Paleoklimatológia je veda, ktorá skúma klímu predošlých geologických období na Zemi v časoch, keď ešte neboli možné priame meteorologické merania a pre ktoré teda neexistujú žiadne ľuďmi zaznamenané meteorologické dáta. Paleoklimatológia je interdisciplinárna veda zaoberajúca sa geologickou históriou Zeme, ktorá využíva poznatky z rôznych vedných disciplín, ako sú napríklad paleontológia, paleogeografia, paleoceanografia, meteorológia, atmosférická chémia, geofyzika a v posledných rokoch aj astronómia a astrofyzika. Úlohou paleoklimatológie je rekonštrukcia a následné skúmanie dávnych klimatických podmienok, čo nám umožňuje lepšie pochopiť evolúciu dnešnej klímy, jej prirodzenú variabilitu a citlivosť. Keďže z historických období, ktorými sa paleoklimatológia zaoberá neexistujú žiadne priame meteorologické merania, paleoklimatológovia využívajú nepriame indikátory prírodných podmienok, tzv. proxy dáta, ktoré získavajú z hĺbkových vrtov, usadených hornín, ľadových príkrovov, letokruhov stromov alebo aj živých organizmov ako sú napríklad koraly či lastúrniky, poprípade ich mikrofosílie. Tieto dáta môžu poskytovať informácie o atmosférickom zložení, teplote vzduchu a oceánu, zrážkach, suchu, chemickej kompozícií oceánov, zmene hladiny morí, rozlohe a hrúbke ľadovcov alebo zmenách v slnečnom žiarení. S využitím špeciálnych technológií na datovanie týchto záznamov sú paleoklimatológovia schopní určiť historickú podobu atmosféry Zeme.
Medzi najvýznamnejšie obdobia, ktorými sa paleoklimatológovia zaoberajú patria doby ľadové, počas ktorých došlo k výraznému poklesu teploty, ako napríklad počas obdobia Mladšieho dryasu. Ďalej tam patria aj obdobia rapídneho globálneho oteplenia ako napríklad Paleocénno-eocénne tepelné maximum počas ktorého vzrástla priemerná povrchová globálna teplota o 5 K až 8 K. Štúdium historických klimatických zmien nám poskytuje množstvo informácií o ich dopade na životné prostredie a biodiverzitu, čo nám môže pomôcť lepšie pochopiť a predpovedať dopad súčasných zmien na masové vymieranie druhov alebo globálne otepľovanie.
História
17.19. storočie V 17. storočí dánsky vedec a katolícky kňaz Niels Stensen (1638-1686) definoval zákony stratigrafie, ktoré vysvetľovali vznik sedimentárnych hornín a ich využitia ako časového záznamu striedania etáp dejín Zeme. Napríklad tvrdil, že nálezy fosílií morských mušlí vo vysokohorských oblastiach poukazujú na priebeh dynamických procesov, ktoré formovali vývoj Zeme. Na jeho prácu neskôr nadviazal aj James Hutton (1726-1797), ktorý sformuloval teóriu opakujúceho sa cyklu ukladania sedimentov na morskom dne prostredníctvom ich dvíhania, erózie a ponárania. V 17. storočí boli paleontologické a geologické dôkazy po prvý krát prepojené s dlhodobými klimatickými zmenami. Napríklad v roku 1686 anglický polyhistor Robert Hooke (1635-1703) na základe nálezu fosílií z obdobia Jury v južnom Anglicku odvodil, že klíma na danom území musela byť v minulých obdobiach podstatne teplejšia.
V priebehu 18. storočia sa začala s príchodom osvietenstva a rozvojom geológie ako modernej vednej disciplíny rozvíjať teória existencie obdobia praveku, ktoré časovo presahovalo doloženú históriu ľudstva. Na začiatku 19. storočia došlo k prvému rozdeleniu dejín Zeme na geologické obdobia a ich usporiadaniu do geologickej časovej stupnice. Zároveň vznikali aj prvé vedecké opisy pravekých biotopov a ich klimatických podmienok. Avšak, časové rozmery jednotlivých období boli až do 20. storočia výrazne podceňované kvôli nedostatočným geochronologickým analytickým metódam.
Jednou z najvýznamnejších osobností 19. storočia bola jednoznačne Eunice Newton Foote (1819-1888), ktorá v roku 1856 preukázala absorpciu slnečného žiarenia oxidom uhličitým a vodnou parou, čím odhalila vplyv koncentrácie CO2 v atmosfére na klimatickú zmenu.
