Paleoklimatoloji

Paleoklimatoloji ya da Taşıl iklimbilimi, doğrudan ölçümlerin alınmadığı iklimlerin incelenmesidir. Araçsal kayıtlar Dünya tarihinin yalnızca küçük bir bölümünü kapsadığından, eski iklimin yeniden inşası, doğal çeşitliliği (varyasyonu ) ve mevcut iklimin evrimini anlamak için önemlidir. Paleoklimatoloji, kayalar, tortular, sondaj delikleri, buz tabakaları, ağaç halkaları, içinde korunmuş verileri elde etmek için Dünya ve yaşam bilimlerinden çeşitli PROXY yöntemlerini kullanır. Vekilleri tarihlendirme teknikleriyle birleştirilen bu paleoiklim kayıtları, Dünya atmosferinin geçmiş durumlarını belirlemek için kullanılır.

Paleoklimatolojinin bilimsel alanı 20. yüzyılda olgunlaştı. Paleoklimatologlar tarafından incelenen kayda değer dönemler, Dünya'nın geçirdiği sık buzullaşma, YOUNGER DRYAS (soğuk iklim koşulları ve kuraklığın jeolojik kısa dönemidir.) gibi hızlı soğuma olayları ve Paleosen–Eosen Termal Maksimum sırasındaki hızlı ısınma hızıdır. Çevrede ve biyoçeşitlilikte geçmişte meydana gelen değişikliklerle ilgili çalışmalar, genellikle mevcut duruma, özellikle de iklimin kitlesel yok oluşlar ve biyotik iyileşme ve mevcut küresel ısınma üzerindeki etkisi üzerine yansır.

Değişen iklim kavramları, muhtemelen uzun süreli kuraklık ve sellerin yaşandığı eski Mısır, Mezopotamya, İndus Vadisi ve Çin'de gelişti. On yedinci yüzyılda Robert Hooke, Dorset'te bulunan dev kaplumbağa fosillerinin, Dünya'nın eksenindeki bir kayma ile açıklanabileceğini düşündüğü bir zamanlar daha sıcak olan bir iklimle açıklanabileceğini öne sürdü. O dönemde fosiller, genellikle İncil'deki bir selin sonucu olarak açıklandı. 19. yüzyılın başlarında amatör astronom Heinrich Schwabe tarafından başlatılan güneş lekelerinin sistematik gözlemleri, Güneş'in Dünya'nın iklimi üzerindeki etkisine ilişkin bir tartışma başlattı.

Paleoklimatolojinin bilimsel çalışma alanı, 19. yüzyılın başlarında, buzullar ve dünyanın geçmiş iklimindeki doğal değişikliklerle ilgili keşiflerin sera etkisini anlamaya yardımcı olduğu zaman daha da şekillenmeye başladı. Paleoklimatoloji ancak 20. yüzyılda birleşik bir bilimsel alan haline geldi. Daha önce, Dünya'nın iklim tarihinin farklı yönleri çeşitli disiplinler tarafından inceleniyordu. 20. yüzyılın sonunda, Dünya'nın eski iklimlerine ilişkin deneysel araştırmalar, karmaşıklığı artan bilgisayar modelleriyle birleştirilmeye başlandı. Bu dönemde de yeni bir hedef geliştirildi: mevcut iklim değişikliği hakkında bilgi sağlayabilecek eski analog iklimler bulmak.

Paleoklimatologlar, eski iklimleri anlamak için çok çeşitli teknikler kullanmışlardır. Kullanılan teknikler, hangi değişkenin yeniden yapılandırılması gerektiğine (sıcaklık, yağış veya başka bir şey) ve ilgili iklimin ne kadar önce meydana geldiğine bağlıdır. Örneğin, izotopik verilerin çoğunun kaynağı olan derin deniz kaydı, yalnızca sonunda batan okyanus plakalarında bulunur: kalan en eski malzeme 200 milyon yaşındadır. Daha eski çökeltiler ayrıca diyajenez nedeniyle bozulmaya daha yatkındır. Verilerdeki çözünürlük ve güven zamanla azalmaktadır.

