Metody badania dawnego klimatu

Obserwowany wzrost temperatury planety w wyniku koncentracji dwutlenku węgla w atmosferze postawił przed naukowcami pytania, ile było dwutlenku węgla w atmosferze przed rozpoczęciem pomiarów bezpośrednich, czy wzrost ilości CO2 jest zjawiskiem naturalnym, czy też spowodowanym przez człowieka i jak to się ma do obserwowanego wzrostu temperatury.

Dane z niezbyt dalekiej przeszłości można pozyskać metodami bezpośrednimi, sięgając na przykład do dawnych pomiarów temperatury. Musimy mieć jednak świadomość, że nie były one robione pod kątem badań klimatu, a ich dokładność i metodyka pomiarowa pozostawiała sporo do życzenia, nawet odnośnie pomiarów wykonywanych raptem kilkadziesiąt lat temu. Sporo zamieszania narobiła m.in. zmiana sposobu pomiaru temperatury oceanów (stanowiących ¾ powierzchni Ziemi) w czasie II Wojny Światowej. Pomiary temperatury wskazywały, że globalna temperatura (suma temperatury lądów i oceanów) na początku lat ’40 XX wieku szybko wzrosła, a kilka lat później zaczęła spadać. Pomimo uwzględnienia szeregu wpływających na temperaturę zjawisk, jak aktywność słoneczna, oscylacja El Niño - La Niña, wybuchy wulkanów itp. odnotowany spadek temperatury wydawał się niewytłumaczalny. Co ciekawe, po przyjrzeniu się danym, okazało się, że temperatury lądowe nie wykazywały takiego czasowego wzrostu, jak pomiary oceaniczne.
A jakie okazało się wytłumaczenie? Przed II Wojną Światową, pomiary temperatury prowadziły USA i Wielka Brytania, lecz w czasie wojny 80% obserwacji wykonały statki amerykańskie, a brytyjskie jedynie 5%. Na statkach brytyjskich pomiar temperatury wody był wykonywany przez wyrzucenie wiadra za burtę, wyciągnięcie go i zmierzenia temperatury wody w wiadrze. Na statkach amerykańskich mierzona była temperatura wody pobieranej do maszynowni. Woda wyciągana w wiadrze parowała i wychładzała się, więc temperatura była zaniżona. Z kolei maszynownia była nagrzana, podnosząc temperaturę wody. I tym można wyjaśnić skok temperatury. Kiedy po wojnie Brytyjczycy podjęli ponownie pomiary i ich udział wzrósł do 50% światowych obserwacji, a udział pomiarów wykonywanych przez Amerykanów spadł do 30%, odnotowano spadkowy trend temperatury.
Ta, trochę anegdotyczna, ale jak najbardziej poważna opowieść, ilustruje trudności, z jakimi spotykamy się podczas tworzenia historycznych zestawień temperatury. Nawet stacje naziemne mają z tym problemy. W szczególności trzeba dokonywać korekt na miejskie wyspy ciepła i przenosić stacje daleko od miasta w inne miejsce. Również pomiary satelitarne wymagają różnorodnych korekt.

Wiarygodne pomiary koncentracji CO2 prowadzone metodami spektrometrycznymi to dopiero lata ’50 XX wieku, wcześniejsze pomiary metodami chemicznymi to czysty chaos. Przeanalizowanie stosowanych sposobów pomiaru i wyników pomiarowych to interesująca szkoła, jak uzyskać wyniki pomiaru bliskie losowych. Weźmy przykładowo pomiary koncentracji dwutlenku węgla w atmosferze przeprowadzone przez Lockharta w 1940. Jak twierdzą ich zwolennicy,  były one prowadzone za pomocą doskonałego analizatora gazów Haldane’a, skalibrowanego przez v. Slyke’a i wykorzystywanego wcześniej tysiące razy. Przeprowadzający pomiar badacze Lockhart i Court byli doświadczonymi naukowcami z Harvardu. A rezultaty? Wg samego Lockharta, 31 grudnia 1940 koncentracja CO2 w atmosferze wynosiła 900 ppm, mierzona 2 dni później podskoczyła do 1700 ppm, następnego dnia spadła do 1100 ppm, kolejnego osiągnęła minimum 400 ppm, aby kolejnego dnia wzrosnąć do 1600 ppm. Więc jaka właściwie była koncentracja CO2?
To odnośnie pomiarów bezpośrednich.

A im dalej w czasie, tym trudniej.
Jak więc naukowcy radzą sobie z problemem wyznaczenia dawnych wartości temperatury i koncentracji CO2? W badaniach paleoklimatu łączy się informacje z wielu różnych źródeł.
Aby określić temperaturę w przeszłości, naukowcy rekonstruują ją w oparciu o tzw. "proxy". W badaniach klimatu pojęcie to oznacza coś, co samo w sobie nie jest może szczególnie interesujące, ale na podstawie czego można uzyskać inne ważne informacje. W każdym przypadku konieczna jest staranna kalibracja proxy względem interesującej nas zmiennej. Słoje drzew, na przykład, są czułe na opady, temperaturę i inne sygnały, do tego mogą być najbardziej czułe na przykład o określonej porze roku.