Karl Friedrich Schimper (1803–1867) bol nemecký botanik a geológ, ktorý ako prvý opísal vplyv javov počasia ako je krupobitie, vietor a dážď na fosílny záznam. Navyše bol zástancom teórie globálnej zimy, počas ktorej boli rozsiahle územia Európy pokryté vrstvou ľadu. Doteraz sa považuje za priekopníka paleoklimatológie v nemecky hovoriacich krajinách.
Oswald Heer (1809–1883), švajčiarsky botanik a paleontológ, navrhol využitie rastlinných fosílií na odvodenie klímy pravekých biotopov. Okrem toho, jeho diela „Flora fossilis arctica – Die fossile Flora der Polarländer“ a „Die Urwelt der Schweiz“ (Pravek Švajčiarska) sú považované za uznávané diela v odbore paleobotaniky, prostredníctvom ktorých sa mu podarilo osloviť aj širšiu verejnosť.
Švajčiarsky prírodovedec Louis Agassiz (18071873) dospel na základe rozsiahleho terénneho prieskumu v Alpách k záveru, že vznik niektorých zo skúmaných útvarov je možné vysvetliť len na základe potenciálneho celoplošného zaľadnenia, čím prispel k potvrdeniu historickej ľadovej doby. Avšak, existencia kvartérnej doby ľadovej bola uznaná až v rokoch 18701880. náhľad|Svante Arrhenius (1859-1927) Švédsky fyzik a chemik Svante Arrhenius (18591927) vo svojej práci "O vplyve oxidu uhličitého v ovzduší na teplotu zemského povrchu" (1896) prepojil zmeny v atmosférickej koncentrácií oxidu uhličitého so striedaním ľadových a medziľadových dôb. Taktiež vypočítal skleníkový efekt oxidu uhličitého a predpovedal globálne otepľovanie spôsobené priemyselným spaľovaním fosílnych palív. Svojou prácou významne prispel k pochopeniu klimatických zmien počas rôznych geologických období.
20.21. storočie Albrecht Penck (18581945) a Eduard Brückner (18601917) vydali medzi rokmi 1901 až 1909 trojzväzkové dielo "Alpy v dobe ľadovej" (Die Alpen im Eiszeitalter), v ktorom poskytli detailný opis štyroch alpských ľadových dôb a vytvorili základ pre stratigrafické datovanie v alpskej oblasti. Toto dielo významne prispelo k výskumu kvartérnej doby ľadovej.
V roku 1911 britský geológ Arthur Holmes (18901965) ako prvý použil rádiometrické datovanie minerálov na určenie veku hornín a jeho výskum ukázal, že kambrium sa začalo pred približne 600 miliónmi rokov (v súčasnosti je začiatok kambria datovaný na 542 miliónov rokov). náhľad|Wegenerov nákres možnej podoby vzniku súčasného rozloženia kontinentov z prehistorického superkontinentu Pangea. Alfred Lothar Wegener (18801930) bol nemecký vedec a polárny výskumník, ktorý ako prvý prišiel s teóriou pohybu kontinentov, pričom zhromažďoval dôkazy, ktoré poukazovali na zmenu v historickom usporiadaní litosferických platní a existenciu prehistorického superkontinentu Pangea. Avšak, nevedel vysvetliť príčiny pohybu kontinentov a za možné vysvetlenie považoval pôsobenie odstredivých síl Zeme a neskôr príťažlivé sily Slnka a Mesiaca, pričom obidve tieto vysvetlenia boli vedeckou obcou zamietnuté.
Za otca modernej paleoklimatológie sa považuje nemecký vedec Martin Schwarzbach (1907-2003), ktorého dielo Das Klima der Vorzeit (1950) sa považuje za pioniersku prácu v danom odbore a bolo v priebehu desaťročí opakovane aktualizované.
Ešte v druhej polovici 20. storočia bola paleoklimatológia považovaná prevažne za deskriptívnu vednú disciplínu, ktorá sa spoliehala na datovanie záznamov získaných z proxy dát a na nich založených opisoch vtedajších klimatických podmienok. Neskôr však došlo k rozvoju paleoklimatológie na interdisciplinárny vedný odbor a jej prepojenie s inými prírodovednými disciplínami, čo umožnilo paleoklimatológom porozumieť fyzikálnym príčinám a vzájomným vzťahom medzi klimatickými udalosťami, pochopiť základné faktory vplývajúce na klimatický systém Zeme a určiť ich význam pre súčasný a budúci stav klímy. náhľad|Znázornenie Milankovičových cyklov. Vplyv periodických zmien v orbite Zeme okolo Slnka na množstvo prijatého slnečného žiarenia a zaľadnenie Zeme za posledných 1 milión rokov. V súčasnosti sa na rekonštrukciu minulých a predpovede budúcich klimatických podmienok čoraz častejšie využívajú počítačové modely. Počítačové klimatické modely sú kalibrované na základe aktuálnych a historických scenárov, takže vo všeobecnosti majú vysokú úroveň presnosti pri rekonštrukcií dávnych klimatických podmienok, ako aj projekcií možných budúcich klimatických zmien. V modeloch sa ráta s premenami ožiarenia vysokých zemepisných šírok vplyvom Milankovičových cyklov, ktoré opisujú zmeny v obežnej dráhe Zeme okolo Slnka a smeru zemskej osi v priebehu tisícročí, ktoré startujú aj ukončujú obdobia zaľadnenia.