Dağ buzulları ve kutup buzulları / buz tabakaları, paleoklimatolojide pek çok veri sağlar. Grönland ve Antarktika'daki buzullardaki buz kazma projeleri, EPICA projesinde 800.000 yıldan fazla, birkaç yüz bin yıl öncesine ait veriler sağlamıştır.

- Düşen kar içinde hapsolmuş hava, kar buzulda daha sonraki yılların karının ağırlığı altında sıkışarak buza dönüştüğü için minik kabarcıklarla kaplanır. Hapsolmuş hava, buzun oluştuğu andan itibaren hava bileşiminin doğrudan ölçümü için son derece değerli bir kaynak olduğunu kanıtlamıştır.

- Buz katmanlarındaki Oksijen-18 miktar değişiklikleri (-18O), ortalama okyanus yüzey sıcaklığındaki değişiklikleri temsil eder. Daha ağır O-18 içeren su molekülleri, normal Oksijen-16 izotopunu içeren su moleküllerinden daha yüksek bir sıcaklıkta buharlaşır. O-18'in O-16'ya oranı sıcaklık arttıkça daha yüksek olacaktır. Ayrıca, suyun tuzluluğu ve buz tabakalarında hapsolmuş su hacmi gibi diğer faktörlere de bağlıdır. Bu izotop oranlarında çeşitli döngüler tespit edilmiştir.

- Polen, buz çekirdeklerinde gözlendi ve hangi bitkilerin oluştuğunu anlamak için kullanılabilir. Polen bol miktarda üretilir ve dağılımı tipik olarak iyi anlaşılır. Belirli bir katman için bir polen sayısı, o katmanın kontrollü bir örneğinde türe (şekle) göre kategorize edilen toplam polen miktarı gözlemlenerek üretilebilir. Zaman içinde bitki sıklığındaki değişiklikler, çekirdekteki polen sayımlarının istatistiksel analizi yoluyla çizilebilir. Hangi bitkilerin mevcut olduğunu bilmek, yağış ve sıcaklık ile mevcut fauna türlerini anlamayı sağlar. Palinoloji, bu amaçlar için polen çalışmalarını içermektedir.

- Volkanik kül bazı katmanlarda bulunur ve katman oluşumunun zamanını belirlemek için kullanılabilir. Her volkanik olay, kendine özgü bir dizi özelliğe (parçacıkların şekli ve rengi, kimyasal imza) sahip kül dağıttı. Kül kaynağının oluşturulması, buz tabakasıyla ilişkilendirmek için bir zaman aralığı oluşturacaktır.

Çok uluslu bir konsorsiyum, Avrupa Antarktika Buz Çekme Projesi (EPICA), Doğu Antarktika buz tabakasında Dome C'de bir buz çekirdeği kazdı ve yaklaşık 800.000 yıl önce buz aldı. Uluslararası buz çekirdeği topluluğu, Buz Çekirdeği Bilimlerinde Uluslararası Ortaklıklar (IPICS) himayesi altında, Antarktika'dan mümkün olan en eski buz çekirdeği rekorunu elde etmek için öncelikli bir proje tanımladı; bu, 1,5 milyon yıl öncesine kadar uzanan bir buz çekirdeği rekorudur.

İklim bilgisi, ağaç büyümesindeki değişikliklerin anlaşılmasıyla elde edilebilir. Genellikle ağaçlar, iklim değişkenlerindeki değişikliklere büyümeyi hızlandırarak veya yavaşlatarak yanıt verir; bu da genellikle büyüme halkalarında daha fazla veya daha az kalınlık ile yansıtılır. Ancak farklı türler, iklim değişkenlerindeki değişikliklere farklı şekillerde yanıt verir. Bir ağaç halkası kaydı, belirli bir bölgedeki birçok yaşayan ağaçtan bilgi toplanarak oluşturulur.

