Przeszłe klimaty kenozoiku – analogi przyszłych klimatów

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 proxies (pośrednich), 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.

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 TEX86.

Wszystkie powyżej wymienione badania odegrały kluczową rolę w rekonstrukcji klimatu całej ery kenozoicznej. W szczególności paleowskaźnik TEX86 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 rozdzielczości czasowej, w epokach geologicznych podanych w danych okresach. A te z kolei są sklasyfikowane w erach. No a te w eonach.

Temat paleowskaźnika TEX86 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 1.

Fot.1. 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 miliony lat temu.

Jedno z ostatnich badań przedstawionych 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, na łamach serwisu EurekAlert tak to wyjaśnił 2,3:

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), dodał w tym samym serwisie 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 Międzynarodowego Programu Odkryć Oceanu (IODP – International Ocean Discovery Program) 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 wraz ze swoim zespołem badawczym, już na początku naszego wieku, James Zachos, pracownik Wydziału Nauk o Ziemi na Uniwersytecie Kalifornijskim, ale pierwsza połowa kenozoiku w okresie ciepłym od 65 do 34 milionów lat temu nie została opisana dokładniej, chociaż już wtedy lepiej poznano 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 4.

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.

 

Naukowcy na tym wykresie zaznaczyli 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, napisał 5:

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 poniżej 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 skład izotopowy 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.

Naukowcy: doktorant Kevin Burke i jego promotor profesor John Williams z Instytutu Paleoekologii na Wydziale Geografii i Centrum Badań Klimatycznych, na Uniwersytecie Wisconsin–Madison oraz ich współpracownicy z Uniwersytetu w Bristolu, z Uniwersytetu w Kolumbii, z Uniwersytetu w Leeds oraz z NASA GISS i Narodowego Centrum Badań Atmosferycznych (NCAR – National Centrum of Atmospheric Research) wytyczyli  specyficzne analogi historycznych, teraźniejszych oraz przyszłych klimatów 6.

W pracy tej naukowcy przedstawili dwa scenariusze emisji RCP4.5 i RCP8.5 (pierwszy raz przedstawionych w V Raporcie Oceny IPCC 2013-14), za pomocą symulacji trzech modeli klimatycznych: Hadley Center Coupled Model version 3 (HCCMvs3), Goddard Institute for Space Studies E2-R (GISS E2-R) oraz Community Climate System Model (CCSM), opracowali sześć okresów w historii geologicznej ery kenozoicznej, tzw. analogi geohistoryczne, takie jak: wczesny eocen (66-50 milionów lat temu), środkowy pliocen (5-3 milionów lat temu), ostatni interglacjał (129 do 116 tysięcy lat temu), środkowy holocen (6000 lat temu), epoka przedprzemysłowa (przed 1850 r. n.e.) i początek XX wieku.

W obu scenariuszach emisji gazów cieplarnianych (GHG), w badanym okresie czasu 2020-2280, klimat Ziemi będzie przypominać środkowy pliocen (3,5 miliona lat temu):

  • w 2030 roku dla scenariusza emisji GHG – RCP8.5
  • w 2040 roku dla scenariusza emisji GHG – RCP4.5

Jednak naukowcy zaznaczyli, że w opisanych terminach, przy łagodniejszym scenariuszu emisji RCP4.5, gdzie się już podejmuje częściowo ich redukcję, klimat będzie ulegać stabilizacji przypominając analog plioceński (5-3 mln lat temu), którego średnie roczne temperatury powierzchni były o około 1,8 do 3,6°C wyższe niż temperatury przedindustrialne (przed 1850 r.), a pokrywy lodowe na Antarktydzie i Grenlandii były znacznie zmniejszone przy podwyższonym poziomie morza o około 25 metrów.

Rys.3. Przewidywany rozkład geograficzny przyszłych analogów klimatu (RCP8.5). Przyszłe analogi klimatu na lata 2020, 2050, 2100 i 2200 CE według mediany zbiorowej. Okresy geohistoryczne są uporządkowane według globalnej średniej rocznej temperatury w następujący sposób: przedindustrialny, historyczny, środkowy holocen, LIG, pliocen i eocen, bez analogu umieszczonego na końcu ze względu na przewagę klimatów nieanalogowych w części najcieplejszej i najbardziej wilgotnej przestrzeni klimatycznej. W związku z tym przewidywane przyszłe położenie dopasowane do pliocenu, eocenu i brak analogu w trzech ESM zostanie zidentyfikowane jako eocen w medianie zespołu (Kevin D. Burke, 2018).

Natomiast przy ostrzejszym scenariuszu emisji RCP8.5, gdzie nie podejmuje się żadnych działań ich redukcji, klimat będzie nadal się jeszcze bardziej ocieplać, aż w 2100 roku osiągnie pułap analogu eoceńskiego (66-50 mln lat temu), którego średnie roczne temperatury powierzchni na świecie były o 13°C ± 2,6 °C wyższe niż temperatury końca XX wieku. Wówczas nie było jeszcze stałych pokryw lodowych na obu biegunach Ziemi, poziom morza był podniesiony o ponad 65 metrów, a atmosferyczne stężenie dwutlenku węgla wynosiło w przybliżeniu 1400  ppmv (parts per milion volume – części na milion objętościowo).

