Jak lód, drzewa, koralowce i osady pomagają nam zrekonstruować 2,6 miliona lat historii klimatu: wprowadzenie do paleoklimatologii

Zmienność klimatu zależy zarówno od czynników naturalnych, jak i antropogenicznych. Te pierwsze obejmują szeroki zakres skal czasowych, od milionów lat (ruchy tektoniczne) do dziesiątek lat (aktywność słoneczna i wulkaniczna). Z kolei czynniki antropogeniczne występują wyłącznie w skali ludzkiej, i to znacznie intensywniej w ostatnich dziesięcioleciach okresu przemysłowego.

Ponieważ nie jesteśmy w stanie bezpośrednio zmierzyć minionego klimatu, musimy wykonać jego rekonstrukcje. Odbywa się to za pomocą tak zwanych zapisów opartych na proxy: danych pobranych z szeregu naturalnych źródeł, na które miał wpływ klimat tamtych czasów. Różne źródła zapisów klimatycznych są znane jako archiwa. Aby archiwum było dokładne i przydatne, musi:

• być wrażliwe na zmiany klimatyczne, takie jak zmiany temperatury czy opady atmosferyczne 
• być w stanie zarejestrować te zmiany, aby można je było interpretować dzisiaj
• być ciągłe, tak aby mogło obejmować długie okresy czasu bez brakujących informacji
• utrzymywać stały związek między wskaźnikiem a klimatem w czasie (tzw. zasada aktualizmu)
• być reprezentatywne dla badanego regionu – niektóre archiwa dostarczają tylko informacji lokalnych, podczas gdy inne mogą powiedzieć nam o szerszym regionie, a nawet całej planecie.

2,6 miliona lat historii klimatu

Im starsze archiwum, tym trudniej jest uzyskać z niego wiarygodne informacje, częściowo ze względu na sam klimat, który zaciemnia lub zaciera ślady pozostawione w przeszłości. Z tego powodu najczęściej badanym okresem w paleoklimatologii jest czwartorzęd, który obejmuje mniej więcej ostatnie 2,6 miliona lat aż do dnia dzisiejszego. Czwartorzęd jest również okresem geologicznym, w którym kontynenty, oceany i globalne prądy atmosferyczne najbardziej przypominały te, które znamy dzisiaj. Ułatwia nam to interpretację i badanie klimatu w tym okresie.

Różne naturalne archiwa mogą pomóc nam zrekonstruować klimat w czwartorzędzie, lecz każde z nich ma inną charakterystykę. Jednym ze szczególnie ważnych czynników jest to, co nazywamy rozdzielczością archiwum, czyli z jaką precyzją możemy datować jego informacje. Może się ona wahać od określonego stulecia lub dekady do określonego roku, a nawet do określonego sezonu w tym roku.

Można powiedzieć, że każdy rodzaj archiwum jest napisany innym językiem - językiem, który paleoklimatolodzy muszą rozszyfrować. Istnieje wiele różnych typów archiwów, ale tutaj przyjrzymy się tym najczęściej używanym. 

Rdzenie lodowe

Lód występujący na ziemskich obszarach polarnych i wysokogórskich gromadził się w różnych cyklach lodowcowych w czwartorzędzie. Te kolejne warstwy lodu zawierają cenne informacje o bardzo długich okresach czasu, z rozdzielczością do jednego roku.

Drobne pęcherzyki powietrza, które zostają uwięzione w masach lodu podczas ich formowania, są małymi próbkami składu atmosfery w tym czasie. Badając je, możemy dowiedzieć się na przykład, ile dwutlenku węgla znajdowało się w atmosferze w danym momencie tysiące lat temu. Chociaż mogą dokładnie rekonstruować długie okresy czasu, archiwa te znajdują się w odległych i niedostępnych obszarach i są bardzo delikatne, co sprawia, że ich konserwacja oraz transport są kosztowne.


Zdjęcie: CC BY-SA

Koralowce

Koralowce tworzą swoje szkielety poprzez wytrącanie węglanu wapnia, który zawiera informacje o warunkach temperaturowych środowiska, w którym się uformował. Chociaż okresy, które można zrekonstruować za pomocą tych archiwów, są stosunkowo krótkie (zwykle mniej niż 1000 lat), ich rozdzielczość może być sezonowa. Archiwa te są zwykle ograniczone do regionów tropikalnych.


Zdjęcie: US Geological Survey/Flickr

Słoje drzew

Słoje drzew są prawdopodobnie najczęściej wykorzystywanym archiwum w rekonstrukcji paleoklimatycznej w ostatnim tysiącleciu. Dzieje się tak, ponieważ są one niezwykle dokładne. Wzrost słojów drzew jest sezonowy, co oznacza, że możemy precyzyjnie określić wiek próbki. Ponadto archiwa te są wrażliwe na zmiany środowiskowe, co oznacza, że bardzo wyraźnie rejestrują zmiany klimatyczne. Ich ciągłość czasowa i niemal globalna dystrybucja są kolejnym powodem ich powszechnego stosowania.


Zdjęcie: CC BY-SA

Osady morskie i jeziorne

Osady – zarówno z dna morskiego, jak i dna jezior – są doskonałym archiwum paleoklimatycznym. Znajdują się na całej planecie i przechowują informacje o bardzo długich okresach czasu – do setek tysięcy lat. W niektórych przypadkach - takich jak osady warwowe, które są pozostawione w warstwach sezonowych - mogą mieć rozdzielczość mniejszą niż rok. Archiwa te są jednak zwykle dotknięte działalnością człowieka, co oznacza, że oferowane przez nie ramy czasowe nie zawsze są całkowicie dokładne.


Zdjęcie: CC BY-SA

Formacje skalne w jaskiniach

Formacje skalne w jaskiniach, znane jako nacieki, obejmują struktury takie jak stalaktyty i stalagmity. Archiwa te zapewniają zapisy klimatyczne o wysokiej rozdzielczości dla długich okresów czasu - dziesiątek, a nawet setek tysięcy lat. Umożliwiają one również rekonstrukcję klimatu w wielu różnych środowiskach hydrologicznych, od suchych pustyń po obszary cechujące się wysokimi opadami deszczu. Metody datowania stosowane w tych archiwach są zwykle bardzo wiarygodne, ale często oferują niekompletne zapisy. Ponadto może występować pewna niespójność między klimatem powierzchniowym a tym zarejestrowanym w podziemnej jaskini.


Zdjęcie: CC BY-SA

Źródła dokumentalne

Dokumenty historyczne – takie jak dzienniki, księgi parafialne lub rolnicze rejestry czasów kwitnienia i zbiorów – są również przydatne do rekonstrukcji klimatu. To, co czyni te archiwa interesującymi, to różnorodność źródeł, a także ich wyraźne datowanie i dokładność. Większość tych archiwów znajduje się wokół północnego Atlantyku i Pacyfiku.

Klimatyczna układanka

Zadaniem paleoklimatologii jest porównanie wszystkich tych różnych archiwów ze sobą w celu uzyskania spójnej rekonstrukcji przeszłości. Jak można zauważyć, każde z nich ma swoje mocne i słabe strony, ale połączone w jedną wielką klimatyczną układankę mogą pomóc nam dokładnie zrekonstruować klimat z przeszłości.

Dzięki badaniom w tej dziedzinie możemy śmiało stwierdzić, że tempo i charakterystyka obecnych zmian klimatycznych znacznie różnią się od innych naturalnych zmian klimatu w czwartorzędzie. W badaniu współczesnych zmian klimatu możemy wiele wyciągnąć z jego przeszłości.