Палеоклиматологија

Палеоклиматологија е научно проучување на климата пред пронаоѓањето на метеоролошките инструменти, кога не биле достапни директни податоци за мерење.^[1] Бидејќи инструменталните записи опфаќаат само мал дел од историјата на Земјата, реконструкцијата на климата е важна за да се разберат природните варијации и еволуцијата на сегашната клима.

Палеоклиматологијата користи различни прокси методи од науките за Земјата и животот за да добие податоци претходно зачувани во карпите, седиментите, бушотините, ледените плочи, прстените на дрвјата, коралите, школките и микрофосилите. Во комбинација со разни техники, палеоклиматските записи се користат за да се одредат минатите состојби на Земјината атмосфера.

Палеоклиматологијата станала популарна во 20 век. Значајните периоди кои ги проучувале палеоклиматолозите ги вклучуваат честите глацијации на Земјата, брзото ладење и брзото затоплување за време на палеоценско-еоценски термички максимум. Студиите за минатите промени во животната средина и биоразновидноста често се одразуваат врз моменталната ситуација, особено влијанието на климата врз масовните истребувања и биотичкото обновување и тековното глобално затоплување.^[2][3]

Историја

Поимите за промена на климата најверојатно еволуирале во Стар Египет, Месопотамија, долината на Инд и Кина, каде што се случиле долги периоди на суши и поплави.^[4] Во седумнаесеттиот век, Роберт Хук претпоставувал дека фосилите од џиновски желки пронајдени во Дорсет може да се објаснат само со постоење на потопла клима во минатото, што според него може да се објасни со промена на оската на Земјата.^[4] Фосилите во тоа време често се објаснувале како последица на библиската поплава.^[5] Систематските набљудувања на сончевите дамки започнати од аматерот астроном Хајнрих Швабе во почетокот на 19 век, ја започнале дискусијата за влијанието на Сонцето врз климата на Земјата.^[4]

Научното проучување на палеоклиматологијата започнало да се оформува во почетокот на 19 век, кога откритијата за глацијациите и природните промени во претходната клима на Земјата помогнале да се разбере ефектот на стаклена градина. Дури во 20 век, палеоклиматологијата станала научна област. Претходно, различни аспекти од климатската историја на Земјата биле проучувани од различни дисциплини.^[5] Кон крајот на 20 век, емпириското истражување на климата на Земјата низ историјата, започнало да се комбинира со компјутерски модели. Во овој период се развила нова цел: пронаоѓање на древни аналогни клими кои би можеле да обезбедат информации за тековните климатски промени.^[5]

Реконструкција на древните клими

Палеотемпературни графикони поставени заедно

Содржината на кислород во атмосферата во последните милијарда години

Палеоклиматолозите користат широк спектар на техники при проучувањето. Техниките што се користат зависат од тоа која променлива треба да се реконструира (ова може да биде температура, врнежи или нешто друго) и пред колку време се појавила климата што се проучува. На пример, длабокиот морски запис, изворот на повеќето изотопски податоци, постои само на океанските плочи, кои на крајот се подвлекуваат; најстариот преостанат материјал е стар 200 милиони години. Резолуцијата и точноста на податоците се намалуваат со текот на времето.

Прокси за климата

Мраз

Планинските ледници и поларните ледени капи / ледените покривки даваат многу податоци во палеоклиматологијата. Проектите за проучување на ледените капи на Гренланд и на Антарктик дале податоци од неколку стотици илјади години наназад, и над 800.000 години во случајот со европскиот проект за мразот на Антарктик.

• Воздухот заробен во паднатиот снег се обвиткува во ситни меурчиња додека снегот се компресира во мраз во ледникот под тежината на снегот од наредните години. Заробениот воздух се покажа како исклучително вреден извор за директно мерење на составот на воздухот од времето кога се формирал мразот.
• Слоевитост се појавува поради сезонските паузи во акумулацијата на мразот, и може да се користи за утврдување на хронологијата, поврзувајќи специфични длабочини на јадрото со временски опсег.
• Промените во дебелината на слојот може да се користат за да се утврдат промените во врнежите или температурата.
• Промените на количеството на кислород-18 (δ¹⁸O) во ледените слоеви претставуваат промени во просечната температура на површината на океанот. Молекулите на водата што го содржат потешкиот О-18 испаруваат на повисока температура од молекулите на водата што го содржат нормалниот изотоп на кислород-16. Односот на О-18 до О-16 е поголем како што се зголемува температурата, но зависи и од фактори како што се соленоста на водата и волуменот на водата заглавена во ледените плочи. Откриени се различни циклуси во односот на изотопи.
• Полен е забележан во ледените јадра и може да се користи за да се дознае кои растенија биле присутни додека се формирал слојот. Промените во фреквенцијата на растението со текот на времето може да се нацртаат преку статистичка анализа на количеството полен во јадрото. Тоа што ќе дознаеме кои растенија биле присутни во тој период, води до разбирање на врнежите и температурата, како и видовите на присутна фауна. Палинологијата вклучува проучување на полен за овие цели.
• Вулканската пепел е содржана во некои слоеви и може да се користи за да се утврди времето на формирање на слојот. Вулканските настани носат пепел со уникатни својства (форма и боја на честичките, хемиски потпис). Утврдувањето на изворот на пепелта дава временски период на слојот мраз.