Çürümeden kaçan daha eski bozulmamış ahşap, halka derinliği değişikliklerini çağdaş örneklerle eşleştirerek rekorun kapsadığı süreyi uzatabilir. Bu yöntemi kullanarak, bazı bölgelerde birkaç bin yıl öncesine ait ağaç halkası kayıtları var. Çağdaş bir kayıtla bağlantısı olmayan eski ahşap, genellikle radyokarbon teknikleriyle tarihlendirilebilir. Bir ağaç halkası kaydı, belirli bir alana karşılık gelen yağış, sıcaklık, hidroloji ve yangınla ilgili bilgi üretmek için kullanılabilir.

- Bazen kaya oluşturmak üzere taşlanmış tortular, belirli iklim bölgelerinin özelliği olabilecek korunmuş bitki örtüsü, hayvan, plankton veya polen kalıntılarını içerebilir.

- İzotopik oranlar daha fazla bilgi sağlanabilir. Spesifik olarak, δ18O kaydı, sıcaklık ve buz hacmindeki değişikliklere yanıt verir ve δ13C kaydı, genellikle çözülmesi zor olan bir dizi faktörü yansıtmaktadır.

Daha uzun bir zaman ölçeğinde, kaya kayıtları deniz seviyesinde yükselme ve düşme belirtileri gösterebilir ve "fosilleşmiş" kum tepeleri gibi özellikler belirlenebilir. Bilim adamları, milyarlarca yıl öncesine dayanan tortul kayaları inceleyerek uzun vadeli iklimi kavrayabilirler. Dünya tarihinin ayrı dönemlere bölünmesi, büyük ölçüde, koşullardaki büyük değişiklikleri sınırlayan tortul kaya katmanlarındaki görünür değişikliklere dayanmaktadır. Genellikle, iklimde büyük değişimler içerirler.

Mercan "halkaları", su sıcaklığı, tatlı su akışı, pH değişiklikleri ve dalga hareketi gibi farklı şeylere tepki vermeleri dışında ağaç halkalarına benzer. Oradan, son birkaç yüzyıldaki deniz yüzeyi sıcaklığını ve su tuzluluğunu elde etmek için belirli ekipmanlar kullanılabilir. Mercan kırmızısı alglerinin δ18O değeri, birçok geleneksel tekniğin sınırlı olduğu yüksek enlemlerde ve tropik bölgelerde deniz yüzeyi sıcaklığı ve deniz yüzeyi tuzluluğunun birleşik bir temsilini sağlamaktadır.

İklimsel jeomorfolojide bir yaklaşım, eski iklimleri ortaya çıkarmak için yer şekillerini yeniden incelemektir. Genellikle geçmiş iklimler hakkında endişe duymak, iklimsel jeomorfoloji bazen tarihsel jeolojinin bir teması olarak kabul edilir. İklimsel jeomorfoloji, jeomorfolojik kayıtlarda nadiren fark edilebildiğinden, yakın zamandaki (Kuaterner, Holosen) büyük iklim değişikliklerini incelemek için sınırlı bir kullanım alanına sahiptir.

Jeokronoloji alanında, belirli vekillerin kaç yaşında olduğunu belirlemeye çalışan bilim adamları vardır. Ağaç halkaları ve mercanların yakın zamandaki vekil arşivleri için ayrı yıl halkaları sayılabilir ve kesin bir yıl belirlenebilir. Radyometrik tarihleme, vekillerdeki radyoaktif elementlerin özelliklerini kullanır. Daha eski materyalde, radyoaktif materyalin çoğu bozulmuş olacak ve farklı elementlerin oranı yeni vekillerden farklı olacaktır. Radyometrik tarihlemeye bir örnek, radyokarbon tarihlemesidir. Havada, kozmik ışınlar sürekli olarak nitrojeni belirli bir radyoaktif karbon izotopu olan 14C'ye dönüştürür. Bitkiler daha sonra bu karbonu büyümek için kullandıklarında, bu izotop artık yenilenmez ve çürümeye başlar. 'Normal' karbon ve Karbon-14 oranı, bitki materyalinin atmosferle ne kadar süredir temas halinde olmadığına dair bilgi verir.

