Paleoklimatologi

Paleoklimatologi ( brittisk stavning , paleoklimatologi ) är studiet av klimat för vilka direkta mätningar inte gjordes. Eftersom instrumentella uppgifter bara spänner över en liten del av jordens historia , är återuppbyggnaden av det gamla klimatet viktigt för att förstå naturlig variation och utvecklingen av det nuvarande klimatet.

Paleoklimatologi använder en mängd proxymetoder från jord- och biovetenskap för att erhålla data som tidigare bevarats inom stenar , sediment , borrhål , inlandsisar , trädringar , koraller , snäckor och mikrofossiler . I kombination med tekniker för att datera proxies, används paleoklimatposterna för att bestämma tidigare tillstånd i jordens atmosfär .

Det vetenskapliga området paleoklimatologi kom till mognad på 1900-talet. Anmärkningsvärda perioder som studerats av paleoklimatologer är de frekventa nedisningar som jorden har genomgått, snabba avkylningshändelser som Younger Dryas och den snabba uppvärmningen under Paleocene–Eocene termiska maximum . Studier av tidigare förändringar i miljön och biologisk mångfald reflekterar ofta över den nuvarande situationen, särskilt klimatets inverkan på massutrotningar och biotisk återhämtning och den nuvarande globala uppvärmningen .

Historia

Huvudartiklar: History of climate change science and Historical climatology

Föreställningar om ett förändrat klimat har troligen utvecklats i det forntida Egypten , Mesopotamien , Indusdalen och Kina , där långa perioder av torka och översvämningar upplevdes. På 1600-talet Robert Hooke att fossiler av jättesköldpaddor som hittades i Dorset endast kunde förklaras av ett en gång varmare klimat, vilket han trodde kunde förklaras av en förskjutning i jordens axel. Fossiler förklarades på den tiden ofta som en konsekvens av en biblisk översvämning. Systematiska observationer av solfläckar startade av amatörastronomen Heinrich Schwabe i början av 1800-talet och startade en diskussion om solens inflytande på jordens klimat.

Det vetenskapliga studieområdet paleoklimatologi började ta form ytterligare i början av 1800-talet, när upptäckter om glaciationer och naturliga förändringar i jordens tidigare klimat hjälpte till att förstå växthuseffekten . Det var först på 1900-talet som paleoklimatologi blev ett enhetligt vetenskapligt område. Tidigare studerades olika aspekter av jordens klimathistoria av en mängd olika discipliner. I slutet av 1900-talet började den empiriska forskningen om jordens uråldriga klimat att kombineras med datormodeller av ökande komplexitet. Ett nytt mål utvecklades också under denna period: att hitta gamla analoga klimat som skulle kunna ge information om aktuella klimatförändringar .

Återskapa gamla klimat

Paleotemperaturgrafer placerade tillsammans
Syrehalten i atmosfären under de senaste miljarderna åren
Huvudartikel: Proxy (klimat)

Paleoklimatologer använder en mängd olika tekniker för att härleda gamla klimat. De tekniker som används beror på vilken variabel som måste rekonstrueras ( temperatur , nederbörd eller något annat) och på hur länge sedan det intressanta klimatet inträffade. Till exempel finns det djupa marina rekordet, källan till de flesta isotopdata, endast på oceaniska plattor, som så småningom subduceras : det äldsta kvarvarande materialet är gammalt. Äldre sediment är också mer benägna att skadas genom diagenes . Upplösning och förtroende för data minskar med tiden.

Proxies för klimat

Is

Bergsglaciärer och polarisarna / isarna ger mycket data inom paleoklimatologi . Istäckningsprojekt i inlandsisarna på Grönland och Antarktis har gett data som sträcker sig flera hundra tusen år tillbaka i tiden, över 800 000 år när det gäller EPICA -projektet.