Дендроклиматологија

Климатските информации може да се добијат преку сфаќање на промените во растот на дрвјата. Општо земено, дрвјата реагираат на промените во климата со забрзување или забавување на растот, што пак генерално се рефлектира со поголема или помала дебелина во прстените на дрвото. Меѓутоа, различни видови реагираат на промените во климатските варијабли на различни начини. Запис за прстен на дрвја се воспоставува со собирање информации од многу живи дрвја во одредена област.

Постаро недопрено дрво што го избегнало распаѓањето може да го продолжи времето опфатено со записот со усогласување на промените во длабочината на прстенот со современите примероци. Со користење на тој метод, некои области имаат записи со прстени на дрвја кои датираат од пред неколку илјади години. Постарото дрво кое не е поврзано со современ запис, може да се датира генерално со техники на радиојаглерод. Записот може да се користи за да се добијат информации за врнежите, температурата, хидрологијата и пожарите во одредена област.

Седиментна содржина

На подолг временски размер, геолозите мора да се повикуваат на седиментниот запис за податоци.

• Седиментите понекогаш може да содржат остатоци од зачувана вегетација, животни, планктони или полен, кои може да бидат карактеристични за одредени климатски зони.
• Молекулите на биомаркерите, како што се алкеноните, може да дадат информации за нивната температура на формирање.
• Хемиските потписи, особено односот магнезиум / калциум може да се користат за реконструкција на претходната температура.
• Изотопските соодноси можат да дадат дополнителни информации. Поточно, δ¹⁸O реагира на промените во температурата и волуменот на мразот, а записот δ¹³C одразува низа фактори, кои честопати е тешко да се раздвојат.

Примерок од јадрото на морското дно означен за да се идентификува точното место на морското дно каде што е земен примерокот. Седиментите од блиските локации може да покажат значителни разлики во хемискиот и биолошкиот состав.

На подолг временски размер, карпестата евиденција може да покаже знаци на пораст и опаѓање на морското ниво, а може да се идентификуваат и карактеристики како што се „фосилизирани“ песочни дини. Научниците можат да ја сфатат долгорочната клима со проучување на седиментни карпи од милијарди години наназад. Поделбата на историјата на Земјата на одделни периоди во голема мера се заснова врз видливи промени во слоевите на седиментните карпи кои ги разграничуваат големите промени во условите. Често, тие вклучуваат големи промени во климата.

Склерохронологија

Коралните „прстени“ се слични на прстените на дрвјата, освен што реагираат на различни нешта, како што се температурата на водата, приливот на слатка вода, промените на pH вредноста и дејството на брановите. Оттука, одредена опрема може да се користи за да се изведе температурата на површината на морето и соленоста на водата од изминатите неколку векови. Изотопот δ¹⁸O на коралините црвени алги обезбедува корисни податоци за комбинираната температура на површината на морето и соленоста на површината на морето на високи географски широчини и тропски предели, каде што многу од традиционалните техники се ограничени.^[6][7]

Во рамките на климатската геоморфологија, еден пристап е да се проучат реликтни копнени форми за да се заклучи древната клима.^[8] Честопати загриженоста за минатите клими, климатската геоморфологија понекогаш се смета за тема на историската геологија.^[9] Климатската геоморфологија има ограничена употреба за проучување на неодамнешните (квартарни, холоценски) големи климатски промени, бидејќи ретко се забележуваат во геоморфолошките записи.

Време на прокси

Геохронологијата има научници кои работат на утврдување колку се стари одредени прокси. За неодамнешните прокси архиви на прстени на дрвја и корали, може да се избројат поединечните годишни прстени и може да се одреди точната година. Радиометриското датирање ги користи својствата на радиоактивните елементи. Кај постарите материјали, поголемиот дел од радиоактивниот материјал ќе се распадне, и пропорцијата на различни елементи ќе се разликува од поновите прокси. Еден пример за радиометриско датирање е радиојаглеродното датирање. Во воздухот, космичките зраци постојано го претвораат азотот во специфичен изотоп на радиоактивен јаглерод, ¹⁴C. Кога растенијата потоа го користат овој јаглерод за да растат, овој изотоп повеќе не се надополнува и почнува да се распаѓа. Пропорцијата на „нормален“ јаглерод и јаглерод-14 дава информации за тоа колку долго растителниот материјал не бил во контакт со атмосферата.^[10]