Birinci bir atmosfer gazların oluşması düşünülmüştü güneş bulutsu, esas olarak, hidrojeni, ek olarak, şu anda Jüpiter ve Satürn gibi gaz devlerinde bulunanlar gibi basit hidritler, özellikle de su buharı, metan ve amonyak olabilirdi. Güneş bulutsusu dağıldıkça, gazlar, kısmen güneş rüzgârının etkisiyle kaçacaktı.

Büyük ölçüde nitrojen, karbondioksit ve inert gazlardan oluşan bir sonraki atmosfer, dev asteroitler tarafından Dünya'nın geç ağır bombardımanı sırasında üretilen gazlarla desteklenen volkanizmadan gaz çıkışı ile üretildi . Karbondioksit emisyonlarının büyük bir kısmı kısa süre sonra suda çözüldü ve karbonat tortuları oluşturdu.

Su ile ilgili çökeltilerin 3,8 milyar yıl öncesine ait olduğu bulundu. Yaklaşık 3,4 milyar yıl önce, nitrojen o zamanki istikrarlı "ikinci atmosfer" in en önemli parçasıydı. Atmosferin tarihinde çok yakında yaşamın bir etkisi hesaba katılmalıdır çünkü erken yaşam formlarının ipuçları 3,5 milyar yıl öncesine kadar uzanıyordu.  Erken Güneş'in %30 daha düşük güneş ışımasıyla (bugüne kıyasla) tam olarak uyumlu olmaması gerçeği, " zayıf genç Güneş paradoksu " olarak tanımlanmıştır.

Bununla birlikte, jeolojik kayıtlar, yaklaşık 2,4 milyar yıl önceki bir soğuk buzul fazı dışında, Dünya'nın erken dönem sıcaklık kayıtları sırasında sürekli olarak nispeten sıcak bir yüzey gösteriyor . Arkaya çağının sonlarında, görünüşe göre 2,7 milyar yıl önce stromatolit fosilleri olarak bulunan fotosentez yapan siyanobakterilerden (bkz. Büyük Oksijenasyon Olayı ) oksijen içeren bir atmosfer gelişmeye başladı . İlk bazik karbon izotopisi (izotop oranı oranları) bugün bulunanlarla oldukça uyumluydu ve bu da karbon döngüsünün temel özelliklerinin 4 milyar yıl kadar erken bir zamanda tesis edildiğini göstermektedir.

Kıtaların levha tektoniği tarafından sürekli yeniden düzenlenmesi, karbondioksiti büyük kıtasal karbonat depolarına ve bu depolardan aktararak atmosferin uzun vadeli evrimini etkiler. Büyük Oksijenasyon Olayı sırasında yaklaşık 2,4 milyar yıl öncesine kadar atmosferde serbest oksijen yoktu ve görünüşü bantlı demir oluşumlarının sonunda belirtiliyor . O zamana kadar fotosentez tarafından üretilen oksijen, başta demir olmak üzere indirgenmiş materyallerin oksidasyonu ile tüketiliyordu. Oksijen üretim hızı indirgeyici malzemelerin mevcudiyetini aşmaya başlayıncaya kadar serbest oksijen molekülleri atmosferde birikmeye başlamadı. Bu nokta, indirgeyici bir atmosferden oksitleyici biratmosfer. O 2, Prekambriyen sonunda% 15'in üzerinde sabit bir duruma ulaşana kadar büyük farklılıklar gösterdi.  Aşağıdaki zaman aralığı olduğu Fanerozoyik oksijen nefes alma sırasında çok uzun zaman, metazoan canlılar görülmeye başlamıştı.

Atmosferdeki oksijen miktarı, son 600 milyon yılda dalgalanma göstermiş ve Karbonifer döneminde % 35'lik bir zirveye  ulaşarak bugünün% 21'inden önemli ölçüde daha yüksektir. Atmosferdeki değişiklikleri iki ana süreç yönetir: bitkiler atmosferdeki karbondioksiti kullanır, oksijen açığa çıkarır ve pirit ve volkanik patlamaların parçalanması kükürt açığa çıkar, oksitlenen ve dolayısıyla atmosferdeki oksijen miktarını azaltan atmosfere. Bununla birlikte, volkanik püskürmeler, bitkilerin oksijene dönüştürebildiği karbondioksiti de serbest bırakır. Atmosferdeki oksijen miktarındaki değişmenin kesin nedeni bilinmemektedir. Atmosferde çok oksijen bulunan dönemler, hayvanların hızlı gelişimi ile ilişkilidir. Günümüz atmosferi, hayvanların hızlı gelişimi için yeterince yüksek olan% 21 oksijen içermektedir.

2020'de bilim adamları, son 66 milyon yıl boyunca Dünya'nın iklimindeki değişimlerin sürekli, yüksek doğrulukta bir kaydını yayınladılar ve değişen sera gazı seviyeleri ve kutup buz tabakası hacimlerini içeren geçişlerle ayrılmış dört iklim durumu belirlediler . Çeşitli kaynakların verilerini entegre ettiler. Dinozor neslinin tükenmesinden bu yana en sıcak iklim durumu olan "Sera", 56 Mya'dan 47 Mya'ya kadar dayandı ve ortalama modern sıcaklıklardan ~ 14 °C daha sıcaktı.

Geç Prekambriyen iklimi, dünyanın büyük bir kısmına yayılan bazı büyük buzullaşma olaylarını gösterdi . Bu sırada kıtalar Rodinia süper kıtasında toplanmıştı. Kartopu Dünyası hipotezine yol açan devasa kiremit birikintileri ve anormal izotopik imzalar bulundu. As Proterozoik Eon sona ererken, Toprak ısınmaya başladı. Kambriyen ve Fanerozoik'in şafağında, Kambriyen patlamasında, ortalama küresel sıcaklıklar yaklaşık 22 °C olan yaşam formları boldu.

Sanayi öncesi çağların başlıca etkenleri, güneşin farklılıkları, volkanik küller ve soluklar, dünyanın güneşe doğru göreceli hareketleri ve büyük deniz akıntıları, havzalar ve okyanus salınımlarında olduğu gibi tektonik olarak tetiklenen etkiler olmuştur. Erken Phanerozoik'te, artan atmosferik karbondioksit konsantrasyonları, artan küresel sıcaklıkları sürmek veya yükseltmekle ilişkilendirilmiştir. Royer ve ark. 2004  Phanerozoik'in geri kalanı için bugünün modern değer aralığına benzer olduğu hesaplanan bir iklim hassasiyetini buldu.

Tamamen buzul bir Dünya ile buzsuz bir Dünya arasındaki küresel ortalama sıcaklık farkının yaklaşık 10 °C olduğu tahmin ediliyor, ancak yüksek enlemlerde ve düşük enlemlerde çok daha büyük değişiklikler gözlemlenmiştir. Büyük ölçekli buz tabakalarının geliştirilmesi için bir gereklilik, kutuplarda veya yakınında kıtasal kara kütlelerinin düzenlenmesidir. Kıtaların levha tektoniği tarafından sürekli yeniden düzenlenmesi, uzun vadeli iklim evrimini de şekillendirebilir. Bununla birlikte, kutuplarda kara kütlelerinin varlığı veya yokluğu, buzulları garanti altına almak veya kutup buzullarını hariç tutmak için yeterli değildir. Benzer kutup kara parçası iken Kanıt Dünya iklimi geçmiş sıcak dönemlerin var Antarktika ev vardı buz tabakaları yerine yaprak döken ormanlar mevcuttu.