  • Luft som är instängd i nedfallen snö blir innesluten i små bubblor när snön komprimeras till is i glaciären under tyngden av senare års snö. Den instängda luften har visat sig vara en oerhört värdefull källa för direkt mätning av luftsammansättningen från det att isen bildades.
  • Skiktning kan observeras på grund av säsongsbetonade pauser i isackumulering och kan användas för att fastställa kronologi, associera specifika djup av kärnan med tidsintervall.
  • Förändringar i skikttjockleken kan användas för att bestämma förändringar i nederbörd eller temperatur.
  • Förändringar i mängden syre-18 ( δ 18 O ) i islager representerar förändringar i den genomsnittliga havsytans temperatur. Vattenmolekyler som innehåller den tyngre O-18 avdunstar vid en högre temperatur än vattenmolekyler som innehåller den normala Oxygen-16 isotopen. Förhållandet mellan O-18 och O-16 blir högre när temperaturen ökar. Det beror också på andra faktorer som vattnets salthalt och mängden vatten som är instängt i inlandsisar. Olika cykler i dessa isotopförhållanden har upptäckts.
  • Pollen har observerats i iskärnorna och kan användas för att förstå vilka växter som fanns när lagret bildades. Pollen produceras i överflöd och dess distribution är vanligtvis väl förstått. Ett pollenantal för ett specifikt lager kan produceras genom att observera den totala mängden pollen kategoriserad efter typ (form) i ett kontrollerat prov av det lagret. Förändringar i växtfrekvens över tid kan plottas genom statistisk analys av pollenantal i kärnan. Att veta vilka växter som fanns leder till en förståelse för nederbörd och temperatur, och vilka typer av fauna som finns. Palynologi inkluderar studiet av pollen för dessa ändamål.
  • Vulkanaska finns i vissa lager och kan användas för att fastställa tidpunkten för lagrets bildande. Varje vulkanisk händelse distribuerade aska med en unik uppsättning egenskaper (form och färg på partiklar, kemisk signatur). Att fastställa askans källa kommer att fastställa ett tidsintervall för att associera med islager.

Ett multinationellt konsortium, European Project for Ice Coring in Antarctica (EPICA), har borrat en iskärna i Dome C på det östra Antarktiska inlandsisen och hämtat is från ungefär 800 000 år sedan. Den internationella iskärngemenskapen har, under överinseende av International Partnerships in Ice Core Sciences (IPICS), definierat ett prioriterat projekt för att erhålla det äldsta möjliga iskärnrekordet från Antarktis, ett iskärnrekord som sträckte sig tillbaka till eller mot 1,5 miljoner år sedan.

Dendroklimatologi

Huvudartikel: Dendroklimatologi

Klimatinformation kan erhållas genom en förståelse för förändringar i trädtillväxt. I allmänhet reagerar träd på förändringar i klimatvariabler genom att påskynda eller bromsa tillväxten, vilket i sin tur i allmänhet återspeglas av en större eller mindre tjocklek i tillväxtringarna. Olika arter reagerar dock på förändringar i klimatvariabler på olika sätt. En trädringpost upprättas genom att sammanställa information från många levande träd i ett specifikt område.

Äldre intakt trä som har undkommit förfall kan förlänga tiden som omfattas av journalen genom att matcha ringdjupsförändringarna med samtida exemplar. Genom att använda den metoden har vissa områden trädringar som går tillbaka några tusen år. Äldre trä som inte är kopplat till en samtida skiva kan generellt dateras med radiokoltekniker. En trädringspost kan användas för att producera information om nederbörd, temperatur, hydrologi och brand som motsvarar ett visst område.

Sedimentärt innehåll

På en längre tidsskala måste geologer hänvisa till sedimentregistret för data.

  • Sediment, ibland lithifierade för att bilda sten, kan innehålla rester av bevarad vegetation, djur, plankton eller pollen , som kan vara karakteristiska för vissa klimatzoner.
  • Biomarkörmolekyler såsom alkenonerna kan ge information om deras bildningstemperatur.
  • Kemiska signaturer, särskilt Mg/Ca -förhållandet av kalcit i Foraminifera- tester, kan användas för att rekonstruera tidigare temperaturer.
  • Isotopförhållanden kan ge ytterligare information. Närmare bestämt δ 18 O -posten på förändringar i temperatur och isvolym, och δ 13 C -rekordet återspeglar en rad faktorer, som ofta är svåra att lösa.
Havsbottenprov märkt för att identifiera den exakta plats på havsbotten där provet togs. Sediment från närliggande platser kan visa betydande skillnader i kemisk och biologisk sammansättning.
Sedimentära facies

På en längre tidsskala kan bergrekordet visa tecken på havsnivåhöjning och -fall, och funktioner som "fossiliserade" sanddyner kan identifieras. Forskare kan få ett grepp om det långsiktiga klimatet genom att studera sedimentära bergarter som går tillbaka miljarder år. Jordhistoriens indelning i separata perioder bygger till stor del på synliga förändringar i sedimentära berglager som avgränsar stora förändringar i förhållandena. Ofta inkluderar de stora förändringar i klimatet.