Naukowcy napisali, że według scenariusza emisji RCP4.5 w 2280 roku wzrośnie ilość analogów najbliższych obecnemu klimatowi, z kolei według scenariusza emisji RCP8.5 w 2280 roku wzrośnie ilość analogów najodleglejszych:

Liczba analogów według powyższego badania:

  1. Dla RCP4.5 w 2280 roku:
  • 16,8 % – historyczny analog (industrialny od 1850 r.)
  • 18,1 % – przedindustrialny analog (przed 1850 r.)
  • 16,2 % – środkowoholoceński analog (6 tys. lat temu)
  • 10,1 % – ostatni interglacjalny analog (125 tys. lat temu)
  • 38,8 % – środkowoplioceński analog (3-5 mln lat temu)
  1. Dla RCP8.5 w 2280 roku:
  • 10,2 % – ostatni interglacjalny analog (125 tys. lat temu)
  • 21,6 % – środkowoplioceński analog (3-5 mln lat temu)
  • 44,4 % – wczesnoeoceński analog (66-50 mln lat temu)
  • 33,8 % – brak danych (możliwe, że chodzi o ocieplenie jeszcze większe niż wczesnoeoceńskie)

Dla tego scenariusza, analogi historyczne i przedindustrialne tylko są widoczne do 2030 roku.

Kevin Burke w serwisie Science Daily powiedział 7:

Na podstawie danych obserwacyjnych śledzimy szczytowe scenariusze emisji, ale jest zbyt wcześnie, aby to stwierdzić.

Obecnie, możemy być gdzieś pomiędzy RCP4.5 a RCP8.5, ale jeśli zwiększymy nasze wysiłki na rzecz łagodzenia klimatu – na przykład przejście na energię odnawialną – możemy znaleźć się bliżej najniższego poziomu

Modele klimatyczne pokazały, że analogi odleglejszych geologicznych klimatów najszybciej pojawią się wewnątrz kontynentów (z dala od oceanów). Badacze to pokazali na przykładzie swojego rodzimego Madison w stanie Wisconsin wewnątrz Stanów Zjednoczonych, w którym temperatura znacznie mocniej narasta niż w Seattle nad Pacyfikiem, pomimo tego, że to miasto leży niedaleko dużego jeziora Michigan. Obliczyli, że gdy średnia temperatura powierzchni Ziemi ociepli się o 3 stopnie Celsjusza w stosunku do okresu przedprzemysłowego 1850-1900, to w Madison w skali regionalnej, ta temperatura nawet podwoi się.

Oczywiście, jak pokazały modele klimatyczne, w tym samym czasie kiedy temperatury rosną, wzrasta też liczba opadów atmosferycznych, kurczą się zasięgi pokryw lodowych, zarówno Antarktydy, jak i Grenlandii, a także kurczy się zasięg pokrywy lodu morskiego w Arktyce, a to z kolei powoduje, że klimat w pobliżu biegunów Ziemi staje się coraz bardziej umiarkowany, tak jak to było 3 miliony lat temu w Arktyce i 35 milionów lat temu w Antarktyce.

John Williams mocno zaniepokojony coraz większą realnością przybliżenia Ziemi do analogów z najodleglejszej przeszłości kenozoicznej, powiedział w serwisie Science Daily:

Im dalej od holocenu, tym większy potencjał, że wyjdziemy poza bezpieczną przestrzeń operacyjną.

W ciągu mniej więcej 20–25 lat, w których pracuję w terenie, przeszliśmy od oczekiwania na zmianę klimatu, do wykrywania skutków, a teraz widzimy, że powoduje ona szkody. Ludzie umierają, mienie jest niszczone , obserwujemy nasilające się pożary i nasilające się burze, które można przypisać zmianom klimatu. W systemie klimatycznym jest więcej energii, co prowadzi do bardziej intensywnych wydarzeń.

Widzieliśmy wielkie rzeczy w historii Ziemi – wyewoluowały nowe gatunki, życie trwa. Niektóre gatunki przetrwają, ale i też wiele z nich zginie, a my także żyjemy na tej planecie. Są to rzeczy, o które należy się martwić, więc ta praca wskazuje nam, w jaki sposób możemy wykorzystać naszą historię i historię Ziemi, aby zrozumieć dzisiejsze zmiany i jak najlepiej się dostosować.

—-

Jessica Tierney, profesor nadzwyczajny na Wydziale Nauk o Ziemi na Uniwersytecie Arizony, wraz ze swoim zespołem badawczym, opublikowała pracę paleoklimatologiczną, w której stwierdziła na podstawie badań izotopowych muszli otwornic oraz symulacji komputerowych modeli, że w przeszłości, gdy było wyższe stężenie dwutlenku węgla w atmosferze, to tym większa była równowagowa czułość klimatu (ECS – Equilibrium Climate Sensitivity) 8.