Vďaka značným pokrokom v oblasti počítačových klimatických modelov a radiometrického datovania sa darí naďalej upresňovať a rekonštruovať časové ohraničenia historických období a udalostí ako sú masové vymierania alebo klimatické výkyvy.
Rekonštrukcia historických klimatických podmienok náhľad|264x264bod|Rekonštrukcia priemernej globálnej teploty za posledných 500 miliónov rokov s použitím paleoklimatologických metód.
Na rekonštrukciu klimatických podmienok historických geologických období využívajú paleoklimatológovia širokú škálu rôznych metód v závislosti od faktora, ktorý je cieľom rekonštrukcie (napr. zrážky, teplota, chemické zloženie...) a historického obdobia – čím staršie je geologické obdobie, tým náročnejšia je rekonštrukcia jeho klímy. Napríklad, získavaním izotopických dát z oceánskych sedimentov je možné rekonštruovať len posledných 200 miliónov rokov geologického záznamu, keďže oceánske litosféry podliehajú subdukcií. Staršie sedimenty sú taktiež často znehodnotené procesom diagenézy. Vplyvom týchto faktorov dochádza k zníženiu množstva a kvality dát v geologickom zázname.
Rekonštrukcia starovekých klimatických podmienok si vyžaduje využitie špeciálnych techník na analýzu sedimentárnych vrstiev a horninových útvarov v kombinácií s radiometrickým datovaním na základe prvkov ako sú uhlík alebo urán.
Príklady proxy dát pre rekonštrukciu starovekých klimatických podmienok
Priame kvantitatívne meranie Jedná sa o porovnanie medzi súčasnými a historickými dátami. Túto metódu je však možné využiť len pri priamych klimatických dátach, ktoré sme získali za posledných 150 rokov, keďže meteorologické merania započali len v polovici 19. storočia. Pri rekonštrukcií starších klimatických scenárov je nutné využitie komplexnejších metód.
Nepriame indikátory (proxy ukazovatele)
Ľad náhľad|Rozlíšenie ľadovcových vrstiev z ľadovcového jadrového vrtu. Ľadové jadrá alebo jadrové vzorky patria medzi najlepšie zdroje klimatických záznamov. Získavajú sa hĺbkovými vrtmi do alpínskych ľadovcov alebo kontinentálnych ľadovcových štítov v Antarktíde a Grónsku, pričom pri vhodných podmienkach umožňujú presnú rekonštrukciu regionálneho podnebia v časovom horizonte tisícov rokov. Doposiaľ najstarší záznam, približne 800 000 rokov, bol získaný z jadrového vrtu v Antarktíde v rámci projektu EPICA (European Project for Ice Coring in Antarctica).
Dáta z ľadových jadier sa získavajú predovšetkým z uväznených vzduchových bublín, ktoré slúžia ako záznam atmosférického zloženia z doby formácie danej vrstvy ľadu. Významné sú jednoznačne zachytené koncentrácie oxidu uhličitého a metánu, od ktorých sa odvíja veľkost skleníkového javu.náhľad|Porovnanie izotopov kyslíka-18 získaných z ľadovcového vrtu Vostok a EPICA.Na základe hrúbky ľadovej vrstvy je možne odvodiť dáta o teplote a zrážkach. Množstvo a druh prítomných izotopov kyslíka, predovšetkým kyslíka-18 a kyslíka-16, poskytuje informácie o priemernej teplote oceánu. Vodné molekuly obsahujúce ťažší kyslík-18 (δ18O) sa vyparujú pri vyšších teplotách než molekuly obsahujúce bežný kyslík-16. Pomer medzi kyslíkom-16 a kyslíkom-18 bude vyšší pri vyšších teplotách. Avšak na tento pomer má vplyv aj salinita a globálny objem ľadu. Ďalší zdroj dát predstavujú zrniečka peľu, na základe ktorých je možné určiť flóru a z nej odvodenú faunu prítomnú v danom období, ako aj teplotu a množstvo zrážok. Okrem druhu a množstva jednotlivých rastlín, je teda možné rekonštruovať približnú podobu starovekých ekosystémov. Štúdiom peľu, semien a spór v sedimentoch sa zaoberá palynológia.