Aby dokładniej oszacować prawdopodobieństwo przyszłego ocieplenia klimatu gdybyśmy nie podjęli żadnych działań dekarbonizacyjnych, badamy nie tylko rzeczywisty stan systemu klimatycznego Ziemi, ale również uważniej przyglądamy się jak w przeszłości geologicznej przebiegał klimat, a zwłaszcza jego znacznie większe ocieplenie od współczesnego.
Po 50 latach żmudnych badań proxies (pośrednich) naukowcy coraz lepiej poznają przeszłość geologiczną pod względem zmian klimatu. Miały na to wpływ różnorodne czynniki, jak geologiczne (tektonika płyt) czy typowo fizyczne atmosferyczne i hydrologiczne (cyrkulacje atmosferyczne i oceaniczne). Na zmienność i zmiany klimatu miał także chociaż jeden czynnik pozaziemski (asteroida). Ten najlepiej opisany znamy właśnie 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.
Ostatnie badanie z 11 września 2020 roku “An astronomically dated record of Earth’s climate and its predictability over the last 66 million years” [“Astronomicznie datowany zapis klimatu Ziemi i jego przewidywalności na przestrzeni ostatnich 66 milionów lat”] ukazało nam nowe oblicze klimatu kenozoicznego.
Główny autor publikacji, Thomas Westerhold z MARUM – Centrum Nauk o Środowisku Morskim 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 w publikacji naukowej „Trends, Rhythms, and Aberrations in Global Climate 65 Ma to Present” [„Trendy, rytmy i aberracje w globalnym klimacie 65 mln do chwili obecnej”], 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 nazwali 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 ten wykres, 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 3 miliony lat temu podczas zamknięcia Przesmyku Panamskiego i powstania Prądu Zatokowego (Golfsztromu) i pojawienia się pierwszej pokrywy lodowej na Grenlandii i Antarktydzie Zachodniej oraz lodu morskiego w Arktyce (przeskok ze stanu chłodnego w zimny podczas epok glacjalnych i powrót ze stanu zimnego w chłodny podczas epok interglacjalnych – tzw. cykle glacjalno-interglacjalne w epoce plejstocenu)
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 RCP 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 z 21 lipca 2020 roku „Asteroid impact, not volcanism, caused the end-Cretaceous dinosaur extinction” [„Uderzenie asteroidy, a nie wulkanizm, spowodowało wyginięcie dinozaurów z końca kredy”] 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. 2) 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 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 O-18. Na osi X widnieje koncentracja CO2 w ppm. A na prawej osi wykresu jest ukazany przedział czasowy w milionach lat.
28 grudnia 2020 roku pod kierownictwem Caroline Lear z Uniwersytetu w Cardiff ukazuje się nietypowa zespołowa praca naukowa „Geological Society of London Scientific Statement: what the geological record tells us about our present and future climate” [„Oświadczenie naukowe Geologicznego Towarzystwa Londynu: co dane geologiczne mówią nam o naszym obecnym i przyszłym klimacie”].
Naukowcy zauważyli, że precyzyjnie zrekonstruowane analogi z przeszłości geologicznej pomogą dokonać bardziej dokładnej równowagowej czułości klimatu – ECS (Equilibrium Climate Sensitivity) w przyszłym ocieplającym się świecie, która według pracy zespołowej Stevena Sherwooda „An Assessment of Earth’s Climate Sensitivity Using Multiple Lines of Evidence” [„Ocena czułości klimatu Ziemi na podstawie wielu linii dowodowych”], przy podwojeniu koncentracji CO2 w atmosferze wynosi w zakresie 2,6-3,9°C.
Lear wraz ze swoim zespołem badawczym stwierdza fakt, że obecna koncentracja dwutlenku węgla jest już wyższa niż 3,3 miliona lat temu w środkowym pliocenie, gdy tamtejszy klimat był o 2-4 stopnie Celsjusza cieplejszy niż dziś (stan chłodny klimatu). A wyższe stężenia CO2, które zagrażają nam w drugiej połowie XXI wieku przy zaniechaniu działań dekarbonizacyjnych lub ich spowolnieniu, mogą zbliżyć naszą planetę do stanu ciepłego, a w najgorszym razie nawet do cieplarnianego (hipertermicznego).
Rys. 3: a) Zależność między stężeniem CO2 w atmosferze a średnią temperaturą powierzchni Ziemi GMST – Global Mean Surface Temperature) dla pięciu przedziałów czasowych w historii naszej planety. b) Zależność między wymuszeniem radiacyjnym (ΔR w W m- 2 ) a zmianą średniej temperatury powierzchni Ziemi (ΔGMST) (oba parametry w stosunku do wartości z epoki przedprzemysłowej). Paski błędów pokazują 68-procentowy przedziałów ufności i w niektórych przypadkach są mniejsze niż symbol. LGM – ostatnie maksimum epoki lodowej (ang. Last Glacial Maximum), EECO – eoceńskie optimum klimatyczne (ang. Early Eocene Climate Optimum), a PETM – paleoceńsko-eoceńskie maksimum termiczne (ang. Paleocene-Eocene Thermal Maximum). Źródło Lear i inni, 2020.
https://science.sciencemag.org/content/369/6509/1383
https://science.sciencemag.org/content/292/5517/686
https://www.pnas.org/content/117/29/17084
https://jgs.lyellcollection.org/content/178/1/jgs2020-239
https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2019RG000678
https://naukaoklimacie.pl/aktualnosci/geologia-i-globalne-ocieplenie-co-nowego-473