Vaikival kevadel peab Rachel Carson läänemaist harja. "Sest siin on loodusmaastik kõnekas loodusjõude loonud jõudude koosmõjust, " kirjutab ta. „See on meie ees laiali nagu avatud raamatu lehed, kus saame lugeda, miks maa on selline, nagu ta on ja miks peaksime säilitama selle terviklikkuse. Kuid lehed jäävad lugemata. ”Ta kahetseb ohustatud maastiku kadumist, kuid võib sama hästi rääkida paleoklimaadi markeritest.
Selleks, et teada, kuhu lähete, peate teadma, kus olete olnud. See kehtib eriti kliimateadlaste kohta, kes peavad meie tuleviku käigu kaardistamiseks mõistma kogu planeedi nihke ulatust. Kuid ilma ajamasinata, kuidas nad saavad selliseid andmeid?
Nagu Carson, peavad nad ka Maa lehti lugema. Õnneks on Maa pidanud päevikuid. Kõik, mis lammutab iga-aastaseid kihte - ookeani korallid, koobastes stalagmiidid, pikaealised puud, pisikesed kooritud mereelukad -, hoiab tõeselt mineviku olusid. Kaugemale minekuks süvendasid teadlased ookeani põhjast ja jäistest poolustest sette- ja jääsüdamikke, mis kirjutavad oma mälestused tuha- ja tolmupurust ning pikaajaliselt kinni jäänud gaasi mullidest.
Teatud mõttes on meil siis ajamasinad: Kõik need puhverserverid räägivad pisut teistsuguse loo, mida teadlased saavad kokku põimida, et saada Maa minevikust täielikum arusaam.
Märtsis toimus Smithsoniani institutsiooni loodusloomuuseumis kolmepäevane Maa temperatuuri ajaloo sümpoosion, mis tõi õpetajad, ajakirjanikud, teadlased ja avalikkuse kokku, et parandada nende arusaamist paleoklimaadist. Õhtuse loengu ajal selgitasid kliimamudelid ja NASA Goddardi kosmoseuuringute instituudi direktor Gavin Schmidt ning Pennsylvania osariigi ülikooli maailmakuulus geoloog Richard Alley, kuidas teadlased kasutavad Maa mineviku kliimat kliimamudelite parandamiseks, mida me ennustamisel kasutame meie tulevik.
Siin on teie teejuht Maa kliimapasside juurde - mitte ainult seda, mida me teame, vaid ka seda, kuidas me seda tunneme.
Kuidas vaatame Maa mineviku kliimasse?
Maa varasemate kehastuste rekonstrueerimiseks kulub pisut loovust. Õnneks teavad teadlased peamisi kliimat mõjutavaid looduslikke tegureid. Nende hulka kuuluvad vulkaanipursked, mille tuhk blokeerib päikest, muutused Maa orbiidil, mis suunavad päikesevalgust erinevatele laiuskraadidele, ookeanide ja merejää ringlus, mandrite paigutus, osooniaugu suurus, kosmiliste kiirte lööklained ja raadamine. Neist kõige olulisemad on kasvuhoonegaasid, mis püüavad päikese soojust kinni, eriti süsinikdioksiid ja metaan.
Nagu Carson märkis, registreerib Maa neid muutusi oma maastikes: geoloogilistes kihtides, fossiilsetes puudes, fossiilsetes kestades, isegi kristalliseerunud roti pissil - põhimõtteliselt kõigele vanale, mis säilib. Teadlased saavad need päeviku lehed avada ja neilt küsida, mis sel ajal toimus. Puurõngad on eriti usinad rekordipidajad, registreerides aastarõngastes sademeid; jääsüdamikud võivad pidada erakordselt detailset arvestust peaaegu miljoni aasta taguste hooajaliste tingimuste kohta.
Jääsüdamikud paljastavad iga-aastased lumesadude kihid, vulkaaniline tuhk ja isegi ammu surnud tsivilisatsioonide jäänused. (NASA Goddard / Ludovic Brucker) Mida veel võib jäätuum meile öelda?