Takie zdarzenie miało miejsce w odległej przeszłości klimatycznej i naukowcy ostrzegają, że przy obecnym scenariuszu emisji GHG, jesteśmy na prostej drodze do tak ciepłego świata jak na początku eocenu w kenozoiku albo nawet jeszcze cieplejszego jak w kredzie, w mezozoiku, 90 milionów lat temu.

Tierney ze swoimi współpracownikami zauważyła, że podczas symulacji komputerowych, cieplejsze klimaty sprzyjające tworzeniu się wysokiej równowagowej czułości klimatu (ECS), miały miejsce, gdy zmieniała się pokrywa chmur, a więc, musiała ona zmniejszyć się stymulując większy dostęp energii słonecznej do powierzchni Ziemi. Również w tamtych czasach był inny układ płyt tektonicznych, gdzie prawie wszystkie kontynenty były względnie zbliżone do siebie.

Na Ziemi w okresie 90-50 milionów lat temu nie było jeszcze zwartej pokrywy lodowej, a wzrost poziomu morza był o 55-60 metrów wyższy niż dziś.

Rys.4. Klimaty w przeszłości zapewniają kontekst dla przyszłych scenariuszy klimatycznych (Jessica E. Tierney i inni, 2020).

 

Na powyższym rysunku, zarówno przeszłe (na górze), jak i przyszłe (na dole) klimaty są pokolorowane przez szacowaną zmianę globalnej średniej rocznej temperatury powierzchni w stosunku do warunków przedindustrialnych, od niebieskiego (zimniejszego) do czerwonego (cieplejszego) klimatu. „Zrównoważony rozwój”, „Środkowa droga” i „Wysokie emisje” reprezentują szacunkowe anomalie temperatury globalnej w roku 2300 na podstawie, odpowiednio, wspólnych ścieżek społeczno-ekonomicznych (SSP) SSP1-2.6, SSP2-4.5 i SSP5-8.5. Zarówno w przeszłych, jak i przyszłych przypadkach, cieplejsze klimaty są związane ze wzrostem CO2 (wskazane strzałką), miliony lat temu.

Dzięki nowatorskim metodom badawczym proxy za pomocą analizy izotopowej otwornic morskich oraz znaczników geochemicznych jak izotopy wody, a także zastosowaniu statystycznego wnioskowania bayesowskiego (teoria Thomasa Bayesa), naukowcy uzyskali dzięki temu wyższą rozdzielczość czasową, co pozwoliło uzyskać dokładniejsze informacje o klimacie subsezonowym, w celu zbadania, w jaki sposób zewnętrzne wymuszenia klimatyczne mogą wpływać na śródroczne i międzyroczne tryby zmienności klimatycznych.

Ponadto takie techniki badawcze jak asymilacja danych, polegające na łączeniu badań proxy z symulacjami komputerowymi (tzw. produkty hybrydowe), dają większy wgląd w obraz zmienności klimatycznych. Dotychczas naukowcy wiedzieli, że takie zmienności jak stopień zachmurzenia czy prędkość wiatru są jak dotąd niemożliwe w indentyfikacji w odległych czasach geologicznych.

Naukowcy jeszcze zauważyli następujący fakt, że powszechnym problemem związanym z wykorzystywaniem informacji paleoklimatycznych jako celów modelowych jest to, że wymuszenia niezwiązane z CO2, takie jak aerozole i śladowe gazy cieplarniane, nie są dobrze znane, zwłaszcza w odległej przeszłości geologicznej.

Referencje:

  1. Tierney J. E. et al., 2015 ; A TEX 86 surface sediment database and extended Bayesian calibration ; Scientific Data ; https://www.nature.com/articles/sdata201529
  2. 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
  3. MARUM – Center for Marine Environmental Sciences, University of Bremen, 2020 ; Unraveling 66 million years of climate history from ocean sediments ; EurekAlert ; https://www.eurekalert.org/news-releases/911139
  4. 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
  5. Malinowski Sz., 2021 ; Geologia i globalne ocieplenie: co nowego? ; Nauka o klimacie ; https://naukaoklimacie.pl/aktualnosci/geologia-i-globalne-ocieplenie-co-nowego/
  6. Burke K. D. et al., 2018 ; Pliocene and Eocene provide best analogs for near-future climates ; Proceedings of the National Academy of Sciences ; https://www.pnas.org/content/115/52/13288
  7. University of Wisconsin-Madison, 2018 ; Humans may be reversing the climate clock, by 50 million years ; Science Daily ; https://www.sciencedaily.com/releases/2018/12/181210150614.htm
  8. Tierney J. E. et al., 2020 ; Past climates inform our future ; Science ; https://www.science.org/doi/10.1126/science.aay3701

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *