восточной Азии, [13] и выглядит следующим образом:
Погрешность оценки LMA выражается как биномиальная ошибка выборки: [14]
где c — наклон уравнения регрессии LMA, P margin , как использовано в ( 1 ), а r — количество видов, оцененных по типу края листа для индивидуальной ископаемой листовой флоры. Калибровки LMA были получены для основных регионов мира, включая Северную Америку, [15] Европу, [16] Южную Америку, [17] и Австралию. [18] Прибрежные и водно-болотные среды имеют немного другое уравнение регрессии, поскольку в них пропорционально меньше растений с гладкими краями. Это [19]
CLAMP — это многомерный подход, в значительной степени основанный на наборе данных, в первую очередь, о растительности западного полушария, [20] впоследствии дополненный наборами данных из дополнительной мировой региональной растительности. [21] [22] Канонический корреляционный анализ используется для объединения 31 признака листа, но тип края листа представляет собой значительный компонент взаимосвязи между физиогномическими состояниями и температурой. Используя CLAMP, MAT оценивается с небольшими стандартными ошибками (например, CCA ± 0,7–1,0 °C). Дополнительные температурные параметры могут быть оценены с помощью CLAMP, такие как средняя температура самого холодного месяца (CMMT) и средняя температура самого теплого месяца (WMMT), которые дают оценки для средних условий зимы и лета соответственно.
Некоторые растения предпочитают определенные температуры; если обнаружена их пыльца, можно определить приблизительную температуру.
Существует небольшая термодинамическая тенденция для тяжелых изотопов образовывать связи друг с другом, сверх того, что можно было бы ожидать от стохастического или случайного распределения той же концентрации изотопов. Избыток наибольший при низкой температуре (см. уравнение Вант-Гоффа ), при этом изотопное распределение становится более рандомизированным при более высокой температуре. Наряду с тесно связанным явлением равновесного фракционирования изотопов , этот эффект возникает из-за различий в энергии нулевой точки среди изотопологов . Карбонатные минералы, такие как кальцит, содержат группы CO 3 2− , которые могут быть преобразованы в газ CO 2 в результате реакции с концентрированной фосфорной кислотой. Газ CO 2 анализируется с помощью масс-спектрометра для определения содержания изотопологов. Параметр Δ 47 представляет собой измеренную разницу в концентрации между изотопологами с массой 47 u (по сравнению с 44) в образце и гипотетическом образце с тем же основным изотопным составом, но стохастическим распределением тяжелых изотопов. Лабораторные эксперименты, квантово-механические расчеты и природные образцы (с известными температурами кристаллизации) указывают на то, что Δ 47 коррелирует с обратным квадратом температуры . Таким образом, измерения Δ 47 дают оценку температуры, при которой образовался карбонат. Палеотермометрия 13 C- 18 O не требует предварительного знания концентрации 18 O в воде (что требуется для метода δ 18 O). Это позволяет применять палеотермометр 13 C- 18 O к некоторым образцам, включая пресноводные карбонаты и очень старые породы, с меньшей неоднозначностью, чем другие методы, основанные на изотопах. Метод в настоящее время ограничен очень низкой концентрацией изотопологов с массой 47 или выше в CO 2 , полученном из природных карбонатов, и дефицитом приборов с соответствующими детекторными решетками и чувствительностью. Изучение этих типов реакций изотопного упорядочения в природе часто называют геохимией «слипшихся изотопов» . [23] [24]
![{\displaystyle \delta {\ce {^{18}O}}=1000\times \left[{\ce {{\frac {^{18}O}{^{16}O}}}}{\Bigg /}\left({\ce {{\frac {^{18}O}{^{16}O}}}}\right)_{{\ce {SMOW}}}-1\right]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/46a1f7bb2e6f8b687b805032d9de78f95d8f741a)