"Vau, seal on nii palju, " ütleb Alley, kes veetis viis põlluhooaega Gröönimaa jääkile jää koristades. Mõelge, mis on jäätuum tegelikult: aastatuhandeid tagasi ulatuva lumesaju kihtide ristlõige.
Kui lumi tekitab maapinna, sisaldab see väikseid õhuruume, mis on täidetud atmosfääri gaasidega. Postide juures maetakse vanemad kihid ja surutakse jääks, muutes need ruumid mineviku õhumullideks, nagu uurijad Caitlin Keating-Bitonti ja Lucy Chang kirjutavad Smithsonian.com. Teadlased kasutavad temperatuuri hindamiseks jää enda keemilist koostist (hapniku raskete ja kergete isotoopide suhe H2O-s). Gröönimaal ja Antarktikas ekstraheerivad teadlased Alley teadmata mõeldamatu pikkusega jääsüdamikke - mõned enam kui kahe miili pikkused!
Jääsüdamikud räägivad meile, kui palju konkreetsel aastal sadas lund. Kuid need paljastavad ka tolmu, meresoola, kaugetest vulkaaniplahvatustest tekkinud tuhka, isegi Rooma torustiku poolt põhjustatud saastet. "Kui see on õhus, on see jääs, " ütleb Alley. Parimatel juhtudel saame jääsüdamikud dateerida nende täpse aastaaja ja aastaga, loendades nende aastased kihid nagu puurõngad. Ja jääsüdamikud säilitavad need peened detailid, ulatudes tagasi sadade tuhandete aastate taha, muutes neist Alley, mida paleoklimaatiliste puhverserverite “kuldstandardiks” nimetatakse.
Oota, aga kas Maa ajalugu pole sellest palju pikem?
Jah see on õige. Paleoklimaadi teadlased peavad minema tagasi miljonite aastate taha - selleks vajame asju, mis on isegi vanemad kui jääsüdamikud. Õnneks on elul pikk rekord. Keerulise elu fossiilsed rekordid ulatuvad umbes 600 miljoni aasta taha. See tähendab, et meil on kindlad volitused kliimamuutuste osas, mis ulatuvad tagasi kaugele. Üks olulisemaid on konodontide - väljasurnud angerjataoliste olendite - hambad, mis ulatuvad 520 miljoni aasta taha.
Kuid mõned kõige levinumad kliimaproksid on praegusel ajajärgul veelgi vähemtähtsad. Foraminifera (tuntud kui „forams“) ja ränivetikad on üherakulised olendid, kes kipuvad elama ookeani merepõhjas ja pole sageli suuremad kui selle lause lõpus olev periood. Kuna nad on hajutatud kogu Maa peale ja olnud umbes juuraajast alates, on nad jätnud teadlastele tugeva fossiiliderekordi, et mõõta varasemat temperatuuri. Kasutades nende kestades hapniku isotoope, saame rekonstrueerida enam kui 100 miljoni aasta taguseid ookeanitemperatuure.
“Igas väljapoole suunatud põllupeenardes, igas käänulises rannas ja igas liivaviljas on maakera lugu, ” kirjutas Carson kunagi. Need lood, selgub, peituvad ka vetes, mis need rannad lõid, ja olendites, mis on väiksemad kui liivatera.
Foraminifera. (Ernst Haeckel) Kui palju kindlust meil sügava mineviku jaoks on?
Paleoklimaatiliste teadlaste jaoks on elu ülioluline: kui teil on Maal elunäitajaid, saate temperatuuri tõlgendada organismide jaotuse põhjal.
Kuid kui oleme tagasi jõudnud nii kaugele, et enam pole isegi konodonthambaid, oleme kaotanud oma põhinäitaja. Minevikus peame toetuma setete ja mineviku liustike markerite jaotusele, mida saame kliimamudelite ligikaudseks märkimiseks ekstrapoleerida. Nii et mida kaugemale me läheme, seda vähem volikirju meil on ja seda vähem detailseks muutub meie arusaam. "See muutub lihtsalt udusemaks ja udusemaks, " ütleb Smithsoniani paleobioloog Brian Huber, kes aitas sümpoosioni korraldada koos kaaslase paleobioloogi teadlase ja kuraatori Scott Wingiga.