Значајни климатски настани во историјата на Земјата

Знаењето за прецизни климатски настани се намалува како што евиденцијата се враќа назад во времето, но познати се некои значајни климатски настани:

• Парадокс на слабо младо Сонце (почеток)
• Хуронска глацијација (пред околу 2400 милиони години Земјата целосно покриена со мраз веројатно поради Големиот настан за оксигенација)
• Подоцнежна неопротерозоична снежна топка Земја (пред ~ 600 милиони години, претходник на камбриската експлозија)
• Андско-сахарска глацијација (пред ~ 450 милиони години)
• Колапс на јаглеродната прашума (пред ~ 300 милиони години)
• Масовно изумирање перм-тријас (пред 251,9 милиони години)
• Океански без кислородни настани (пред ~ 120 милиони години, 93 милиони години, и др.)
• Масовно изумирање креда-палеоген (пред 66 милиони години)
• Палеоценско-еоценски топлински максимум (палеоцен - еоцен, пред 55 милиони години)
• Последен глацијален максимум (~ 23.000 г. п.н.е.)
• Помлад дријас / Големо замрзнување (~ 11.000 г. п.н.е.)
• Холоценски климатски оптимум (~ 7000–3000 г. п.н.е.)
• Екстремни временски настани од 535–536 (535–536 г. н.е.)
• Средновековен топол период (900-1300 г.)
• Мало ледено доба (1300-1800 г.)
• Година без лето (1816 г.)

Историја на атмосферата

Најрана атмосфера

Првата атмосфера веројатно се состоела од гасови во сончевата маглина, првенствено водород. Покрај тоа, веројатно би имало едноставни хидриди како оние што сега се наоѓаат во гасовитите џинови како Јупитер и Сатурн, особено водена пареа, метан и амонијак. Како што сончевата маглина се растурала, гасовите бегале, делумно истерани од сончевиот ветар.^[11]

Втора атмосфера

Следната атмосфера, која главно се состои од азот, јаглерод диоксид и инертни гасови, била произведена со испуштање гасови од вулканските активности, дополнети со гасови произведени за време на доцното тешко бомбардирање на Земјата од огромни астероиди.^[11] Голем дел од емисиите на јаглерод диоксид биле растворени во вода и се создале карбонатни седименти.

Пронајдени се седименти поврзани со водата кои датираат од пред 3,8 милијарди години.^[12] Пред околу 3,4 милијарди години, азотот бил главниот дел од тогашната стабилна „втора атмосфера“. Влијанието на животот треба да се земе предвид наскоро во историјата на атмосферата, бидејќи навестувањата за раните форми на живот се датирани уште пред 3,5 милијарди години.^[13] Фактот дека не е совршено во согласност со 30% помалото сончево зрачење (во споредба со денес) на раното Сонце е опишан како „парадокс на слабо младо Сонце“.

Геолошкиот запис, сепак, покажува континуирано релативно топла површина за време на целосниот ран температурен рекорд на Земјата, со исклучок на една студена глацијална фаза пред околу 2,4 милијарди години. Во доцниот архејски еон, почнала да се развива атмосфера што содржи кислород, очигледно од фотосинтетизирање на цијанобактерии кои биле пронајдени како фосили на строматолит од пред 2,7 милијарди години. Раната основна изотопија на јаглеродот (пропорции на односот на изотопи) била во согласност со она што се наоѓа денес, што сугерира дека основните карактеристики на јаглеродниот циклус биле воспоставени уште пред 4 милијарди години.

Трета атмосфера

Постојаното преуредување на континентите според тектониката на плочите влијае врз долгорочната еволуција на атмосферата со пренесување на јаглерод диоксид до и од големите континентални складишта на карбонат. Слободен кислород не постоел во атмосферата до пред околу 2,4 милијарди години, за време на Големиот настан за оксигенација, а неговиот изглед е означен со крајот на лентите железни формации. Дотогаш, секој кислород произведен со фотосинтеза се трошел со оксидација на редуцирани материјали, особено железото. Молекулите на слободен кислород не се акумулирале во атмосферата сè додека стапката на производство на кислород не почнала да ја надминува достапноста на редуцирачките материјали. Таа точка била промена од редуцирачка во оксидирачка атмосфера. О₂ покажа големи варијации до постигнување на стабилна состојба од повеќе од 15% до крајот на прекамбрискиот период.^[14] Следниот временски распон бил фанерозојскиот еон, за време на кој почнале да се појавуваат форми на живот кои дишат кислород.

