vignette|280x280px|Reconstructions de la température globale des 2000 dernières années, en utilisant un composite de différentes méthodes proxy.
Dans l'étude des climats passés (« paléoclimatologie »), les proxys climatiques sont des caractéristiques physiques préservées du passé qui permettent de pallier l'absence de mesures météorologiques directes et permettent aux scientifiques de reconstituer les conditions climatiques sur une plus longue partie de l'histoire de la Terre. Des enregistrements fiables du climat n'ont commencé au niveau mondial que dans les années 1880 et les proxys constituent le principal moyen pour les scientifiques d'établir les modèles climatiques antérieurs à ces enregistrements.
Un grand nombre d'indicateurs climatiques ont été étudiés à partir d'une variété de contextes géologiques. Des exemples d'indicateurs incluent les mesures d'isotopes stables à partir de carottes de glace, les taux de croissance dans les cernes des arbres, la composition des espèces de pollen subfossile dans les sédiments lacustres ou les foraminifères dans les sédiments océaniques, les profils de température des forages et les isotopes stables et la minéralogie des coraux et des spéléothèmes carbonatés. Dans chaque cas, l'indicateur indirect a été influencé par un paramètre climatique saisonnier particulier (par exemple, la température estivale ou l'intensité de la mousson) au moment où ils ont été déposés ou ont poussé. L'interprétation des proxys climatiques nécessite une série d'études auxiliaires, y compris l'étalonnage de la sensibilité du proxy au climat et la vérification croisée entre les indicateurs proxy"Climate Change 2001: 2.3.2.1 Palaeoclimate proxy indicators." .
Les proxys peuvent être combinés pour produire des reconstructions de température plus longues que l'enregistrement instrumental de température et peuvent éclairer les discussions sur le réchauffement climatique et l'histoire du climat. La répartition géographique des enregistrements proxy, tout comme l'enregistrement instrumental, n'est pas du tout uniforme, avec plus d'enregistrements dans l'hémisphère nord..
Types de proxy En science, il est parfois nécessaire d'étudier une variable qui ne peut être mesurée directement. Cela peut être fait par des "méthodes par procuration", dans lesquelles une variable qui est en corrélation avec la variable d'intérêt est mesurée, puis utilisée pour déduire la valeur de la variable d'intérêt. Les méthodes indirectes sont particulièrement utiles dans l'étude du climat passé, au-delà des périodes où des mesures directes des températures sont disponibles.
La plupart des enregistrements par proxy doivent être calibrés par rapport à des mesures de température indépendantes, ou par rapport à un proxy plus directement calibré, pendant leur période de chevauchement pour estimer la relation entre la température et le proxy.
Carottes de glace
Forage vignette|Échantillon de carotte de glace prélevé par forage. Photo de Lonnie Thompson, Byrd Polar Research Center. Les carottes de glace sont des échantillons cylindriques provenant des calottes glaciaires des régions du Groenland, de l'Antarctique et de Amérique du NordStrom, Robert. Hot House. p. 255"Core Location Maps." . Les premières tentatives d'extraction ont eu lieu en 1956 dans le cadre de l'Année géophysique internationale. Comme moyen d'extraction primitif, le laboratoire de recherche et d'ingénierie des régions froides de l'armée américaine utilisait une longue perceuse électrique de 24 mètres de long en 1968 au Camp Century, au Groenland, et à la station Byrd, en Antarctique. Leurs machines pouvaient percer de 4 à 6 mètres de glace en 40 à 50 minutes. Autour de 900 mètres de profondeur, des carottes ont été extraites de 110mm de diamètre et 6 mètres de long. Chaque équipe de forage suivante améliora sa méthode d'extraction à chaque nouvel essaiVardiman, Larry, Ph.D. Ice Cores and the Age of the Earth. p. 9-13.
Proxy Le rapport entre les isotopologues des molécules d'eau 16O et 18O dans une carotte de glace aide à déterminer les températures passées et les accumulations de neige. L'isotope le plus lourd (18O) se condense plus facilement lorsque les températures diminuent et tombe plus facilement sous forme de précipitations, tandis que l'isotope plus léger (16O) a besoin de conditions plus froides pour précipiter. Plus il faut aller au nord pour trouver des niveaux élevés de l'isotope 18O, plus la période est marquée par des températures de surface élevées..
Les bulles d'air dans la glace, qui contiennent des gaz à effet de serre piégés tels que le dioxyde de carbone et le méthane, sont également utiles pour déterminer les changements climatiques passés.
De 1989 à 1992, l'European Greenland Ice Core Drilling Project a foré dans le centre du Groenland aux coordonnées 72° 35' N, 37° 38' W. Les glaces de cette carotte avaient 3840 ans à une profondeur de 770 m, 40 000 ans à 2521 m et 200 000 ans ou plus à 3029 m de roche-mère.. Les carottes de glace en Antarctique peuvent révéler les enregistrements climatiques des 650 000 dernières années.
Des cartes de localisation et une liste complète des sites de forage de carottes de glace aux États-Unis sont disponibles sur le site Web du National Ice Core Laboratory.
Cernes des arbres gauche|vignette| Anneaux d'arbre vus dans une coupe transversale d'un tronc d'arbre. La dendroclimatologie est la science qui permet de déterminer les climats passés à partir des arbres, principalement à partir des propriétés des cernes annuels des arbres. Les cernes des arbres sont plus larges lorsque les conditions favorisent la croissance, plus étroits lorsque les temps sont difficiles. D'autres propriétés des cernes annuels, telles que la densité maximale du bois final se sont avérées être de meilleurs indicateurs que la simple largeur des cernes. En utilisant les cernes des arbres, les scientifiques ont estimé de nombreux climats locaux pour des centaines à des milliers d'années auparavant. En combinant plusieurs études des cernes (parfois avec d'autres enregistrements climatiques), les scientifiques ont estimé les climats régionaux et mondiaux passés (voir Enregistrement de la température des 1000 dernières années).
Feuilles fossilisées Les paléoclimatologues utilisent souvent les dents des feuilles pour reconstituer la température annuelle moyenne dans les climats passés, et ils utilisent la taille des feuilles comme approximation des précipitations annuelles moyennes. Dans le cas des reconstructions des précipitations annuelles moyennes, certains chercheurs pensent que les processus taphonomiques entraînent une surreprésentation des feuilles plus petites dans les archives fossiles, ce qui peut biaiser les reconstructions. Cependant, des recherches récentes suggèrent que les archives fossiles de feuilles peuvent ne pas être significativement biaisées en faveur des petites feuilles. De nouvelles approches récupèrent des données telles que le CO2 contenu des atmosphères passées à partir des stomates des feuilles fossiles et de la composition isotopique, mesurant les concentrations de CO2 cellulaire. Une étude de 2014 a pu utiliser les rapports isotopiques du carbone 13 pour estimer les quantités de CO2 des 400 derniers millions d'années, les résultats suggèrent une sensibilité climatique plus élevée aux concentrations de CO2.
Forages Les sondages géotechniques sont utilisées comme proxy de température. Étant donné que le transfert de chaleur à travers le sol est lent, les mesures de température à une série de profondeurs différentes dans le trou de forage, ajustées pour l'effet de la hausse de la chaleur de l'intérieur de la Terre, peuvent être « inversées » (une formule mathématique pour résoudre des équations matricielles) pour produire une série « non unique » de valeurs de température de surface. La solution est « non unique » car il existe plusieurs reconstructions de température de surface possibles qui peuvent produire le même profil de température de trou de forage. De plus, en raison de limitations physiques, les reconstructions sont inévitablement « tachées » et deviennent plus étalées plus loin dans le temps. Lors de la reconstruction des températures autour de 1500 , les forages ont une résolution temporelle de quelques siècles. Au début du , leur résolution est de quelques décennies ; par conséquent, ils ne fournissent pas un contrôle utile sur l'enregistrement de la température instrumentale. Cependant, ils sont globalement comparables. Ces confirmations ont donné aux paléoclimatologues l'assurance qu'ils peuvent mesurer la température d'il y a 500 ans. Ceci est possible à une profondeur d'environ 150 mètres pour mesurer les températures d'il y a 100 ans et 500 mètres pour mesurer les températures d'il y a 1000 ans.
Les forages ont un grand avantage par rapport à de nombreux autres proxys en ce qu'aucun étalonnage n'est requis : ce sont des températures réelles. Cependant, ils enregistrent la température de surface et non la température près de la surface (1,5 mètre) utilisée pour la plupart des observations météorologiques "de surface". Ceux-ci peuvent différer considérablement dans des conditions extrêmes ou lorsqu'il y a de la neige en surface. En pratique, on pense que l'effet sur la température du trou de forage est généralement faible. Une deuxième source d'erreur est que la contamination du puits par les eaux souterraines peut affecter les températures, car l'eau "porte" avec elle des températures plus modernes. On pense que cet effet est généralement faible et plus applicable aux sites très humides. Elle ne s'applique pas aux carottes de glace où le site reste gelé toute l'année.
Plus de 600 forages, sur tous les continents, ont été utilisés comme proxy pour reconstituer les températures de surface. La plus forte concentration de forages existe en Amérique du Nord et en Europe. Leurs profondeurs de forage vont généralement de 200 à plus de 1000 mètres dans la croûte terrestre ou la calotte glaciaire.
Un petit nombre de forages ont été forés dans les calottes glaciaires ; la pureté de la glace y permet des reconstitutions plus longues. Les températures du forage central du Groenland montrent « un réchauffement au cours des 150 dernières années d'environ 1 °C ± 0,2 °C précédé de quelques siècles de conditions fraîches. Avant cela, il y avait une période chaude centrée autour de l'an 1000, qui était plus chaude que la fin du 20e siècle d'environ 1°C. Un forage dans la calotte glaciaire de l'Antarctique montre que "la température en l'an 1 y était environ 1°C plus élevée que celle de la fin du 20e siècle"BOREHOLES IN GLACIAL ICE Surface Temperature Reconstructions for the Last 2,000 Years (2006), pp 81,82 Board on Atmospheric Sciences and Climate (BASC), National Academy of Science, .
Coraux vignette| Corail blanchi en raison de changements dans les propriétés de l'eau de mer