Sklerokronologi

Koraller (se även sklerokronologi )

Korall "ringar" liknar trädringar förutom att de reagerar på olika saker, såsom vattentemperaturen, sötvatteninflöde, pH-förändringar och vågverkan. Därifrån kan viss utrustning användas för att härleda havsytans temperatur och vattnets salthalt från de senaste århundradena. δ . 18 O för korallröda alger ger en användbar proxy för den kombinerade havsytans temperatur och havsytans salthalt på höga breddgrader och i tropikerna, där många traditionella tekniker är begränsade

Landskap och landformer

Inom klimatisk geomorfologi är ett tillvägagångssätt att studera kvarvarande landformer för att sluta sig till forntida klimat. Att vara ofta bekymrad över tidigare klimat klimatisk geomorfologi anses ibland vara ett tema för historisk geologi . Klimatisk geomorfologi är av begränsad användning för att studera nyare ( kvartär , holocen ) stora klimatförändringar eftersom det sällan kan urskiljas i det geomorfologiska dokumentet.

Tidpunkt för fullmakter

Området geokronologi har forskare som arbetar med att bestämma hur gamla vissa proxyservrar är. För nyare proxyarkiv av trädringar och koraller kan de enskilda årsringarna räknas och ett exakt årtal kan fastställas. Radiometrisk datering använder egenskaperna hos radioaktiva grundämnen i proxies. I äldre material kommer mer av det radioaktiva materialet att ha sönderfallit och andelen olika grundämnen kommer att skilja sig från nyare proxies. Ett exempel på radiometrisk datering är radiokoldatering . I luften kosmisk strålning ständigt kväve till en specifik radioaktiv kolisotop, 14 C . När växter sedan använder detta kol för att växa, fylls inte denna isotop på längre och börjar förfalla. Andelen 'normalt' kol och kol-14 ger information om hur länge växtmaterialet inte har varit i kontakt med atmosfären.

Anmärkningsvärda klimathändelser i jordens historia

Se även: Lista över perioder och händelser i klimathistorien, Tidslinje för glaciationen och Jordens historia

Kunskapen om exakta klimathändelser minskar när rekordet går tillbaka i tiden, men några anmärkningsvärda klimathändelser är kända:

Atmosfärens historia

Se även: Jordens atmosfär och jordens historia

Tidigast atmosfär

Den första atmosfären skulle ha bestått av gaser i solnebulosan , främst väte . Dessutom skulle det förmodligen ha funnits enkla hydrider som de som nu finns i gasjättar som Jupiter och Saturnus , särskilt vattenånga , metan och ammoniak . När solnebulosan skingrades skulle gaserna ha rymt, delvis bortdrivna av solvinden .

Andra atmosfären

Nästa atmosfär, som till stor del består av kväve , koldioxid och inerta gaser, producerades genom utgasning från vulkanismen , kompletterad med gaser som producerades under det sena tunga bombardementet av jorden av enorma asteroider . En stor del av koldioxidutsläppen löstes snart i vatten och byggde upp karbonatsediment.

Vattenrelaterade sediment har hittats från så tidigt som 3,8 miljarder år sedan. För cirka 3,4 miljarder år sedan var kväve huvuddelen av den då stabila "andra atmosfären". Livspåverkan måste tas med i beräkningen ganska snart i atmosfärens historia eftersom antydningar om tidiga livsformer har daterats till så tidigt som för 3,5 miljarder år sedan. Det faktum att den inte är helt i linje med den tidiga solens 30 % lägre solstrålning (jämfört med idag) har beskrivits som den " svaga unga solparadoxen" .

Det geologiska rekordet visar emellertid en kontinuerligt relativt varm yta under hela jordens tidiga temperaturrekord med undantag för en kall isfas för cirka 2,4 miljarder år sedan. Under den sena arkeiska eonen började en syrehaltig atmosfär utvecklas, uppenbarligen från fotosyntetiserande cyanobakterier (se Great Oxygenation Event ) som har hittats som stromatolitfossiler för 2,7 miljarder år sedan. Den tidiga grundläggande kolisotopin ( isotopförhållandeproportioner ) var mycket i linje med vad som finns idag, vilket tyder på att de grundläggande dragen i kolcykeln etablerades så tidigt som för 4 miljarder år sedan.

