Косвенные климатические индикаторы

Косвенные климатические индикаторы ()— сохранившиеся физические характеристики прошлого в палеоклиматологии, заменяющие прямые метеорологические измерения. Позволяют учёным реконструировать климатические условия Земли. Надёжные начали появляться только в 1880-х годах, и косвенные климатические индикаторы предоставляют учёным единственный способ определить климатические закономерности в прошлом, до начала ведения учёта.

К косвенным климатическим индикаторам относятся:

измерения стабильных изотопов в ледяных кернах, темпы роста в годичных кольцах деревьев, видовой состав субфоссильной пыльцы в озёрных отложениях или фораминифер в океанических отложениях, температурные профили скважин, а также стабильные изотопы и минералогия кораллов и карбонатных сталактитов и сталагмитов. В каждом случае индикатор был подвержен влиянию определённого сезонного климатического параметра (например, летней температуры или интенсивности муссонов) . Интерпретация климатических индикаторов требует ряда дополнительных исследований, включая калибровку чувствительности индикатора к климату и перекрёстную проверку между индикаторами«Climate Change 2001: 2.3.2.1 Palaeoclimate proxy indicators.» .

Прокси-данные (косвенные климатические индикаторы) можно комбинировать для получения температурных реконструкций, охватывающих период, превышающий , что может способствовать критическому анализу изменения климата. Географическое распределение прокси-данных о климате, как и инструментальных записей, неравномерно, больше записей находится в северном полушарии.

Косвенные климатические индикаторы (прокси) Прокси-методы применяются при изучении климата прошлого, за пределами периодов, когда доступны прямые измерения температуры.

Косвенные данные калибруют по независимым измерениям температуры или по другому, более точно откалиброванному, косвенному показателю в период их совпадения. После чего используют для интерпретации температуры за более ранние временные периоды.

Ледяные керны

Бурение

Ледяные керны представляют собой цилиндрические образцы, взятые из ледяных щитов в Гренландии, Антарктиде и Северной Америке«Core Location Maps.» . Первые попытки извлечения состоялись в 1956 году в рамках мероприятий Международного геофизического года . Использовалась 24 метровая модифицированная электродрель, установленная в 1968 году в лагере века, Гренландия, и на станции Бэрд в Антарктиде, позволявшая бурить на глубину 1,5 м льда за 40 минут. На глубине до 910 метров были взяты образцы керна (в диаметре 110 мм, длиной 6,1 м). Каждое последующее буровое оборудование совершенствовалось.

Прокси

Соотношение изотопологов молекул воды 16 O и 18 в ледяном керне используется для определения значений прошлых температур и накопления снега. Более тяжелый изотоп (18O) легче конденсируется при понижении температуры и легче выпадает в виде осадков, в то время как более лёгкому изотопу (16O) для выпадения осадков необходимы более низкие температуры. Чем дальше на север нужно отправиться, чтобы обнаружить повышенный уровень изотополога 18O, тем теплее был климатический период.

Помимо изотопов кислорода, вода содержит изотопы водорода — 1H (протий) и 2H (дейтерий) обычно обозначаемые как H и D (от дейтерий), также используемые в качестве индикаторов температуры. Исторически сложилось так, что ледяные керны из Гренландии анализировались на , а керны из Антарктиды — на δ-дейтерия. Анализ обоих параметров показывает совпадение результатов, поскольку оба отражают изотопное фракционирование воды.

Пузырьки воздуха во льду, содержащие захваченные парниковые газы (углекислый газ и метан) также помогают определить изменения климата в прошлом.

С 1989 по 1992 год, в рамках Европейского проекта, проводилось бурение в центральной Гренландии (по координатам 72° 35' с. ш., 37° 38' з. д.). Возраст льда в коренных породах в этом керне составлял:

3840 лет на глубине 770 м 40 000 лет на глубине 2521 м 200 000 лет или более на глубине 3029 м .

Потенциал ледяных кернов в Антарктиде по раскрытию климатических данных составляет 650 000 лет.

Карты расположения и полный список мест бурения ледяных кернов в США размещены на веб-сайте Национальной лаборатории ледяных кернов.

Годичные кольца

Дендроклиматология — наука, определяющая климат прошлого по деревьям, в первую очередь по годичным кольцам . Когда условия благоприятны для роста —годичные кольца шире, при неблагоприятных—уже. На ширину колец влияют два основных фактора— температура и влажность/доступность воды. Было доказано, что другие свойства годичных колец, такие как максимальная плотность поздней древесины (MXD), являются лучшими индикаторами, чем простая ширина кольца. (см. ).

Окаменелые листья Палеоклиматологи часто используют зубцы листьев для реконструкции среднегодовой температуры в прошлом, а размер листьев используют в качестве показателя среднегодового количества осадков. Тафономические процессы приводят к чрезмерному представлению более мелких листьев в палеонтологической летописи, что может искажать реконструкции. Однако недавние исследования показывают, что палеонтологическая летопись листьев может быть не сильно смещена в сторону мелких листьев. Новые подходы позволяют получать такие данные, как содержание углекислого газа в прошлом, из ископаемых устьев листьев. В исследовании 2014 года удалось использовать соотношение изотопов углерода-13 для оценки количества CO2 за последние 400 миллионов лет, и полученные результаты указывают на более высокую климатическую чувствительность к концентрации CO2 .

