Aby dokładniej oszacować prawdopodobieństwo przyszłego ocieplenia klimatu, naukowcy badają nie tylko rzeczywisty stan systemu klimatycznego Ziemi czy prawdopodobny w jej przyszłości, ale również uważniej przyglądają się, jak w przeszłości geologicznej przebiegał klimat, a zwłaszcza jego znacznie większe ocieplenie od współczesnego.
Dzięki coraz lepiej zaawansowanym technikom pomiarowym, po 50 latach żmudnych badań pośrednich (proxies), coraz lepiej poznajemy przeszłość geologiczną pod względem zmian klimatu.
Zarówno bliższą, jak i dalszą przeszłość klimatu, bada się metodami izotopowymi, za pomocą których ustala się zegar geologiczny.
Czyli, w zakres bliższej przyszłości wchodzą głównie badania słojów drzew i rdzeni lodowych, rdzeni koralowców, stalagmitów, aparatów szparkowych, pyłków kopalnych oraz aktywności słonecznej. Natomiast w zakres dalszej przyszłości wchodzą już badania głównie tzw. paleozoli (gleb kopalnych), odwiertów głębinowych w osadach morskich i jeziornych; organizmów morskich: pancerzyków i muszli wymarłych bezkręgowców, np. otwornic bentosowych, molekuł atomów węgla w organizmach glonów, tzw. alkenonów, archeowców, jak np. paleotermometr TEX 86.
Wszystkie powyżej wymienione badania odegrały kluczową rolę w rekonstrukcji klimatu całej ery kenozoicznej. W szczególności paleowskaźnik TEX 86 przyczynił się do ustalenia względnej rozdzielczości czasowej w zbadaniu nie tylko ery mezozoicznej i paleozoicznej w naszym eonie fanerozoiku, ale i także eonów starszych jak proterozoik i archaik). W szczególności z roku na rok są coraz bardziej udoskonalane prace badawcze pod kątem obserwacji temperatur w poszczególnych okresach, a w bliższej przyszłości, także w wyższej rodzielczości czasowej, w epokach geologicznych podanych w danych okresach. A te z kolei są sklasyfikowane w erach. No a te w eonach.
Temat paleowskaźnika TEX 86 został szeroko opisany przez Jessicę E. Tierney z Instytutu Oceanograficznego Woods Hole oraz przez Martina P. Stangleya z Wydziału Statystyki i Meteorologii, w Stanowym Uniwersytecie Pensylwanii.
—-
—-
Fot. Pokryte żłobieniami czerwone i brązowe paleozole w Painted Hills of John Day Fossil Beds National Monument, Oregon
—-
W dalszej przeszłości geologicznej na dynamikę systemu klimatycznego Ziemi miały wpływ różnorodne czynniki, jak geologiczne (tektonika płyt) czy typowo fizyczne atmosferyczne i hydrologiczne (cyrkulacje atmosferyczne i oceaniczne). W historii Ziemi, na zmienności i zmiany klimatu miał także chociaż jeden czynnik pozaziemski, jak np. asteroida. Najlepiej opisany i poznany z końca mezozoicznego okresu kredy i początku kenozoicznego paleogenu.
Era kenozoiczna przez bardzo długi czas nie była dokładnie zbadana pod względem zrozumienia dynamiki systemu klimatycznego naszej planety. W szczególności słabo było to ujęte, przez 34 milionów lat temu.
—-
Badanie z września 2020 roku przedstawione w Science, ukazało nam nowe oblicze klimatu kenozoicznego.
Główny autor publikacji, Thomas Westerhold z Centrum Nauk o Środowisku Morskim (MARUM – Centre for Marine Environmental Sciences) na Uniwersytecie w Bremie, tłumaczy:
Naszym celem było stworzenie nowego zestawu danych o przeszłości klimatu, który nie tylko uwzględnia dane o najwyższej rozdzielczości, ale także jest precyzyjniej datowany. Wiemy teraz dokładniej, kiedy na naszej planecie było cieplej lub zimniej, a także lepiej rozumiemy rządzącą tymi zmianami dynamikę… To był ogromny wspólny wysiłek wielu kolegów z całego świata, aby odzyskać próbki materiału, przeanalizować je i skompilować do postaci jednej krzywej.
Współautor, Norbert Marwan z Poczdamskiego Instytutu Badań nad Wpływem Klimatu (PIK), dodaje ważną uwagę:
Nasze analizy matematyczne ujawniły to, co z początku trudno w danych z osadów zauważyć – ukryte zależności i powtarzające się wzorce w klimacie. Spojrzenie w przeszłość jest więc również spojrzeniem w przyszłość. Z powolnych naturalnych fluktuacji klimatycznych zachodzących na przestrzeni milionów lat możemy wyciągnąć wnioski na temat oszałamiająco szybkich antropogenicznych zmian w naszym obecnym stuleciu.