Kuidas näitab paleoklimaat meile kasvuhoonegaaside olulisust?
Kasvuhoonegaasid, nagu nende nimi viitab, töötavad kuumuse püüdmise teel. Põhimõtteliselt moodustavad nad Maa jaoks isoleeriva teki. (Siin saate rohkem uurida põhikeemia kohta.) Kui vaatate varasema jääaja graafikut, näete, et CO2 tase ja jääaeg (või globaalne temperatuur) joonduvad. Rohkem CO2 võrdub soojemate temperatuuridega ja vähem jääga, ja vastupidi. "Ja me teame siin põhjuslikku seost, " märgib Alley. “See on peamiselt süsinikdioksiidist (vähem) jääni. Mitte vastupidi. ”
Samuti võime vaadata tagasi konkreetsetele hetktõmmistele õigel ajal, et näha, kuidas Maa reageerib mineviku süsinikupaikadele. Näiteks Maa tsensooilise ajastu äärmise soojenemise ajal umbes 55, 9 miljonit aastat tagasi eraldus süsinikku piisavalt, et atmosfääri süsinikdioksiidi kogus oleks umbes kahekordne. Sellest tulenevad kuumad olud mõjutasid laastavalt, põhjustades ulatuslikku rännet ja väljasuremist; peaaegu kõik, mis elas, kas kolis või kustus. Taimed närbunud. Ookeanid hapestati ja kuumutati kuni vannide temperatuurini.
Kahjuks võib see olla märk sellest, kuhu me läheme. "See on kliimamudelitele hirmutav, " ütleb Huber. „Kiirusega, mis me läheme, on just selline tagasilöögi aeg tagasi pöörduda.” Seetõttu aitab süsihappegaasi rolli mõistmine varasemates kliimamuutustes tuleviku kliimamuutusi prognoosida.
See kõlab üsna halvasti.
Jep.
Mulle avaldab muljet, kui palju paleoklimaalseid andmeid meil on. Kuid kuidas töötab kliimamudel?
Suurepärane küsimus! Teaduses ei saa te mudelit koostada, kui te ei mõista süsteemi aluspõhimõtteid. Nii et ainuüksi asjaolu, et suudame häid mudeleid teha, tähendab, et mõistame, kuidas see kõik töötab. Mudel on sisuliselt reaalsuse lihtsustatud versioon, mis põhineb sellel, mida me füüsika ja keemia seadustest teame. Insenerid kasutavad matemaatilisi mudeleid ehitiste ehitamiseks, millele miljonid inimesed tuginevad, lennukitest sildadeni.
Meie mudelid põhinevad andmete raamistikul, millest suur osa pärineb paleoklimaatiliste volikirjade hulgast, mille teadlased on kogunud igast maailmanurgast. Sellepärast on nii oluline, et andmed ja mudelid oleksid omavahel vestluses. Teadlased testivad oma ennustusi kaugemast minevikust pärit andmete põhjal ja püüavad tekkida võivaid lahknevusi parandada. "Saame minna ajas tagasi, hinnata ja kinnitada nende mudelite tulemusi, et teha paremaid ennustusi tulevikus toimuvaks, " ütleb Schmidt.
Siin on mudel:
See on kaunis. Ma kuulen, et mudelid pole kuigi täpsed.
Oma olemuselt on mudelid alati valed. Mõelge neile kui lähendile, meie parimatele arvamistele.
Kuid küsige endalt: kas need arvamised annavad meile rohkem teavet kui meil varem oli? Kas need pakuvad kasulikke ennustusi, mida meil muidu poleks? Kas need võimaldavad meil esitada uusi, paremaid küsimusi? "Kui me kõik need bitid kokku paneme, saame lõpuks midagi, mis sarnaneb väga planeediga, " ütleb Schmidt. „Me teame, et see on puudulik. Me teame, et on asju, mida me pole kaasatud, me teame, et oleme pannud asju, mis on natuke valed. Kuid põhimudelid, mida me nendes mudelites näeme, on äratuntavad ... kui mustrid, mida me satelliitides pidevalt näeme. ”
Seega peaksime tuleviku ennustamiseks neid usaldama?