Zapisy historyczne. To metoda bardzo prosta, ale i mało dokładna - na przykład w wielu miastach portowych zachowały się zapisy o tym, w których latach woda zamarzała, co daje pewne informacje jakościowe o temperaturze w zimie danego roku.

Zasięg lodowców górskich zależy od temperatury i opadów. W okresach chłodnych lodowce schodzą w doliny, a wraz z ocieplaniem się klimatu cofają się.

Odwierty głębinowe. Pozwalają na zanalizowanie, jak zmienia się temperatura wraz z głębokością - temperatury z powierzchni propagują się w głąb skorupy ziemskiej. Można w ten sposób analizować dość dokładnie zmianę temperatury na przeciągu stuleci, a szacunkowo nawet wielu tysięcy lat. Wiecej o odwiertach czytaj na unisci.com ang

Szyb do przeprowadzania odwiertów głębinowych

Rys. Szyb do przeprowadzania odwiertów głębinowych.

Grubość słojów drzew. To prosty przykład proxy temperaturowego. Znaczna część badań temperatury ostatnich stuleci czy nawet tysiącleci bazuje właśnie na słojach drzew - znacznikach rocznego wzrostu bardzo czułego na warunki klimatyczne i odzwierciedlającego wieloletnie zmiany klimatu.

Badanie słojów

Koralowce to inne żywe istoty, które reagują na zmiany w środowisku i mogą być wykorzystane jako proxy. Pozyskiwanie informacji na podstawie koralowców jest zbliżone do badania pni drzew.

Koralowce

Pyłki oraz pozostałości roślinne i zwierzęce w osadach jezior i oceanów to również używane powszechnie proxy. Każdego roku szczątki organiczne opadają na dno zbiornika wodnego, a te zapisy mogą być wydobyte za pomocą zagłębiania pustych w środku rur w miękkich osadach. Niektóre rośliny preferują określone temperatury, a znalezienie ich pyłków informuje nas o klimacie miejsca. 

badanie osadów

Przykładowo, pozostałości kopalne małżoraczków, okrzemków i mchów pozwoliły określić, że Antarktyda zamarzła ostatecznie 14 milionów lat temu. Szczegółowe informacje są w artykule dotyczącym zamarzania Antarktydy ang.

Zawartość pierwiastków w pozostałościach organizmów żywych. Przykładowo jednokomórkowce Foraminifera do swoich wapiennych muszli mogą wbudowywać magnez, i robią to tym intensywniej, im temperatura jest wyższa. Dzięki temu z analizy tych pierwiastków w osadach Foraminifera możemy określić temperaturę wody, w której żyły.

Cechy organizmów żywych, żyjących w danym czasie i miejscu. Mogą zależeć od temperatury, kwasowości środowiska itp. Przykładem proxy temperaturowego jest tak zwany Tex-86, wskaźnik temperatury oparty na liczbie pierścieni cyklopentanu w błonach lipidowych u pikoplanktonu Crenarchaeota, która zmienia się liniowo z temperaturą. Skład osadów z takich lipidów - które można znaleźć nawet w pokładach z okresu Kredy, może być więc wykorzystywany do określenia temperatury, w jakiej ten plankton przebywał. Metoda ta pozwoliła na stwierdzenie, że w późnej Kredzie temperatura Arktycznego oceanu wynosiła +15°C, w porównaniu do -15°C obecnie.

Skład rdzeni lodowych. Gigantyczne rdzenie lodowe z Antarktydy i Grenlandii zawierają bardzo wyraźny zapis zmian klimatu ostatnich setek tysięcy lat. Rekordowy rdzeń lodowy EPICA z Antarktydy, o długości 3 kilometrów, sięga 740 000 lat wstecz.

Wieża wiertnicza

Rys. Wieża wiertnicza do odwiertu rdzeni lodowych

Przygotowywanie rdzeni lodowych

Rys. Przygotowywanie rdzeni lodowych do transportu do laboratorium

Magazyn rdzeni lodowych

Rys. Magazyn rdzeni lodowych. Sumaryczna długość wydobytego rdzenia lodowego może sięgać nawet 3 kilometrów

Kawałek rdzenia przygotowany do badania

Rys. Kawałek rdzenia przygotowany do badania

Rdzeń lodowy GISP2

Rys. Rdzeń lodowy GISP 2 z głębokości 1855 m o długości 19 cm. Sekcja zawiera 11 wyraźnie widocznych warstw rocznych. Jasne pasy (zaznaczone strzałkami) odpowiadają warstwom letnim, ciemniejsze przyrostom zimowym.

Badacze potrafią odróżniać roczne warstwy lodowe i datują je na wiele sposobów. Skład tych warstw informuje o warunkach termicznych, w jakich się tworzyły. Dzięki tym badaniom udało się poznać gwałtowną historię zmian klimatu ostatnich setek tysięcy lat: długie okresy ostrych mrozów przerywane krótkimi okresami ciepłymi.

Czytaj więcej o rdzeniach lodowych na Wikipedii  ang

Skład rdzeni lodowych, a szczególnie zawartość w nich izotopów wodoru i tlenu, pozwala określić, jaki klimat panował w danym okresie. Molekuły wody zawierające ciężkie izotopy (deuter - ciężki izotop wodoru lub ciężki izotop tlenu 18O) znajdujące się w parze wodnej, w niskiej temperaturze kondensują szybciej, niż molekuły wody składające się z lekkich izotopów. Względna koncentracja ciężkich i lekkich izotopów wskazuje, jaka była temperatura podczas kondensacji, pozwalając na określenie, jaka była lokalna temperatura.

W bąbelkach uwięzionego w lodzie powietrza znajdują się też uwięzione gazy atmosferyczne, w tym gazy cieplarniane - dwutlenek węgla, metan i tlenek azotu, dzięki czemu można określić ich zawartość w ówczesnej atmosferze. Ale to nie wszystko - w każdej warstwie można znaleźć inkluzje, takie jak przywiany pył, popiół czy izotopy radioaktywne. Dzięki temu, że różnorodność proxy, które można pozyskać z rdzeni lodowych jest tak wielka, możemy badać temperaturę, poziom opadów, skład gazowy dolnych warstw atmosfery, erupcje wulkaniczne, rozmiar i typ pustyń, rozmiar czap polarnych czy pożary lasów.

Zawartość izotopów tlenu w osadach Foraminifera i określanie rozmiaru czap polarnych.

Żyjące w oceanach organizmy Framinifera wbudowują w swoje szkielety izotopy tlenu, a stosunek izotopów w ich osadach mówi nam, jaki był ten stosunek w środowisku oceanicznym. Możemy na tej podstawie określić rozmiar czap lodowych. W jaki sposób? Po tym, jak woda paruje z powierzchni oceanu, ciężki izotop 18O łatwiej kondensuje i opada w formie deszczu. Stopniowo woda zawiera coraz mniej izotopu 18O względem lekkiego 16O. Kiedy chmury docierają nad czapę polarną i woda opada w formie deszczu, zawiera znaczny niedobór 18O. Tak więc w czapie polarnej gromadzi się więcej 16O, niż było go w wodzie oceanicznej. W epokach, kiedy rosną czapy polarne (bogate w 16O), w oceanach (i w organizmach Foraminifera) rośnie względna koncentracja ciężkiego tlenu 18O, a stosunek ten zależy właśnie od tego, jak dużo wody bogatej w 16O jest uwięzionej w czapach polarnych.

Rozmiar czap polarnych

Woda paruje w relatywnie ciepłych wodach. Zanim woda opadnie w formie śniegu w rejonach polarnych, znacząca część szybciej kondensującego izotopu 18O zostanie z niej usunięta. W związku z tym lody czap polarnych mają w sobie mniejszą zawartość izotopu 18O niż woda w oceanie. Im czapy polarne ubogie w 18O są większe, tym większa jest nadwyżka tego izotopu w ocenie. Tak więc ze stosunku ilości 18O/16O w osadach (np. Foraminifera) można określić, jak duże były w danym okresie czapy polarne.

Pomiary względnej zawartości lekkich i ciężkich izotopów pierwiastków w skałach. Proxy temperaturowym jest też zawartość w związkach (np. CaCO3) ciężkich izotopów, np. węgla 13C i tlenu 18O względem ich lekkich odpowiedników. W niskich temperaturach preferowane jest tworzenie wiązań między ciężkimi izotopami pierwiastków względem tych, w których uczestniczą ich lżejsze izotopy. Metoda takiego pomiaru temperatury jest nie tylko niezależna od składu izotopowego otoczenia, lecz także umożliwia określanie temperatur nawet z bardzo starych pokładów skalnych. Problemem jest tu niewielka ilość ciężkich izotopów i niewielka obecnie ilość urządzeń będąca w stanie mierzyć stosunki lekkich i ciężkich izotopów.

Wszystkie te pomiary są pracochłonne i złożone, wymagają zaawansowanych metod statystycznych. Ponadto biorąc pod uwagę różne inne zjawiska wyniki często nie są jednoznaczne.

Czytaj więcej na temat:
- pomiarów paleoklimatyczneych na Wikipedii
- określania temperatur w prehistorii na Wikipedii
- złożoności pomiarów na realclimate.org
- wyglądu gorących epok w dziejach Ziemi na realclimate.org

Wiemy już, w jaki sposób możemy badać klimat wstecz. Stosowanie kilku metod jednocześnie pozwala wykryć ewentualne błędy i ustalić jaki był klimat. Jakie są więc wyniki badań? Co mówią o tym dawnym klimacie w kontekście globalnego ocieplenia? O tym przeczytasz w artykule Zmiany klimatu w przeszłości.

Wykonanie PONG, grafika GFX RedFrosch.



logowanie | nowe konto