Paleoklimatologia
Paleoklimatologia on tiede, joka tutkii ilmaston yleistä luonnetta maapallolla ja sen eri
alueilla ajalta ennen nykyisenlaisia meteorologisia mittaushavaintoja. Se selvittää muinaisen ilmaston vaihteluita analysoimalla fossiilikerrostumia ja jäätikköön kerrostunutta jäätä. Kerrostumia tutkimalla selviävät muun muassa jääkausiajat. Muinaisia lämpötiloja päätellään muun muassa hapen eri lajien määristä, hyönteislajistoista ja kasvilajistoista.
Ilmaston kehittymistä tutkitaan muun muassa seuraamalla happi-isotooppien suhteita jäätiköissä. Jäähän kairataan hyvin syvä reikä, josta saadaan pötkömäisiä jäänäytteitä. Koska jäätikölle satanut lumi jää uusien sateiden alle, tiivistyy se lumen painon alla tiukkaan ja muuttuu paineesta johtuen lopulta jääksi. Johtoajatuksena on, että mitä syvemmältä kairataan jäänäytteitä, sen vanhempia ne ovat. Kairausnäytteen ikä lasketaan kerroksien lukumääristä, sillä vuodenaikojen vaihtelut näkyvät näytteissä.
Jää on veden kiinteä olomuoto, ja vesimolekyylissä on kaksi vety- ja yksi happiatomi (kaava: HO). Veden hapessa esiintyy yleisempinä kahta isotooppia, joita merkitään esimerkiksi O (painoltaan kevyempi) ja O (raskaampi). Isotooppia O esiintyy keskimmäärin 0,20 % hapen määrästä, kun taas isotooppia O on 99,76 %. Kairausnäytteissä hapen isotooppien osuudet kuitenkin vaihtelevat. Isotooppien määrän vaihteluita ilmoitetaan suhdelukuna δ (luetaan: delta-O18), joka lasketaan lausekkeella:
Koska vesimolekyyli, jossa on happena O ja joka siksi painaa enemmän, haihtuu merestä hieman hitaammin, kuin O sisältävä vesimolekyyli. Pilviin kertyy siten vettä, jonka O pitoisuus on alempi kuin veden O- pitoisuus. Pitoisuuteen vaikutta lisäksi ilman ja veden lämpötilat. Lämpöisissä oloissa O- pitoisuus kohoaa, koska raskaamman veden haihtuminen paranee silloin huomattavasti.
Navoille, ja jääkauden aikana muillekin jäätiköille, meren haihtunut kosteus kulkeutui tuulten mukana ja satoi siellä lumena alas jäätikölle. Kylmistä meristä syntyneet pilvet sisältävät pieniä O- pitoisuuksia. Jos lämpimien merien synnyttämät pilvet pääsisivät satamaan jäätiköille, nousisi O- pitoisuus. Ilmastomallien mukaan päiväntasaajan seutujen kosteutta satoi jäätiköille runsaammin juuri silloin, kun maapallolla oli keskimmääräistä kylmempää. Suuret lämpötilaerot jäätikköalueiden ja päiväntasaajan välillä kääntävät tuulet useimmin jäätiköille päin. Sateet jäätiköillä lisääntyivät ja sateet sisälsivät runsaasti lämpimän meren korkeita O- pitoisuuksia.
Tämän mallin mukaan suuret O-määrät kairausnäytteissä kertovat ilmaston kylmenemisestä, koska jääkausi viilentää ilmastoa eniten napojen lähettyvillä.
Happi-isotooppien vaihteluita voidaan mitata myös merenpohjan kerrostumissa olevien kotiloeläinten kuorista. Happi-isotooppitutkimuksen keksi tanskalainen tutkija Willi Dansgaard, joka oli porauttamassa ensimmäistä jäänäytettä 1966. Suoraan esimerkiksi Grönlannin jään happi-isotoopin muutos ajan mukana ei lämpötilanmuutoksia kerro, koska jääkaudella kulkeutui eri määriä raskasta happea kuin nyt ja happi-isotoopin määrän ja lämpötilan suhde oli silloin erilainen.