Скважины Измерение температуры на разных глубинах в скважинах используются в качестве индикаторов температуры. Данные скорректированы с учётом эффекта подъема тепла изнутри Земли, и инвертированы (математическая формула для решения матричных уравнений) для получения неоднозначной серии значений температуры поверхности. Существует несколько возможных реконструкций температуры поверхности, которые могут дать один и тот же профиль температуры в скважине. При реконструкции температур около 1500 г. н. э. скважины имеют временное разрешение в несколько столетий. В начале XX-го века их разрешение составляет несколько десятилетий; следовательно, они не обеспечивают полезной проверки . Однако они в целом сопоставимы. Для измерения температуры столетней давности используется шкала глубин около 150 метров, а для измерения температуры тысячелетней давности —500 метровEnvironmental News Network staff. «Borehole temperatures confirm global warming.» .

Преимущество скважин перед другими косвенными методами измерения температуры состоит в отсутствии калибровки: они показывают фактическую температуру. Однако они регистрируют температуру поверхности, а не температуру вблизи поверхности (1,5 метра), используемую для большинства «поверхностных» метеорологических наблюдений. Эти значения могут существенно отличаться в экстремальных условиях или при наличии снега на поверхности (на практике считается, что влияние на температуру в скважине в целом незначительно). Вторым источником ошибки является загрязнение скважины грунтовыми водами, влияющее на температуру, поскольку вода «переносит» с собой более современные значения температуры. Считается, что это влияние в целом незначительно и более актуально для мест с очень высокой влажностью. В ледяных кернах, где участок остается замёрзшим круглый год, нет влияния этого фактора.

Более 600 скважин на всех континентах использовались в качестве индикаторов для реконструкции температуры поверхности. Наибольшая концентрация скважин — в Северной Америке и Европе . Глубина их бурения обычно составляет от 200 до более чем 1000 метровEnvironmental News Network staff. «Borehole temperatures confirm global warming.» .

Температуры в скважинах Центральной Гренландии показывают "потепление за последние 150 лет примерно на 1 °C ± 0,2 °C, которому предшествовали несколько столетий похолодания. Этому предшествовал тёплый период (1000 г. н. э.), который был теплее конца XX века примерно на 1 °C. Скважина в ледяной шапке Антарктиды показывает, что температура в 1 г. н. э. была примерно на 1 °C выше, чем в конце XX векаBOREHOLES 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, .

Температуры в скважинах Гренландии опровергли прежнее неверное предположение о том, что «пространственный уклон равен временному уклону».

Кораллы

Кольца скелета океанических кораллов (или полосы) также содержат палеоклиматологическую информацию, подобно годичным кольцам деревьев. В 2002 году был опубликован отчёт докторов Лизы Грир и Питера Сварта из Университета Майами по соотношению стабильных изотопов кислорода в карбонате кальция кораллов. Более низкие температуры, как правило, заставляют кораллы использовать более тяжёлые изотопы в своей структуре, в то время как более высокие температуры приводят к тому, что в структуру коралла включается больше обычных изотопов кислорода . Более высокая солёность воды также способствует увеличению содержания более тяжелых изотопов. Образец коралла, взятый Грир из Атлантического океана в 1994 году и датируемый 1935 годом даёт усредненные годовые данные с 1935 по примерно 1994 год в форме синусоиды с циклом двенадцать-пятнадцать лет. Температура поверхностных вод также достигала пика каждые двенадцать с половиной лет. Однако, поскольку регистрация этой температуры практикуется только последние пятьдесят лет, корреляция между зарегистрированной температурой воды и структурой кораллов может быть установлена лишь на определённый период времени«Coral Layers Good Proxy for Atlantic Climate Cycles.» .

Пыльца Изучение доисторической пыльцы называется палинологией . Пыльца растений обнаруживается в отложениях, она чрезвычайно устойчива к разложению. По пыльце можно идентифицировать вид растения и соответственно сделать вывод о климатических условиях. Обилие пыльцы в определённый вегетационный период или год частично зависит от погодных условий предыдущих месяцев, поэтому плотность пыльцы даёт информацию о краткосрочных климатических условиях

Млекопитающие Грызуны — биологический индикатор климата .

Цисты динофлагеллят

Динофлагелляты встречаются в большинстве водных сред, некоторые виды образуют высокоустойчивые цистыРаспределение диноцист в поверхностных водах тесно связано с физическими характеристиками водоёмов. Распределение диноцист можно связать с условиями на поверхности моря, которые определяют характер распределения и численность таксонов (). В нескольких исследованиях, включая и, были собраны образцы кернов, полученные методом ящичного и гравитационного бурения, в Северной части Тихого океана, и проанализированы на палинологическое содержание для определения распределения диноцист и их связи с температурой поверхности моря, солёностью, продуктивностью и апвеллингом. Аналогичным образом, и используют керн, взятый в 1992 году на глубине 576,5 м в центральной части бассейна Санта-Барбара, для определения океанографических и климатических изменений за последние 40 тыс. лет в этом районе.

Озёрные и океанические отложения Палеоклиматологи изучают изотопы кислорода в составе океанических отложений . Аналогичным образом они измеряют слои варв (отложений мелкого и крупного ила или глины) слоистых озёрных отложений. На озерные варвы в основном влияют:

Летняя температура, которая показывает, сколько энергии необходимо для таяния сезонного снега и льда. Зимний снегопад определяет степень нарушения осадочных пород при таянии снега. Осадки«Climate Change 2001: 2.3.2.1 Palaeoclimate proxy indicators» .

Диатомовые водоросли, фораминиферы, радиолярии, остракоды и кокколитофоры — биотические индикаторы состояния озёр и океанов. Распределение их в отложениях является полезным индикатором. Соотношение изотопов кислорода в их раковинах также может использоваться в качестве индикатора температуры.

Изотопы воды и реконструкция температуры