W ramach obecnego wielkiego projektu paleoklimatologicznego International Ocean Discovery Program (IODP) oraz jego poprzedników w ciągu minionego pół wieku, podczas międzynarodowych ekspedycji wiertniczych na dnach oceanów udało się naukowcom skompletować wyniki badań przeszłego klimatu. Od początku XXI wieku położono duży nacisk na badania starsze niż 34 miliony lat, a więc, zanim na Antarktydzie pojawił się pierwszy lód.
—-
Wprawdzie pierwszych analiz rekonstrukcji klimatu kenozoicznego podjął się już w 2001 roku, James Zachos, pracownik Wydziału Nauk o Ziemi na Uniwersytecie Kalifornijskim, wraz ze swoim zespołem badawczym, ale pierwsza połowa kenozoiku w okresie ciepłym od 65 do 34 milionów lat nie została opisana dokładniej, chociaż już wtedy dokładniej opisano hipertermiczny epizod zwany PETM (Paleoceńsko-Eoceńskie Maksimum Termiczne), który miał miejsce 56 milionów lat temu. I właśnie ten stan klimatu nazwany został cieplarnianym, który był na początku ery kenozoicznej pomiędzy stanem ciepłym.
Westerhold wraz ze swoim zespołem badawczym na podstawie analiz naukowych klimatu kenozoicznego swoich poprzedników, dokładniej graficznie zobrazował nowy wykres, który nazwał CENOGRID (CENOzoic Global Reference benthic carbon and oxygen Isotope Dataset).
—-
—-
Rys.1. Graficzny wykres w postaci kodu kreskowego pokazujący stany termiczne klimatu: cieplarniany, ciepły, chłodny i zimny. Górny panel pokazuje od 66 milionów lat do dziś, epoki geologiczne. Dolny panel pokazuje od 66 milionów lat do dziś stężenie CO2 w ppm. Źródło: CENOGRID.
—-
Spoglądając na wykres na rysunku 1, widzimy cztery stany klimatu pod względem średniej temperatury powierzchni Ziemi. Mianowicie: cieplarniany, ciepły, chłodny i zimny. Przy jego rekonstrukcji zastosowano innowacyjne metody statystyczne stosowane w badaniach złożonych systemów dynamicznych. A konkretniej, udało się z wysoką rozdzielczością czasową oszacować przebieg temperatury w kenozoiku pod postacią spadkowej krzywej referencyjnej.
Na temat niniejszej pracy, prof. Szymon Malinowski na łamach serwisu naukowego Nauka o Klimacie, pisze:
Skład izotopowy tlenu i węgla w przebadanych osadach dostarcza informacji o przeszłych temperaturach oceanu, objętości lodu zamkniętego w lądolodach i lodowcach oraz cyklu węglowym. Graficznie wyniki badań można przedstawić jak fascynujący kod kreskowy.
Ochładzanie klimatu kenozoicznego polegało na szybkim usuwaniu dwutlenku węgla z atmosfery do gleb i skał oraz oceanów, niezależnie od przebiegających wymuszeń astronomicznych (słonecznych i orbitalnych), i miało głównie charakter geologiczny, tektoniczny. Oto trzy kluczowe zdarzenia, w których klimat w stanie ciepłym zaczął mieć trend ochładzający:
• około 50 milionów lat temu podczas zderzenia płyty indyjskiej z eurazjatycką i wypiętrzania się łańcuchów górskich Himalajów, Tien-Szanu, Karakorum, Hindukuszu, Kunlunu, Pamiru oraz płaskowyżu Tybetu (stan ciepły)
• około 34 miliony lat temu podczas powstania antarktycznego prądu wokółbiegunowego po ostatecznym rozpadzie Gondwany i pojawieniu się pierwszej pokrywy lodowej na Antarktydzie Wschodniej (przeskok ze stanu ciepłego w chłodny podczas przechodzenia klimatu z eocenu do oligocenu)
• około 14 milionów lat temu wzrost pokrywy lodowej na Antarktydzie Zachodniej (stan chłodny w środkowym miocenie)
• około 3 miliony lat temu podczas zamknięcia Przesmyku Panamskiego i powstania Prądu Zatokowego (Golfsztromu) i pojawienia się pierwszej pokrywy lodowej na Grenlandii i lodu morskiego w Arktyce (stan chłodny około 400 tysięcy lat przed końcem pliocenu i rozpoczęciem epoki plejstocenu ze stadiami glacjalno-interglacjalnymi (stan zimny, zwłaszcza podczas glacjałów)
Zespół naukowy Westerholda, gdy uzyskał w badaniach analitycznych składu izotopowego tlenu i węgla w mikroskamieniałościach otwornic bentosowych w wywierconych rdzeniach osadów oceanicznych, bardzo wysoką rozdzielczość czasową, przede wszystkim posłużył się jedną z najbardziej ciekawych metod statystycznych badania złożonych systemów dynamicznych, zwaną analizą rekurencji. Polega ona na opisie w przebiegu wykresów podobnych zdarzeń jakich spodziewamy się przy kontynuacji scenariusza emisji gazów cieplarnianych SSP5-8.5 (biznes jak zwykle). Od początku XXI wieku, dokładna analiza odwiertów sprzed 34 milionów laty pozwala spojrzeć naukowcom w przeszłość i przyszłość, gdy temperatury globalne mogą być analogiczne, o ile nie podejmiemy szybkich kroków dekarbonizacyjnych.