Lämpötila voi myös vaihdella eri alueilla eri tavalla. Ajoitukset, jotka on tehty muun muassa jäästä otetuista hiilidioksidikuplista, ovat hyvin epätarkkoja ja vaihtelevat tuhansia vuosia eri jäänäytteiden välillä. Näin ollen jäänäyte kertoo tarkimmin lämpötilan muutosjärjestyksen, joka sekin on arvokas tieto tutkijoille. Muita lämpötilailmaisimia ovat raskas vety sekä hiilidioksidin ja metaanin määrät. Raskasta vetyä on vedessä ja se toimii lämpötilailmaisimena samaan tapaan kuin O. Metaanin ja hiilidioksidin määrät mitataan jäässä olevista pienistä ilmakuplista. Metaania ja hiilidioksidia on lämpimämpinä aikoina enemmän, koska kasvit tuottavat niitä ja ne ovat itse kasvihuonekaasuja, jotka lämmittävät ilmaa.
Jääkausien aikana on ilmassa runsaasti pölyä jäätikön lössiaroilta, jotka ovat jääkausiaikoina laajoja. Pölyn määrän vaihtelu kertoo myös lämpötilan muutoksista.
Strontiumin eri painoisten alalajien Sr/Sr pitoisuudet kertovat meren suolaisuudesta. Aragoniitissa CaCO strontium korvaa kalsiumia riippuen lämpötilasta. Täten, jos meriveden lämpötila on korkea, on paljon strontiumkarbonaattia (SrCO) kalsiumkarbonaatin (CaCO) seassa. Muita mahdollisia korkealämpötilassa kalsiumin korvaajia ovat kadmium, barium ja mangaani.
Siitepölyjen suhteelliset osuudet kertovat paljon alueen lämpötiloista. Siitepölyä voi kulkeutua kauaskin. Jääkaudesta voi kertoa esimerkiksi marunan ("Artemisia") ja ruohojen "Poacaeae" siitepölyjen määrän kasvu, ja puiden, esimerkiksi männyn "Pinus" siitepölyn määrän väheneminen Keski-Euroopassa.
Fossiilisten piilevien sekä hyönteisten lajistojakauma kertoo lämpötilan muutoksista. Lämpötilasta kertovat myös lajien pohjoisrajat pohjoisella pallonpuoliskolla.
Eläin- ja kasvilöydöt kertovat alueen muinaisesta lämpötilasta ja muistakin olosuhteista, esimerkiksi aroeläinten löydöt ja kovakuoriaislöydöt. Tietyt simpukkalajit viihtyvät kylmässä ja toiset lämpimässä.
Koralliriuttojen alueella tapahtuu joskus maan kohoamista. Maan kohoamisnopeus voidaan todeta nykyisin. Eräällä riutalla kohoamisnopeus on ollut vakio kauan aikaa. Kohoaminen ja merenpinnan vaihtelut jättävät merenrantoja eri korkeuksille. Merenpinnan ikä voidaan mitata esimerkiksi hiili-14 menetelmällä.
Merenpohjan kerrostumista on tehty monenlaiska muinaista ilmastoa koskevia mittauksia. Plioseenin ja pleistoseenin ajalta ovat tutkijat koettaneet rakentaa Milankovicin jaksoihin perustuvan ajoitusjärjestelmän SPECMAP:in. Tätä rakennettaessa on käytetty monia kairausnäytteitä mistä on mitattu lämpötilan kanssa vaihteleva raskaan hapen määrä. Raskaan hapen käyrä on sovitettu laskettuihin milankovicin jaksoihin eli Maan akselin ja radan vaihteluihin, jotka vaikuttavat lämpötilaan. SPECMAP:ia laadittaessa esiintyi kuitenkin "ylisovittamista" (engl. "overtuning") eli käytetyt menetelmät toivat merenpohjan kerrostumista mitattuihin käyriin joitain piirteitä joita niissä ei alun perin ollut.
Jääkauden aikaisia ilmastonmuutoksia ja jäätikön koon vaihtelua on simuloitu jonkin verran tietokoneilla, mutta ilmastomallit eivät liene vielä kovinkaan tarkkoja. Tunnettu malli on esimerkiksi CLIMBER-2. Uusia supertietokoneita ja malleja kehitetään jatkuvasti.