Tredje atmosfären

Den ständiga omarrangeringen av kontinenter genom plattektonik påverkar den långsiktiga utvecklingen av atmosfären genom att överföra koldioxid till och från stora kontinentala karbonatlager. Fritt syre fanns inte i atmosfären förrän för cirka 2,4 miljarder år sedan, under den stora syresättningshändelsen , och dess utseende indikeras av slutet av de bandade järnformationerna . Fram till dess förbrukades allt syre som producerats genom fotosyntes genom oxidation av reducerade material, särskilt järn. Molekyler av fritt syre började inte ackumuleras i atmosfären förrän produktionshastigheten av syre började överstiga tillgången på reducerande material. Den punkten var ett skifte från en reducerande atmosfär till en oxiderande atmosfär. O 2 visade stora variationer tills den nådde ett stabilt tillstånd på mer än 15 % i slutet av prekambrium. Följande tidsperiod var den fanerozoiska eonen, under vilken syreandande metazoaniska livsformer började dyka upp.

Mängden syre i atmosfären har fluktuerat under de senaste 600 miljoner åren och nått en topp på 35 % under karbonperioden, betydligt högre än dagens 21 %. Två huvudprocesser styr förändringar i atmosfären: växter använder koldioxid från atmosfären , frigör syre och nedbrytningen av pyrit och vulkanutbrott släpper ut svavel i atmosfären, som oxiderar och därmed minskar mängden syre i atmosfären. Men vulkanutbrott frigör också koldioxid, som växter kan omvandla till syre. Den exakta orsaken till variationen av mängden syre i atmosfären är inte känd. Perioder med mycket syre i atmosfären är förknippade med snabb utveckling av djur. Dagens atmosfär innehåller 21 % syre, vilket är tillräckligt högt för snabb utveckling av djur.

Klimatet under geologiska tidsåldrar

Tidslinje för glaciationer, visad i blått
Se även: Tidslinje för glaciationen

År 2020 publicerade forskare en kontinuerlig, högtrogen registrering av variationer i jordens klimat under de senaste 66 miljoner åren och identifierade fyra klimattillstånd , åtskilda av övergångar som inkluderar förändrade växthusgasnivåer och polarisars volymer. De integrerade data från olika källor. Det varmaste klimattillståndet sedan tiden för dinosaurieutrotningen, "Hothouse", varade från 56 Mya till 47 Mya och var ~14 °C varmare än genomsnittliga moderna temperaturer.

Prekambriskt klimat

Huvudartikel: Prekambrium

Klimatet i det sena Prekambrium visade att några stora glaciationshändelser spred sig över stora delar av jorden. Vid denna tidpunkt var kontinenterna samlade i superkontinenten Rodinia . Massiva avlagringar av tilliter och anomala isotopiska signaturer finns, vilket gav upphov till Snowball Earth -hypotesen. När den proterozoiska eonen närmade sig sitt slut började jorden att värmas upp. Vid kambriums och fanerozoikums gryning fanns det rikligt med livsformer i den kambriska explosionen med genomsnittliga globala temperaturer på cirka 22 ° C .

Fanerozoiskt klimat

Förändringar i förhållandet syre-18 under de senaste 500 miljoner åren, vilket indikerar miljöförändringar
Huvudartikel: Fanerozoikum

Viktiga drivkrafter för den förindustriella tidsåldern har varit variationer av solen, vulkanisk aska och utandningar, relativa rörelser av jorden mot solen och tektoniskt inducerade effekter som för stora havsströmmar, vattendelar och havssvängningar. Under den tidiga fanerozoikumen har ökade koldioxidkoncentrationer i atmosfären kopplats till att driva eller förstärka ökade globala temperaturer. Royer et al. 2004 fann en klimatkänslighet för resten av fanerozoikum som beräknades likna dagens moderna värdeintervall.

Skillnaden i globala medeltemperaturer mellan en helt glacial jord och en isfri jord uppskattas till 10 °C, även om mycket större förändringar skulle observeras på höga breddgrader och mindre på låga breddgrader. [ citat behövs ] Ett krav för utvecklingen av storskaliga inlandsisar verkar vara arrangemanget av kontinentala landmassor vid eller nära polerna. Den ständiga omarrangeringen av kontinenter genom plattektonik kan också forma den långsiktiga klimatutvecklingen. Förekomsten eller frånvaron av landmassor vid polerna är dock inte tillräckligt för att garantera glaciationer eller utesluta polarisar. Det finns bevis för tidigare varma perioder i jordens klimat när polära landmassor som liknar Antarktis var hem för lövskogar snarare än inlandsisar.

Det relativt varma lokala minimumet mellan jura och krita går tillsammans med en ökning av subduktion och vulkanism i mitten av havet på grund av upplösningen av Pangeas superkontinent .