Mudelid reprodutseerivad tõetruult mustreid, mida näeme Maa minevikus, olevikus ja mõnel juhul ka tulevikus. Nüüd oleme jõudnud kohta, kus saame võrrelda varajasi kliimamudeleid - 1980ndate lõpu ja 1990ndate mudeleid, mille kallal töötas Schmidti NASA meeskond - tegelikkusega. “Kui ma tudeng olin, rääkisid varased modellid meile, kuidas läheb soojaks, ” räägib Alley. “See toimub. Mudelid on edukalt ennustavad ja selgitavad: nad töötavad. ”Olenevalt sellest, kus te seisate, võib see teile öelda„ Oh jumal! Meil oli õigus! ”Või„ Oh ei! Meil oli õigus. ”
Mudelite täpsuse kontrollimiseks pöörduvad teadlased tagasi paleokliimaalsete andmete juurde, mille Alley ja teised on kogunud. Nad juhivad mudeleid kaugesse minevikku ja võrdlevad neid andmetega, mis neil tegelikult on.
"Kui me suudame korrata iidseid mineviku kliimasid, kus me teame, mis juhtus, siis see tähendab, et need mudelid on meile tõesti heaks vahendiks, et teada saada, mis tulevikus juhtuma hakkab, " ütleb Syracuse ülikooli paleoklimaatiline teadlane Linda Ivany. Ivany uurimisproksid on iidsed karbid, mille kestades registreeritakse mitte ainult aastased olud, vaid ka üksikud talved ja suved, mis ulatuvad 300 miljoni aasta taha - see teeb neist väärtusliku viisi mudelite kontrollimiseks. "Mida paremini modellid mineviku taastamisel saavad, " ütles ta, "seda paremad on nad tuleviku ennustamisel."
Paleokliima näitab meile, et Maa kliima on dramaatiliselt muutunud. Kas see ei tähenda, et suhtelises mõttes pole tänapäeva muudatused suur asi?
Kui Richard Alley üritab seletada inimtegevusest tingitud kliimamuutuste raskust, kutsub ta sageli esile iga-aastase konkreetse nähtuse: igal aastal Los Angelese küngastes lõõmavad tulekahjud. Need tulekahjud on etteaimatavad, tsüklilised, looduslikud. Kuid oleks hull öelda, et kuna tulekahjud on norm, on hea lasta ka süütajatel tulekahjusid süüdata. Samuti ei tähenda asjaolu, et kliima on miljonite aastate jooksul muutunud, seda, et inimtekkelised kasvuhoonegaasid ei oleks tõsine ülemaailmne oht.
"Meie tsivilisatsiooni eelduseks on stabiilne kliima ja merepinna tase, " ütleb Wing, "ja kõik, mida me minevikust teame, ütleb, et kui paned atmosfääri palju süsinikku, muutuvad kliima ja mere tase radikaalselt."
Alates tööstusrevolutsioonist on inimtegevus aidanud maakera soojendada 2 kraadi F, mis on veerand sellest, mida Schmidt peab “jääaja ühikuks” - temperatuuri muutuse kohta, mida Maa läbib jääaja ja muu kui jääaja vahel. Tänapäeva mudelid ennustavad 2100. aastaks soojenemist veel 2–6 kraadi Celsiuse järgi - see on vähemalt 20 korda kiirem kui viimase 2 miljoni aasta jooksul toimunud soojenemise aeg.
Muidugi on ebakindlust: "Me võiksime arutleda selle üle, kas oleme natuke liiga optimistlikud või mitte, " ütleb Alley. "Kuid ei arutata palju selle üle, kas meil on liiga hirmutav või mitte." Arvestades seda, kui head meil enne olid, peaksime ajalugu ignoreerima.