Jura ve Kretase arasındaki nispeten ılık yerel minimum, Pangaea süper kıtasının parçalanması nedeniyle yitim ve okyanus ortası sırt volkanizmasının  artışıyla birlikte gider.

Sıcak ve soğuk iklimler arasındaki uzun vadeli evrimin üst üste bindirilmesi, iklimde mevcut buzul çağının değişen buzul ve buzullararası durumlarına benzer ve bazen daha şiddetli birçok kısa vadeli dalgalanma olmuştur . Paleosen-Eosen Termal Maksimum gibi en şiddetli dalgalanmalardan bazıları, okyanuslardaki doğal metan klatrat rezervuarlarının ani çökmelerinden kaynaklanan hızlı iklim değişiklikleriyle ilişkili olabilir.

Kretase-Paleojen neslinin tükenmesi olayının nedeni olarak, bir göktaşı çarpmasından sonra meydana gelen benzer, tek bir şiddetli iklim değişikliği olayı önerilmiştir . Diğer önemli eşikler, önerilen çeşitli nedenlerle Permiyen-Triyas ve Ordovisiyen-Silüriyen nesli tükenme olaylarıdır.

Kuaterner jeolojik dönem geçerli bir iklime sahiptir. Geçtiğimiz 2,2-2,1 milyon yıldır (Geç Neojen Dönemindeki Kuaterner'den önce başlayan) bir buz-buzul çağı döngüsü yaşanmıştır.

İklim zorlaması, Dünya tarafından alınan ışıyan enerji (güneş ışığı ) ile uzaya giden uzun dalga radyasyon arasındaki farktır . Radyatif CO dayalı ölçülür zorlamalara miktardan Tropopausedaki Dünya yüzeyinde meydana gelen metrekare başına watt birimi cinsinden.  bağlı olarak radyatif dengesi, gelen ve giden enerji, toprak ya da aşağı ısıtır yukarı veya soğur. Güneş değişikliklerden Dünya ışınımsal denge kaynaklanır güneşlenme ve konsantrasyonlarının sera gazları ve aerosoller. İklim değişikliği, Dünya küresindeki iç süreçlerden ve / veya dış zorlamalardan kaynaklanıyor olabilir.

Dünya'nın iklim sistemi gerektirir atmosfer, biyosfer, kryosfer, hidrosfer ve litosfer dünyanın kürelerden bu süreçlerin toplamını iklimi etkileyen şeydir. Sera gazları, iklim sisteminin içsel zorlaması olarak hareket eder. İklim bilimi ve paleoklimatolojideki özel ilgi alanları zorlamaların toplamına yanıt olarak dünya iklim duyarlılığının incelenmesine odaklanmaktadır.

Milyonlarca yıllık zaman ölçekleri üzerinde, sıradağların yükselmesi ve ardından kayaların ve toprakların ayrışma süreçleri ve tektonik plakaların batması, karbon döngüsünün önemli bir parçasıdır. Ayrışma, minerallerin kimyasallarla (özellikle CO2 ile silikat ayrışması) reaksiyona girmesi ve böylece CO2'yi atmosferden uzaklaştırarak ve ışıma zorlamasını azaltarak CO2'yi tutar. Bunun ters etkisi, atmosfere CO2 yayarak doğal sera etkisinden sorumlu olan ve böylece buzullaşma (Buz Devri) döngülerini etkileyen volkanizmadır. James Hansen, insanların geçmişte doğal süreçlerden 10.000 kat daha hızlı CO2 saldığını öne sürüldü.

Buz tabakası dinamikleri ve kıta konumları (ve bağlantılı bitki örtüsü değişiklikleri), dünya ikliminin uzun vadeli evriminde önemli faktörler olmuştur. Dünya tarihinde CO2'nin küresel sıcaklıklar üzerinde güçlü bir kontrole sahip olduğu CO2 ile sıcaklık arasında da yakın bir korelasyon vardır.