Överlagrat på den långsiktiga utvecklingen mellan varma och kalla klimat har många kortsiktiga fluktuationer i klimatet liknat, och ibland mer allvarliga än, de varierande glaciala och interglaciala tillstånden i den nuvarande istiden . Några av de allvarligaste fluktuationerna, som paleocen-eocen termiskt maximum , kan vara relaterade till snabba klimatförändringar på grund av plötsliga kollapser av naturliga metanklatratreservoarer i haven.

En liknande, enstaka händelse av inducerad allvarlig klimatförändring efter en meteoritnedslag har föreslagits som orsak till utrotningen av Krita-Paleogen . Andra viktiga trösklar är utrotningshändelserna perm-trias och ordovicium-silur med olika skäl som föreslås.

Kvartärt klimat

Iskärndata för de senaste 800 000 åren (x-axelvärden representerar "ålder före 1950", så dagens datum är på vänster sida av grafen och äldre tid till höger). Blå kurva är temperatur, röd kurva är atmosfäriska CO 2 -koncentrationer och brun kurva är dammflöden. Notera längden av glacial-interglaciala cykler i genomsnitt ~100 000 år.
Holocena temperaturvariationer
Huvudartikel: Kvartär
Se även: Lista över storskaliga temperaturrekonstruktioner under de senaste 2 000 åren

Den kvartärgeologiska perioden inkluderar det nuvarande klimatet. Det har funnits en cykel av istider under de senaste 2,2–2,1 miljoner åren (med början före kvartären i den sena neogenperioden ).

Notera i grafiken till höger den starka 120 000-åriga periodiciteten hos cyklerna och kurvornas slående asymmetri. Denna asymmetri tros bero på komplexa interaktioner mellan återkopplingsmekanismer. Det har observerats att istider fördjupas med progressiva steg, men återhämtningen till interglaciala förhållanden sker i ett stort steg.

Grafen till vänster visar temperaturförändringen under de senaste 12 000 åren, från olika källor. Den tjocka svarta kurvan är ett genomsnitt.

Klimatpåverkan

Huvudartikel: Climate forcering

Klimatpåverkan är skillnaden mellan strålningsenergi ( solljus ) som mottas av jorden och den utgående långvågiga strålningen tillbaka till rymden. Sådan strålkraftskraft kvantifieras baserat på CO 2 -mängden i tropopausen , i enheter av watt per kvadratmeter till jordens yta. Beroende på strålningsbalansen mellan inkommande och utgående energi, värms jorden antingen upp eller svalnar. Jordens strålningsbalans härrör från förändringar i solinstrålningen och koncentrationerna av växthusgaser och aerosoler . Klimatförändringar kan bero på interna processer i jordens sfär och/eller följande externa krafter.

Interna processer och forceringar

Jordens klimatsystem involverar atmosfären , biosfären , kryosfären , hydrosfären och litosfären , och summan av dessa processer från jordens sfärer är det som påverkar klimatet. Växthusgaser fungerar som den interna kraften i klimatsystemet. Särskilda intressen inom klimatvetenskap och paleoklimatologi fokuserar på studiet av jordens klimatkänslighet , som svar på summan av krafter.

Exempel:

Yttre krafter

  • Milankovitch -cyklerna bestämmer jordens avstånd och position till solen. Solinstrålningen är den totala mängden solstrålning som mottas av jorden.
  • Vulkanutbrott anses vara en intern kraft.
  • Mänskliga förändringar av atmosfärens sammansättning eller markanvändning.

Mekanismer

På miljontals år är upphöjningen av bergskedjor och efterföljande vittringsprocesser av stenar och jordar och subduktionen av tektoniska plattor en viktig del av kolets kretslopp . Vittringen binder CO 2 , genom reaktion mellan mineraler och kemikalier (särskilt silikatvittring med CO 2 ) och tar därigenom bort CO 2 från atmosfären och minskar strålkraften. Den motsatta effekten är vulkanism , ansvarig för den naturliga växthuseffekten , genom att släppa ut CO 2 i atmosfären, vilket påverkar glaciationscyklerna (istiden). James Hansen föreslog att människor släpper ut CO 2 10 000 gånger snabbare än naturliga processer har gjort tidigare.

Inlandsdynamik och kontinentala positioner (och kopplade vegetationsförändringar) har varit viktiga faktorer i den långsiktiga utvecklingen av jordens klimat. Det finns också en nära korrelation mellan CO 2 och temperatur, där CO 2 har en stark kontroll över globala temperaturer i jordens historia.

Se även

Anteckningar

Bibliografi


Biblioteksresurser om paleoklimatologi

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Paleoklimatology&oldid=1138283228 "