Kolejny wykres naukowców Westerholda ukazał interesującą trajektorię zmian klimatu. Zaczyna się nietypowo. Po uderzeniu asteroidy i uruchomieniu kaskadowych sprzężeń zwrotnych, najpierw ujemnych (zapylenie atmosfery, w tym stratosfery powodujące mroźną zimę w skali planetarnej), a potem dodatnich (masowe emisje dwutlenku węgla z wulkanicznych bazaltowych trapów dekańskich).
W sumie na ten krótki epizodyczny czas po impakcie bolidu, który zmiótł z powierzchni Ziemi 76 % gatunków, w tym wszystkie nieptasie dinozaury (C/Pe), okazał się wyjątkowo chłodny i na krótko (jak widać na wykresie) koncentracja CO2 spadła nawet do około 250 ppm.
—-
Praca zbiorowa Alfio Alessandro Chiarenzy, opublikowana w 2020 roku w czasopiśmie Proceedings of the National Academy of Sciences, wskazuje wyraźnie tę ujemną anomalię klimatyczną. Jednak potem w tym samym czasie wulkanizm z trapów dekańskich spowodował w dość krótkim, w skali geologicznej, czasie do ogromnego wzrostu koncentracji dwutlenku węgla.
W artykule Westerholda na wykresie z trajektorią zmian klimatu (rys.232) pominięty został epizod hipertermiczny PETM (paleoceńsko-eoceńskie maksimum termiczne) i nieco mniejszy ETM-2 (eoceńskie maksimum termiczne). Zwłaszcza ten pierwszy był bardzo istotny. Był to krótkotrwały pik termiczny, podczas którego koncentracja dwutlenku węgla wzrosła ze stabilnego wówczas poziomu 1000 do 2000 ppm.
Wczesne eoceńskie optimum klimatyczne (EECO) miało miejsce 51,5 mln lat temu. A więc, mniej więcej w tym samym czasie, gdy płyta indyjska zderzyła się z eurazjatycką, co spowodowało gwałtowne usuwanie dwutlenku węgla z atmosfery do skał i gleb. Spadek był z 1200 do około 800 ppm.
Następnie wystąpiło przejście klimatyczne pomiędzy eocenem a oligocenem (EOT) 34,5 miliona lat temu, gdy pojawił się pierwszy lód na Wschodniej Antarktydzie. Koncentracja CO2 spadła z 700 do 400 ppm
Podczas klimatycznego optimum mioceńskiego (MCO) w klimacie już w stanie chłodnym, koncentracja dwutlenku węgla mieściła się w granicach spadkowych 400-350 ppm.
Środkowo-mioceńska zmiana klimatu (mMCT) to już okres pojawiania się pokryw lodowych na Antarktydzie Wschodniej. Koncentracja CO2 wynosiła wówczas mniej więcej tyle samo 350-400 ppm.
Od 11,6 do 3,3 miliona lat temu koncentracja dwutlenku węgla raz wznosiła się w górę, raz podnosiła do poziomu 350-400 ppm.
Następnie od 2,6 miliona lat do 11,7 tysiąca lat trwa epoka plejstocenu z cyklami interglacjalnymi z dwutlenkiem węgla na poziomie 280 ppm i glacjalnymi na poziomie 180 ppm.
Podczas ostatniego maksimum glacjalnego (LGM) koncentracja dwutlenku węgla oscylowała między 180 a 200 ppm.
—-
Rys.2. Trajektoria zmian klimatu na Ziemi od 66 milionów lat do dziś. Na osi Y są pokazane głębinowe izotopy tlenu 18O. Na osi X widnieje koncentracja CO2 w ppm. A na prawej osi wykresu jest ukazany przedział czasowy w milionach lat.
(Thomas Westehold i inni, 2020).
—-
Bibliografia:
—-
Tierney J. E. et al., 2015 ; A TEX 86 surface sediment database and extended Bayesian calibration ; Scientific Data ; https://www.nature.com/articles/sdata201529
Westerhold T. et al., 2020 ; An astronomically dated record of Earth’s climate and its predictability over the last 66 million years ; Science ; https://www.science.org/doi/10.1126/science.aba6853
Zachos J. et, al., 2001 ; Trends, Rhythms, and Aberrations in Global Climate 65 Ma to Present ; Science ; https://www.science.org/doi/10.1126/science.1059412
Chiarenza A. A. et al., 2020 ; Asteroid impact, not volcanism, caused the end-Cretaceous dinosaur extinction ; Proceedings of the National Academy of Sciences ; https://www.pnas.org/content/117/29/17084
—-
Malinowski Sz., 2021 ; Geologia i globalne ocieplenie: co nowego? ; Nauka o klimacie