Наводи

1. Bradley, Raymond (2015). Paleoclimatology: Reconstructing Climates of the Quaternary. Oxford: Elsevier. стр. 1. ISBN 978-0-12-386913-5.
2. Sahney, S.; Benton, M.J. (2008). „Recovery from the most profound mass extinction of all time“. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences. 275 (1636): 759–65. doi:10.1098/rspb.2007.1370. PMC 2596898. PMID 18198148.
3. Cronin 2010
4. Fairbridge, Rhodes (31 October 2008). „history of paleoclimatology“. Во Gornitz, Vivien (уред.). Encyclopedia of Paleoclimatology and Ancient Environments. Springer Nature. стр. 414–426. ISBN 978-1-4020-4551-6.
5. Cronin, Thomas M. (1999). Principles of Paleoclimatology. Columbia University Press. стр. 8–10. ISBN 9780231503044.
6. Halfar, J.; Steneck, R.S.; Joachimski, M.; Kronz, A.; Wanamaker, A.D. (2008). „Coralline red algae as high-resolution climate recorders“. Geology. 36 (6): 463. Bibcode:2008Geo....36..463H. doi:10.1130/G24635A.1.
7. Cobb, K.; Charles, C. D.; Cheng, H; Edwards, R. L. (2003). „El Nino/Southern Oscillation and tropical Pacific climate during the past millennium“. Nature. 424 (6946): 271–6. Bibcode:2003Natur.424..271C. doi:10.1038/nature01779. PMID 12867972.
8. Gutiérrez, Mateo; Gutiérrez, Francisco (2013). „Climatic Geomorphology“. Treatise on Geomorphology. 13. стр. 115–131.
9. Gutiérrez, Mateo, уред. (2005). „Chapter 1 Climatic geomorphology“. Developments in Earth Surface Processes. 8. стр. 3–32. doi:10.1016/S0928-2025(05)80051-3. ISBN 978-0-444-51794-4.
10. Cronin 2010.
11. Zahnle, K.; Schaefer, L.; Fegley, B. (2010). „Earth's Earliest Atmospheres“. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology. 2 (10): a004895. doi:10.1101/cshperspect.a004895. PMC 2944365. PMID 20573713.
12. B. Windley: The Evolving Continents. Wiley Press, New York 1984
13. J. Schopf: Earth's Earliest Biosphere: Its Origin and Evolution. Princeton University Press, Princeton, N.J., 1983
14. Christopher R. Scotese, Back to Earth History: Summary Chart for the Precambrian, Paleomar Project

Библиографија

• Bradley, Raymond S. (1985). Quaternary paleoclimatology: methods of paleoclimatic reconstruction. Boston: Allen & Unwin. ISBN 978-0-04-551067-2.
• Cronin, Thomas N. (2010). Paleoclimates: understanding climate change past and present. New York: Columbia University Press. ISBN 978-0-231-14494-0.
• Imbrie, John (1979). Ice ages: solving the mystery. Cambridge MA: Harvard University Press. ISBN 978-0-674-44075-3.
• Margulis, Lynn; Sagan, Dorion (1986). Origins of sex: three billion years of genetic recombination. The Bio-origins series. New Haven: Yale University Press. ISBN 978-0-300-03340-3.
• Gould, Stephen Jay (1989). Wonderful life, the story of the Burgess Shale. New York: W.W. Norton. ISBN 978-0-393-02705-1.
• Crowley, Thomas J.; North, Gerald R. (1996). Paleoclimatology. Oxford monographs on geology and geophysics. 18. Oxford: Clarendon Press. ISBN 978-0-19-510533-9.
• The Climates of the Geological Past. (Die Klimate der geologischen Vorzeit). 1924, Wladimir Köppen, Alfred Wegener
  • Facsimile of German original and English translation: The climates of the geological past – Klimate der geologischen Vorzeit. Borntraeger, Berlin / Stuttgart 2015, ISBN 978-3-443-01088-1.
• Karl-Heinz Ludwig (2006). Eine kurze Geschichte des Klimas. Von der Entstehung der Erde bis heute, (A short history of climate, From the evolution of earth till today) Herbst, ISBN 3-406-54746-X
• William F. Ruddimann (2001). Earth's Climate — Past and Future. Palgrave Macmillan. ISBN 978-0-7167-3741-4.
• B. Windley (1984). The Evolving Continents. New York: Wiley Press.
• Drummond, Carl N.; Wilkinson, Bruce H. (2006). „Interannual Variability in Climate Data“. Journal of Geology. 114 (3): 325–339. Bibcode:2006JG....114..325D. doi:10.1086/500992. S2CID 128885809. Занемарен непознатиот параметар |name-list-style= (help)

Надворешни врски

• NOAA палеоклиматологија
• Кратка историја на климата